天然氣管道失效的原因及防范

趙延平

(國家管網(wǎng)集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

我國社會對于能源的需求量相對較高，在所有的能源中，天然氣資源在環(huán)保、價格以及產(chǎn)量等方面都具有一定的優(yōu)勢，但是我國的能源分布與需求之間存在嚴重的矛盾問題，需要對天然氣資源進行長距離的輸送，目前，管道輸送天然氣是最受歡迎的方式。近年來，隨著社會經(jīng)濟和科學技術的快速發(fā)展，天然氣管道的鋪設規(guī)模也在逐年增加，已經(jīng)在全國范圍內形成巨大的管道網(wǎng)絡。然而，天然氣管道在運行過程中，由于受到多種因素的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)管道失效問題，嚴重影響了天然氣管道的安全運行。隨著我國管道安全法的頒布，國家對于管道安全的重視程度也在逐漸提升，如何進一步提升管道的運行安全成為一項重要問題。文章重點分析了天然氣管道失效的原因，在此基礎上，提出了管道運行風險防范措施，為進一步提高管道的運行安全奠定基礎。

1 天然氣管道失效分析

1.1 失效模式分析

管道的失效模式主要可以分為六種類型，分別是管體斷裂、接口泄漏、管體爆炸、管道過量變形、管道材料性能退化以及管道損傷。在管體斷裂方面，其主要是由于第三方破壞、應力腐蝕、韌性斷裂、疲勞斷裂以及腐蝕疲勞等因素所引起，在出現(xiàn)管體斷裂問題后，將會出現(xiàn)介質泄漏現(xiàn)象，此時出現(xiàn)爆炸事故的概率相對較大[2]。對于接口泄漏而言，其主要是由于密封失效以及腐蝕穿孔等因素所引起，天然氣管道在施工過程中，如果有焊接缺陷問題存在，則出現(xiàn)接口泄漏的概率也相對較大。對于管體爆炸而言，其主要可以分為化學爆炸和物理爆炸兩種類型，由于異常化學反應導致管道內的壓力提升，在超過管道自身強度的前提下，將會引發(fā)化學爆炸問題，由于物理原因導致管道內的壓力提升，在超過管道自身強度的前提下，管道將會出現(xiàn)物理爆炸問題。在過量變形方面，在管道過熱運行或者過載運行的前提下，管道將會出現(xiàn)扭曲問題，或者管道受到自身材料的影響，在使用的過程中可能會出現(xiàn)相變現(xiàn)象，最終導致管道出現(xiàn)過量變形問題。在材料性能退化方面，其主要是由于損傷脆化、氫致?lián)p傷、金相組織變化等因素所引起。在管道損傷方面，其主要是由于電化學腐蝕、高溫氧化腐蝕、第三方破壞以及沖蝕等因素所引起。

1.2 失效原因分析

引發(fā)天然氣管道失效問題的因素相對較多，影響因素主要可以分為兩種類型，分別是自身因素和外界因素。其中，由于建設質量不達標、管道自身存在缺陷以及管道存在密封問題所引發(fā)的失效問題屬于自身因素，由于腐蝕、第三方破壞、自然風險引發(fā)的管道失效問題屬于外界因素。為了對管道運行過程中的安全風險影響因素進行全面識別，國際管道研究委員會收集了大量的管道安全風險事故資料，通過對管道事故進行調查和分析發(fā)現(xiàn)，管道失效影響因素可以分為22種類型。除了未知因素以外，可以從時間狀態(tài)的角度出發(fā)，將21種類型的影響因素劃分為9個類別。與時間相關的因素包括外部腐蝕因素、內部腐蝕因素以及應力腐蝕因素等，與時間無關的因素包括第三方破壞因素、操作失誤因素、天氣因素等，靜態(tài)因素包括制造缺陷因素、焊接缺陷因素以及設備因素等。對于第三方破壞因素而言，其可以分為第三方施工破壞、管道存在損傷以及人為故意破壞等；對于天氣因素而言，其可以分為寒冷天氣、雷電天氣、暴雨天氣以及地殼運行；對于制造缺陷因素而言，其可以分為有缺陷的焊縫、有缺陷的管道；對于焊接缺陷因素而言，其可以分為管道彎曲或皺起、螺紋滑絲等；對于設備因素而言，其可以分為密封圈失效、墊圈失效、控制裝置故障等[2]。

