“雙碳”背景下輸氣管道的高效管理與安全運行

相澤厚， 高勝寒

(1.成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059；2.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著我國“雙碳”目標的持續推進，太陽能、風能、核能、地熱能、潮汐能等各種低碳能源相繼成為能源產業的重點關注對象[1-2]。加快對重工業企業的綠色低碳改造，一方面是限制部分高耗能高碳排放量的產業發展，促使傳統高耗能的重工業向高端制造業及高技術的產業發展[3]；另一方面則是以科技創新推動智能化進程，尤其在傳統能源行業中，推進石油與天然氣鉆采與運輸一體化[4]，改進石油煉化工藝流程[5]，建設數字化管道和實施管理運行標準[6-8]等，從而提升傳統能源利用效率，大幅度減少基礎工藝或輸油輸氣過程中產生的損耗。

對于油氣行業來說，天然氣作為一種低碳化石能源，在中國能源系統中具有特殊的地位和意義，天然氣輸氣管道的建設與管理在“碳達峰、碳中和”的進程中不可或缺[9-12]。輸氣管道是天然氣運輸的重要渠道，隨著居民天然氣消費量的不斷增長，如何解決輸氣管道運行管理過程中的各種問題，推動管道低碳條件下的安全運行[13-14]；如何落實管道管理責任，有效管控管道風險，持續優化管道低碳安全運行等工作顯得尤為重要。

隨著管道工程技術的不斷發展，輸氣管道的建設與管理均呈現出逐漸智能化和系統化的趨勢，逐漸明確影響輸氣管道低碳化運行機制與管理過程的外部影響因素。尤其在管道腐蝕防護管理、減少輸氣管道中天然氣的損耗、智能化監測與管理以及排除外部工程因素等保障管道完整性方面，都對“雙碳”目標的實現有著重要作用。

1 低碳化輸氣管道運行機制

保障天然氣供應是每個運行企業面臨的難題，我國始終存在冬季用氣緊張、夏季氣源過剩矛盾，為了解決季節用氣調峰、應對突發事件，國家通過建設互聯互通管道將國內的輸氣主干管道連接成管網，互為備用，根據地區和用戶用氣量實現智能化調整[15-17]。通過加大儲氣庫建設，將供氣源多余的天然氣儲存起來，上游來氣緊張時將儲存的氣體釋放出來，緩解管網的壓力，進行整體調控[18-19]。在管網運行管理過程中，注重管道防腐措施、設置監測裝置、明確高后果區管道風險評價、定期開展管道清管作業及管道內部檢測，均能降低輸氣過程中風險事故的發生概率，避免環境污染的同時減少輸送環節的能耗，推動“雙碳”目標實現。

1.1 管道防腐措施

天然氣管道在鋪設過程中往往會經過不同地區，其穿越環境與氣候變化較大，暴露在空氣中的管道的管壁容易遭受雨水的侵蝕，而長期埋藏于地下的輸氣管道則會受到土壤和地下水的腐蝕[20-21]。因此，管道防腐工作是保證天然氣安全運輸的關鍵，完整的管道腐蝕防護管理機制能夠減少輸氣過程中的天然氣損失，減少氣體泄漏的風險及降低事故的發生概率，對提高環境污染防治具有重要意義。

輸氣管道通常采用防腐層和陰極保護聯合的防腐蝕措施，管道內壁涂刷防腐涂層，管道外壁則采用3PE防腐層防護。陰極保護的防腐措施，一般選用強制電流陰極保護和犧牲陽極保護兩種措施。管道防腐的日常管理運行過程中，需要進行保護電位的測試，電位測試樁與通電點處的通電電位每月進行一次測試，斷點電位每年進行一次測試，同時對恒電位儀等電源設備、測試樁、均壓線連接點等定期進行維護。天然氣在管道內輸送的過程中，會受到雜質影響，在一定的溫度條件下發生化學反應生成不同形態的其他物質，并與天然氣管道內壁發生摩擦，加快管道的損壞，因此還需要定期對天然氣管道內的化學成分進行分析化驗，從而盡量減少發生腐蝕的情況。

