油氣集輸管道的腐蝕失效與環境保護

侯 鐸，思玉琥，彭健鋒，李 淼

(1.西南石油大學石油工程學院，四川成都 610500;2.陜西延長石油有限責任公司，陜西延安 710075;3.中國石油化工股份有限公司天燃氣川氣東送管道分公司，湖北武漢 430022;4.中國石油燃氣集團公司川慶鉆探工程有限公司，四川成都 610051)

油氣集輸管道的腐蝕失效與環境保護

侯 鐸1，思玉琥2，彭健鋒3，李 淼4

(1.西南石油大學石油工程學院，四川成都 610500;2.陜西延長石油有限責任公司，陜西延安 710075;3.中國石油化工股份有限公司天燃氣川氣東送管道分公司，湖北武漢 430022;4.中國石油燃氣集團公司川慶鉆探工程有限公司，四川成都 610051)

由于西部油氣資源具有分布廣、油氣井高度分散、生態環境脆弱、自凈能力差等特征，生態環境破壞嚴重。該文通過對西部油氣集輸管道的建設、生產運行、失效過程的細節分析，提出了加強集輸管道建設質量檢驗與控制，從管道建設初期抑制管道失效或損傷;提出在集輸管道生產運行過程中加強巡檢、實時監控從而更加有效及時地避免安全隱患以及油氣泄漏事故的發生;提出通過集輸管道安全事故“環境保護應急預案”的建立和完善，對失效事故所引起的環境污染源進行逐一排除，將失效所引發的環境污染降到最低。總結了集輸管道服役期間沿線環境污染存在于集輸管道建設、生產運行和發生失效等過程中環境保護措施，并對解決西部油氣集輸工程與環境可持續發展提出了可行性建議。

油氣田材料 腐蝕與防護 西部油氣資源 集輸管道 環境保護

西部油氣集輸管道建設過程中管道建設對沿線的土壤、水、植被等自然資源影響嚴重。如穿越水系的管道受到水流的沖刷后可能導致管段的裸露甚至斷裂，這都將引起輸送介質的泄漏。泄漏的油氣揮發擴散、燃燒后又將引發一系列污染問題［1］。特別是油類物質進入土壤、水體后發生物理、化學和生化反應，大量的原油泄漏將影響土壤中微生物生存，破壞土壤結構，使土壤通透性降低，透水量下降［2］。石油低分子烴穿透性比高分子烴強，能夠穿透到植物組織內部，破壞植物正常生理機能，在植物表面形成一層薄膜，阻塞植物氣孔，影響植物的蒸騰和呼吸作用，甚至導致農作物死亡或減產［3］。集輸管道生產運行中不論是管道老化(防腐蝕層破損、管材腐蝕)、自然災害(滑坡、泥石流和地震)、人為破壞(非法打眼、盜油)等原因引起的穿透、破裂以及管道的失效都將對周邊的環境造成惡劣影響。這類污染將改變地表生態，造成環境的嚴重污染，其污染范圍廣、危害程度大，成為西部環境保護中面臨的最緊迫問題。

1 西部油氣集輸管道建設與環境

1.1 對生物和土地資源的影響

西部油氣集輸管道建設過程中管道建設對生物土壤的影響可以分為暫時性影響和長久性影響［4］。施工期開挖、碾壓、踐踏、林地的砍伐、草地和農田的鏟除、野生動物受驚嚇等為暫時性影響;管道運行期間，管道占地及其周圍產生地表溫度、水分異常并對植被、野生動物的繁衍、遷徙和棲息造成影響則為長久性影響［5］。由于黃土地區地表組成松散，沙物質含量較高，在地表結構受到擾動，地表植被遭到破壞后土壤侵蝕、土地沙漠化嚴重，并引起嚴重的水土流失，對土壤養分和土地肥力產生的破壞也屬于長久性影響。管道建設過程中生活、施工以及臨時布設的便道均對土地造成不同程度的壓占和挖損破壞，壓占土地類型以牧草地、耕地為主，因而對土地資源的占用、破壞和污染尤為嚴重。