在管道運行過程中，其本體非常容易因腐蝕、操作不當或者管理不當?shù)纫蛩匾l(fā)管道泄漏或破裂等問題，此時出現(xiàn)火災爆炸事故的概率相對較大。中海油聯(lián)合中國石油大學對近年來我國的管道風險事故進行了統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，第三方破壞、材料腐蝕、安裝缺陷、管理不當以及材料老化是影響我國天然氣管道運行安全的重要因素。在第三方破壞方面，其主要包括由于人為因素和自然因素所引起的管道破壞問題。我國管道面臨的第三方破壞問題相對較為嚴重，人為破壞因素在所有管道失效影響因素中的占比達到了66%，這一數(shù)據(jù)指標遠高于歐美國家，在將自然環(huán)境引發(fā)的管道數(shù)據(jù)列入到第三方破壞影響因素以后，第三方破壞因素在所有管道失效影響因素中的占比達到了76%。所謂的人為破壞主要指的是施工破壞以及鉆孔盜氣，隨著我國管道保護工作以及管道安全宣傳工作的持續(xù)進行，我國鉆孔盜氣的案件數(shù)量明顯降低，但是在開展第三方施工的過程中，由于施工人員對于地下管道并不了解，且管道管理企業(yè)沒有相關的工作人員進行現(xiàn)場監(jiān)督，因此，其出現(xiàn)管道損傷問題的概率也相對較高。在腐蝕失效方面，其主要可以分為外腐蝕失效、內腐蝕失效以及應力腐蝕失效等三種類型。盡管我國大多數(shù)管道采取了外防腐層和陰極保護的措施，但是受到管道運行時間的增加，陰極保護措施可能會逐漸失效，外防腐層可能會逐漸老化，此時受到土壤環(huán)境的影響，管道出現(xiàn)外腐蝕失效問題的概率必然會提升，受到管道內介質腐蝕性的影響，其出現(xiàn)內腐蝕失效的概率也相對較高，受到施工不當或者安裝不當?shù)纫蛩氐挠绊懀艿揽赡軙霈F(xiàn)應力腐蝕失效問題[3]。

對于國外的眾多管道而言，由于其服役時間相對較長，因此，由于腐蝕失效問題引發(fā)的安全風險問題相對較多，我國在管道建設方面的發(fā)展速度相對較快，對于大多數(shù)管道而言，其服役時間相對較短，因此，腐蝕失效問題引發(fā)的安全事故數(shù)量相對較少。但是隨著時間的推移，我國的部分管道將會逐漸老化，此時出現(xiàn)失效問題的概率將會提升。部分管道本體存在初始缺陷問題，初始缺陷也是引發(fā)管道失效的重要原因。所謂的初始缺陷主要包括在管道制造、運輸以及施工的過程中引發(fā)的缺陷問題，在管道施工過程中，如果出現(xiàn)安裝缺陷問題，此時管道的整體強度將會嚴重降低，進而影響天然氣管道的安全性和可靠性。在管道運行管理中，有些操作人員并不具備專業(yè)性的操作知識，在操作過程中出現(xiàn)失誤問題的概率相對較高，在開展管道管理過程中，盡管管道運營管理企業(yè)都已經(jīng)制定了完善的管理制度，但是部分管理制度并沒有得到全面的落實，或者管道管理程度存在問題，管道出現(xiàn)安全風險問題的概率相對較高。為了防止出現(xiàn)嚴重的安全風險問題，大多數(shù)管道管理企業(yè)都將會安排相關人員定期對管道進行巡檢，但是如果巡檢人員缺乏工作經(jīng)驗，或者專業(yè)知識不足，這也將影響天然氣管道的運行安全。