1.2 監測裝置的設置

設置監測裝置，能夠對天然氣管線泄漏進行及時監測，從而及時發現泄漏風險，在延長管線使用壽命的同時，降低環境污染的風險并減少經濟損失。為了減少輸氣過程中的損失、維護管道的正常運行、提高監測裝置的敏感性與運行的正常，必須加強監測裝置的日常維護與檢修。泄漏監測的常用方法有負壓波、聲波、光纖傳感器檢測及地面間接法等[22]。

近年來，為了對輸氣管道內的各種參數進行采集和定量化分析，SCADA系統遠控測試、ESD功能測試等數字化系統不斷升級。基于計算機、通訊和數控技術的發展，能夠高效地實現管道內的壓力與流量調節、天然氣計量、閥門開關、自動報警與保護、數據采集傳輸等諸多功能。及時的數據監測與調控，可以保證輸氣管道的安全運行與生產，提高了長輸管線天然氣的輸送效率，為清潔能源的輸送提供更高效更安全的保障。

1.3 高后果區管道風險評價

高后果區指管道發生泄漏后會嚴重危害公共安全或對環境造成較大破壞的區域[23-25]。由于高后果區內人員密集或處于國家水源保護區等地，使得其發生事故后的人員傷亡、環境損失和經濟損失都十分嚴重。因此，進行高后果區輸氣管道風險評價，并采取相應的風險控制措施和管理手段，是保障管道安全運行的重點。在役管道及周邊環境發生變化時，應當及時對風險評估，并根據評估結果進行修改，對高后果區內的地質災害敏感管段，應加強人工巡護與數據采集監測，并對可能存在的管道腐蝕、氣體泄漏、管道壓力過高等各類突發情況進行及時處理，及時修訂環境污染防治的應急預案。

1.4 定期開展管道清管作業

管道清管作業的主要目的是確保輸氣管道的安全運行，防止出現管道堵塞或管道內部壓力過大等問題，保證輸氣管道的通暢和安全[26]。通過定期的管道清管作業，能夠實現天然氣的高效輸送和管網的優化運行，從而減少輸氣管道中天然氣的損耗，同時減少殘留在管道中的硫化鐵粉，避免安全事故的發生以及對環境污染的危害。清管作業采用管輸效率與最長周期原則，采用潘漢德公式進行計算，一般而言對于公稱通徑在500 mm以下且管輸效率小于90%以及公稱通徑在500 mm以上且管輸效率小于95%的管道，應當安排清管作業；輸氣管道清管周期原則上為3個月，對氣質控制較好且連續兩次以上清理后雜質小于10 kg的管道，可以經由管理部門審查后暫緩清理。優先選擇機械清管器或高密度泡沫清管器并安裝相應的定位跟蹤器，在清管過程中采用濕式作業以避免管道中的硫化鐵粉自燃，清出的雜質送到相應的地點進行合理的分解處理，避免對環境的二次污染。

1.5 管道內部定期檢測

由于管道長期運行，以及外部應力變化、管道內涂層的腐蝕，管道外觀及管道內部原有的缺陷會發生變化。智能檢測技術包含核心標準幾何檢測(EGP)和高分辨率漏磁檢測(CDP)。其中EGP用于探測和測量管線幾何變形(內徑變化)、橢圓變形和其他管道設施的尺寸和位置，為CDP提供通球速度、溫度等詳細的參數。CDP屬于高分辨率MFL檢測設備，該設備能準確測量管道內壁的異常點，可高效檢測出管道的腐蝕、凹坑、鑿槽、焊縫外觀、金屬缺失等缺陷。智能檢測可準確測量管線的變形點、腐蝕情況，精準描述出管道的現狀，為正確判斷管道運行狀況采取相應的措施提供技術保障。

2 管道低碳化管理的外部影響及措施

2.1 加強管道運行管理

輸氣管道的運行管理包括工作計劃管理、人員管理、腐蝕防護管理、完整性檢測評價管理、檢修與維修管理、安全及應急處理等多方面。為實現管道安全平穩運行，根據企業規定制定基本的細則，同時對輸氣管道的巡護，按照各公司輸氣管道巡護管理辦法執行。管道低碳化的管理與運行遵循“統一管理、分級負責、業務主導、協同配合”的原則，充分利用現有的數字化技術、系統化的管理流程以及HSE管理等方法和技術，實現管道管理的高效技術手段，保證生產的低碳安全運行。