1.2 對水資源和地質環境及大氣環境的影響

黃土地區地質背景復雜、地形多變、溝壑縱橫，加之黃土抗沖刷能力低、垂直層理發育、層面間成為地表徑流和雨水的下滲通道［6］。因而，管道施工過程中開挖的松散土體以及管道上覆回填土形成軟弱面，或坡角切土形成臨空面使邊坡失穩，易引發滑坡、崩塌、坍塌、泥石流、黃土濕陷和水土流失等地質災害。管道施工期間機具車輛及施工人員的活動使得空氣中的粉塵增加;車輛排放尾氣的污染，油氣管道一旦發生泄露等，都對大氣環境質量具有嚴重的影響。

陜-甘天然氣集輸工程所經過的地區是國內水土流失最為嚴重的地區，又屬粗沙產區。在管道敷設過程中，管道沿線的地表受到破壞、土體的穩定結構發生改變，致使土壤的抗蝕指數降低，土壤侵蝕加劇。同時地表土體遭到破壞后，松散堆積物的徑流系數減小，相應地入滲量增大，土體的凝聚力和內摩擦力減小，使土體的抗蝕性降低［7-8］。并且施工期間的各種活動會使風積地貌區土壤風蝕量增加3倍，敷沙黃土區土壤侵蝕增加1倍左右。施工期及工程結束后若不采取有效保護措施，不僅會引起土地沙漠化的加劇，而且流沙將可能侵襲施工區以外的地區，造成沙漠化土地的擴大和蔓延。

1.3 對林牧業的影響

管道建設對林業的影響主要有施工區一次性毀林影響和工程后期的影響。陜-甘天然氣集輸管道對林業的影響主要表現在對防護林、路邊林的影響［9-10］。對大片次生林和小流域治理區林地的影響在線路設計過程中應予以考慮，盡可能避免穿行于大片次生林和小流域治理植物保護區。

1.4 集輸管道穿越水體對環境的影響

油氣管道建設過程中，不可避免地要穿越河流、溝渠和池塘等地表水體，如果采取的穿越方式不合理、施工環境管理不到位，將對地表水環境造成明顯的影響［11-12］。對濕地發達、生態環境敏感地區施工應提出特殊要求，嚴格執行環境保護措施;水體施工前期制定周密預案、應急監測、強化風險防范意識，加強穿越工程施工應急管理、配備應急污染控制裝置和應急監測設備;制定更加詳細具體、操作性強的防治漏油措施，結合具體環境條件，分析環境風險源，綜合制定合理可行污染減緩措施。

2 西部油氣集輸管道生產運行與環境

2.1 凍土區管道生產運行對環境的影響

多年凍土區油氣管道的運營安全性主要取決于所處凍土環境，西部油氣集輸管道生產運行過程中主要發生凍脹、融沉這兩種現象［13］。由于管道與凍土直接接觸，發生管-土之間的相互作用，凍土融化時會使管道產生向下的撓曲，而融土凍結時又導致局部管道出現上拱現象，從而改變管道的原始形狀產生應力和應變，當超過極限狀態時造成管道的失效。凍脹是在凍結過程中水分在溫度梯度下發生遷移而使土體發生膨脹的現象。融沉是由于凍土中的冰融所引起。如對油溫為80℃的輸油管道，除非采取特殊制冷措施，否則管道在數年內將形成一個6～10 m直徑的圓柱狀融區，20 a后融化深度達到13～17 m，若油溫為30℃，融深會減少30% ～40%。這主要與融化深度、寒冰量和土體顆粒大小等影響因素有關。

多年凍土區管道的運營監控是管道管理的重要一環，建設管道長期監測系統，密切監控多年凍土融化、侵蝕和管道沿途環境變化，及時有效地對管道進行維護大修，將能有效地避免重大事故的發生。