2 天然氣管道安全風險防范措施

2.1 強化安全預防工作

安全預防工作所需要采取的措施主要包括提高管道設計質量、強化施工管理工作、強化運行維護工作以及強化管道保護力度等四個方面。在管道設計方面，設計過程中需要對管道沿線的實際情況進行充分調研和分析，對管道沿線的地質資料、氣象資料、環(huán)境資料進行充分的收集，對設計方案進行合理的優(yōu)化，例如：需要根據(jù)管道沿線的線路情況、管道內介質的成分以及管道的輸送壓力，對管道材質進行合理的選擇，如果管道需要經(jīng)過地質災害易發(fā)區(qū)域，則需要對管道施加針對性的保護措施。在進行截斷閥選擇的過程中，需要盡可能提高截斷閥的有效性，以便在出現(xiàn)安全問題以后可以及時對管道進行關閉。如果下游用戶存在調峰需求，則需要對儲氣設施進行合理的設計，在確定最終方案的過程中，需要對設計方案進行反復論證，以此提高設計方案的可靠性。在強化施工管理方面，需要對施工管理制度進行完善，并對現(xiàn)場工作人員進行完善的監(jiān)督，焊接作業(yè)屬于管道施工作業(yè)的重要環(huán)節(jié)，其出現(xiàn)安全風險問題的概率也相對較高。因此，需要制定嚴格的焊接作業(yè)流程，同時，需要聘請專業(yè)且具有充足焊接經(jīng)驗的工作人員開展作業(yè)，在焊接作業(yè)結束以后，需要對焊接質量進行完善的檢查。在開展管道補口作業(yè)的過程中，首先需要對補口材料進行合理的選擇，補口作業(yè)需要完全按照相關的流程進行，以此提高補口作業(yè)的質量。在管道下管溝的過程中，需要對管溝中的雜物或石塊進行全面的清理，防止其對管道的外防腐層產(chǎn)生破壞問題，在管道上方位置處需要合理布置警示標志，并在警示標志上書寫管道安全保護領域的相關法律及要求，以此防止出現(xiàn)嚴重的第三方破壞問題。對于地質災害易發(fā)區(qū)域而言，需要充分做好水工保護工作。在強化運行維護方面，需要及時開展清管作業(yè)，以便清理出管道內的腐蝕性物質，對于管道的通信系統(tǒng)以及自控系統(tǒng)而言，其需要做好日常的管理及維護工作，定期對管道開展內外檢測作業(yè)，如果發(fā)現(xiàn)管道存在嚴重的內腐蝕問題，則需要對內腐蝕嚴重的管段進行更換。如果發(fā)現(xiàn)管道存在外防腐層破損問題，則需要及時對外防腐層進行修復。在加大保護力度方面，需要聘請專業(yè)化的人員開展日常巡檢作業(yè)，對第三方施工問題進行制止，在管道管理企業(yè)監(jiān)督人員到場監(jiān)督的前提下，施工單位才能進行第三方施工，管道管理企業(yè)需要對多種類型的媒體平臺進行充分利用，強化管道安全宣傳工作。

2.2 強化完整性管理工作

近年來，我國管道的建設速度相對較快，未來我國天然氣管道的數(shù)量以及總里程數(shù)必然會持續(xù)提升，對于管道管理企業(yè)而言，如何提高天然氣管道運行安全是目前亟需解決的關鍵問題。完整性管理屬于一項相對較為先進的管理方法，通過開展完整性管理工作，可以及時發(fā)現(xiàn)管道運行過程中存在的安全隱患，從而采取有效的措施消除安全隱患問題，使得整個管道系統(tǒng)保持完整的狀態(tài)。通過對歐美國家進行調研和分析發(fā)現(xiàn)，其在上世紀后期開展了管道完整性管理工作，管道失效的概率大幅降低。通過EGIG的統(tǒng)計結果顯示，歐洲在實施管道完整性管理工作后，其管道的失效概率從0.347次/(1000 km·a)降低到了0.167次/(1000 km·a)。目前，我國正在大力推行管道完整性管理工作，并取得了初步效果。中石油管道公司于2009年首次編制完成《管道完整性管理規(guī)范》，這屬于我國管道完整性管理領域的首部標準規(guī)范，同時，成立了管道完整性管理中心，其職能主要是編制完整性管理領域的相關方案，并對落實情況進行合理的監(jiān)督。該公司于2010年首次對所有管道進行了全面檢測和風險評價，發(fā)現(xiàn)了眾多安全風險問題，并采取了有效的整改措施，大幅提升了管道運行的安全性。在開展完整性管理的過程中，首先需要引入管道安全評價方法，定期對管道的運行情況進行合理的評價。常見的安全評價方法相對較多，主要可以分為定性評價、定量評價以及半定量評價方法三種類型，其中，定量評價方法的先進性相對較強，但是使用流程相對較為復雜，在開展風險評價的過程中，管道管理企業(yè)需要對評價方法進行合理的選擇及應用，以此提高評價結果的準確度，為管道整改工作的開展奠定基礎。

3 結語

綜上所述，管道輸送屬于天然氣運輸過程中相對較為安全且經(jīng)濟的一種運輸類型，但是受到管道內外部因素的聯(lián)合影響，其出現(xiàn)失效風險的概率相對較高，影響失效的因素也相對較多，一旦出現(xiàn)管道失效問題，必然會造成極大的經(jīng)濟損失和社會影響。因此，強化安全風險防范工作十分關鍵，需要從強化安全預防以及強化完整性管理兩個角度出發(fā)，采取多種類型的有效措施，以此提高管道運行的安全性。