對輸氣管道歸口管理部門，需要明確機構職責，貫徹執行行業規范與標準，并對各種規章制度進行完善與修訂，因地制宜地根據地區特性提出相應的管道管理辦法，內部各單位統籌協調，厘清責任，建立完善的考核制度。同時與各大研究院所保持聯系，推進輸氣工藝與自動化控制的研究、管網優化運行與管道規劃研究等，做好跟蹤評價，落實輸氣管網的智能化研究工作。以科研成果為基礎，結合一線生產，共同推動輸氣管網的低碳化運行。

2.2 排除管道外部工程隱患

當出現影響管道正常運行的第三方工程施工時，應當嚴格監管并避免其在輸氣管線中發生破壞事件，第三方應按照《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》規定的“后建服從先建”的原則，遷改或施工過程中造成的影響及損失均由后建方單位承擔。第三方單位在施工前，首先必須提供承接工程相適應的資質及工作計劃安排，施工過程中做好現場警示標志、加密巡檢，確保管道安全運行。

在天然氣管道兩側5 m范圍內的建筑物、輸送介質中硫化氫含量在75 g/m3及以上的高含硫天然氣管道兩側20 m范圍內的建筑物以及輸氣管道兩側50 m范圍內的大型建筑物，均為不安全的建筑物。對該類在管道建成后重新修建的違章建筑，采用改線或拆除兩種模式，第一時間確定施工方人員信息，現場加密設置安全警示標志，對施工作業人員進行管道安全保護的宣傳，以保證輸氣管道的正常使用，避免因施工開挖管道受損導致天然氣泄漏而造成嚴重的環境污染與人員財產的損失。因此，對外部隱患的排查工作，需要切實落實到每一條管段，加強巡查制度，對管道附近的居民及施工人員做好管道安全保護的宣傳工作。

2.3 建設智能化管理系統

智能化輸氣管道管理系統主要由遠程監測和控制系統、智能化傳感器和數據采集系統、智能化控制與決策系統等組成。遠程監測和控制系統是輸氣管道系統的中心控制平臺，負責監測管道運行狀態、管道安全性以及對風險事故的快速響應；智能化傳感器和數據采集系統能實時監測管道數據，包括輸氣管道的溫度、壓力和流量等參數，以便操作和維護人員能夠實時獲取管道當前的狀態；智能化控制與決策系統能對生產運行中的實時數據和歷史數據進行分析和處理，基于大數據分析、模型預測等，提取對管道運行控制相關性較高的參數，為后續的管理和人工調節提供智能化的決策體系。采用智能化管理系統能夠大幅提高管道運行的安全性、穩定性和可靠性。

智能化的輸氣管道管理系統可以提高管道運行的效率和避免天然氣輸送過程中的損耗，智能化傳感器和數據采集能夠收集和分析管道中氣體的成分和質量數據，從而降低輸送過程中其他雜質成分的含量，與節能減排的目標相匹配；通過建立穩定的氣流狀態，可以避免管道運行中的流動不暢和流量波動，降低能源消耗和碳排放。同時，智能化的輸氣管道管理系統在維護管理上，能精準找到需要維護的管段，減少了人力成本與時間成本，能最大程度地提高管道維護過程中的安全性。通過推進智能化的應用，能夠在管道運輸中提高效率、降低排放、提升運行效果，使得管道運輸更加節能環保，在雙碳目標中起到了重要的推動作用。

3 結語

隨著先進技術的不斷涌現，可以通過采用先進的管道防腐技術并定期進行檢測和維護、配置完整的管道檢測系統及時發現管道運行異常情況、制定高后果區管道風險評估方案和應急預案、定期開展管道清管作業保證天然氣的正常輸送，逐步實現輸氣管道智能化、系統化管理。加強管道運行管理、排除管道外部破壞隱患是實現管道低碳化管理的重要措施，結合智能化管道管理系統的建設能夠實現對輸氣管道的智能化運行、管理和監控，從而提高管道運行效率和生產效益，更好地為“雙碳”目標的實現提供支撐。