2.2 黃土地區油氣管道對環境的影響

西部濕陷性黃土區，水土流失是威脅管道安全的最大隱患，如何有效地防止水土流失和減少其對管道安全的危害，是管道運行生產過程中需要解決的重大問題。濕陷性黃土土質是以粗粉粒為主題骨架的多空隙結構，粗粉粒間的膠結性連接主要由大量的可溶鹽構成，受到浸濕后，鹽類溶于水中，骨粒間黏接強度降低，土體在附加力與自重壓力的共同作用下，骨架結構被迅速破壞，黃土的空隙比越大，破壞性越嚴重，濕陷越強烈。土壤侵蝕方式主要有水流沖刷所造成的溝蝕和重力侵蝕，溝蝕主要方式有溝底下切、溝岸擴展和溝頭前進;重力侵蝕主要方式有滑坡、滑塌和崩塌，這些現象對管道來說都是最具威脅力的破壞方式。

根據具體的地形地貌，管溝開挖后地形地貌的變化和不確定性，因地制宜采取治理措施和合理施工方法，恢復管道敷設地區的地貌和植被以保護水土，減少管道建設時對環境的改變和影響［14-15］。濕陷性黃土地段的管溝開挖應與管道組裝、下溝及回填等工序協調一致，盡量縮短管溝成型后的暴漏時間。黃土的立壁性強，管溝開挖邊坡坡度值可較小，以減少對原始地貌的破壞范圍。黃土地區管道沿線施工后的地貌恢復應首先滿足土地復耕要求，對管溝回填后多余的土壤嚴禁集中棄置，需均勻分散在管中心兩側，并使管溝與周圍自然地形成平滑過渡，不得形成匯水環境，同時對造成破壞的植備要植樹種草進行恢復。

3 西部油氣集輸管道失效方式與環境

造成管道失效的因素較多，主要有材料缺陷、機械損傷、各種腐蝕損傷包括應力腐蝕和氫脆、焊縫裂紋或缺陷、外力破壞、施工缺陷以及特殊原因等［16］。管道的斷裂失效通常是由于各種因素，如原始缺陷、應力腐蝕和疲勞等造成裂紋、缺陷或裂紋的擴展最終導致管道局部泄漏，當裂紋擴展到一定尺寸時則發生失穩以致發生斷裂失效。

歐洲石油公司環境、健康、安全組織對管道失效事故原因進行了統計，結果見表1。通過數據分析發現，油氣管道失效的主要原因是外力損傷、腐蝕和管材缺陷。其中外力損傷包括各種機械損傷和第三方影響;腐蝕包括內外局部腐蝕和應力腐蝕;管材缺陷包括制造焊縫缺陷、施工對接焊縫缺陷等等。歐洲石油管道失效事故以外力損傷和腐蝕為主，管材缺陷是次要因素。國內油氣輸送管道失效事故多數為災難性事故，油氣集輸管道失效原因主要以外部腐蝕和內部H2S應力腐蝕為主，與輸送管材設計不合理、制造質量和施工質量、輸送腐蝕介質超標等因素有關。因而，必須針對油氣集輸管道進行材料檢測與分析，通過對集輸管道綜合性能以及抗腐蝕性能、疲勞壽命的研究綜合提升集輸管道的使用性能及其壽命。保障集輸管道運行的穩定性，杜絕管道失效、油氣泄漏等現象，從根源上遏制集輸管道對環境的污染，對集輸管道沿線環境保護起到重要作用。

表1 歐洲石油公司管道事故分析Table 1 Oil pipeline accident analysis

4 西部油氣集輸沿線環境治理

黃土高原地區，發展植被建設具有諸多有利條件:(1)水土流失和荒漠化土地面積廣大，有廣闊宜林宜草的土地資源，其中需要植被建設措施加以治理的地域較廣;(2)黃土高原地區降雨量少是植被恢復的主要限制因素，但黃土高原地區有天然的黃河作為水源，通過合理的引流規劃設計必然可以解決這一問題［17］;(3)有較豐富的木本植物可供選擇;(4)擁有多項加快植被建設的新技術、新成果，如立地條件劃分與適地適樹、沙棘栽培技術、飛播造林種草技術、徑流林業技術及多種經濟植被栽培技術等。

在管道建設、生產運行中堅持“在保護中利用，在利用中保護”的原則，把植樹種草、恢復植被、治理水土流失、建立良好的生態環境、保持土地資源的永續利用作為生態環境建設的總目標，并采取切實可行的措施進行綜合治理。

5 結論

綜上所述，西部油氣集輸管道沿線環境污染存在于集輸管道建設、生產運行以及發生失效等過程中，因而集輸管道沿線的環境保護應深入到集輸管道建設、生產運行和失效等各個環節。現將集輸管道沿線環境預防措施歸納為以下幾點:

(1)集輸管道鋪設過程中，加強對管材及其焊接質量的檢驗，從管道建設初期抑制管道失效或損傷造成環境污染;

(2)集輸管道生產運行過程中，按規定進行維護、保養，加強巡線、加強對集輸管道的監控、加強監管力度、加強管道維護制度的制定、完善與執行力;

(3)集輸管道發生失效后，保證有可行性強的“環境保護應急預案”可以采用，通過切實可行的方案綜合對污染源進行逐一排除，并將失效所引發的環境污染降到最小;

(4)充分利用數字管道技術，通過全方位的收集管道沿線及周邊信息對管道進行實時監控以及周期性監測檢驗，全面提高集輸管道環境保護管理的針對性和有效性;

(5)治理工程的可持續性。在農牧交錯氣候環境下，治理工作必須常抓不懈才能得到良好功效，治理區的監測和線性工程新建、維護期間的生態環境建設工作都必不可少。隨著科學技術的發展，通過利用高新技術，如生物技術創造適合管道建設區域植被;通過利用分子生物學與生物技術培養植物組織再生系統，研制抗寒性、抗逆性植被或農作物，使得西部油氣資源的發展與環境的可持續發展形成和諧并存的發展模式。

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Corrosion Failure of Oil＆Gas Pipelines and Environmental Protection

Hou Duo1，Si Yuhu2，Peng Jianfeng3，Li Miao4
(1.College of Petroleum Engineering of Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500;2.Shaanxi Yanchang Petroleum Co.，Ltd.，Yan＇an，Shaanxi 710075;3.SINOPEC Sichuan Natural Gas East Transportation Company，Wuhan，Hubei 430022;4.(PetroChina Chuanqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，Chengdu，Sichuan 610051)

The eco－environment of western oil field is severely damaged because of wide distribution，high dispersion，fragile ecological environment and poor self－purification.After detailed analysis of construction，operation and failure of oil＆ gas gathering pipelines in the western area of China，it is recommended to strengthen the quality inspection and quality control in the construction of oil＆gas gathering pipelines so as to strictly control the pipeline failure and damages in the early stage of pipeline construction.In the operation of pipelines，the inspection and real－time monitoring can effectively eliminate the potential safety hazard and occurrence of oil＆ gas leaking accidents.It is also proposed to establish a compete"Emergency Response for Environmental Protection"for pipeline operation to eliminate environmental pollution by failure accidents or minimize the environmental pollution when failure accidents occur.The environmental protection measures in the construction and operation and failure accidents in the operation of gathering pipeline are summarized and feasible recommendations are proposed for the sustainable development of oil＆ gas gathering pipelines in the western area of China and environmental protection.

materials for oil＆ gas field，corrosion ＆ protection，oil＆ gas resources in west area，gathering pipeline，environmental protection

TE832

A

1007－015X(2012)01－0023－04

2011－10－ 18;修改稿收到日期:2011－11－28。

侯鐸(1984－)，在讀博士，從事石油鉆采設備安全性評價及油氣田材料腐蝕與防護研究工作。E-mail:dragon-duo@hotmail.com。

國家自然科學基金(51174171)

(編輯 寇岱清)