天然氣管道失效的原因及防范

趙延平

(國家管網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，天然氣資源在環保、價格以及產量等方面都具有一定的優勢，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，隨著社會經濟和科學技術的快速發展，天然氣管道的鋪設規模也在逐年增加，已經在全國范圍內形成巨大的管道網絡。然而，天然氣管道在運行過程中，由于受到多種因素的影響，經常會出現管道失效問題，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，在出現管體斷裂問題后，將會出現介質泄漏現象，此時出現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相變現象，最終導致管道出現過量變形問題。在材料性能退化方面，其主要是由于損傷脆化、氫致損傷、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現，管道失效影響因素可以分為22種類型。除了未知因素以外，可以從時間狀態的角度出發，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等因素引發管道泄漏或破裂等問題，此時出現火災爆炸事故的概率相對較大。中海油聯合中國石油大學對近年來我國的管道風險事故進行了統計分析發現，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%，這一數據指標遠高于歐美國家，在將自然環境引發的管道數據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進行，我國鉆孔盜氣的案件數量明顯降低，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，且管道管理企業沒有相關的工作人員進行現場監督，因此，其出現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，此時受到土壤環境的影響，管道出現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等因素的影響，管道可能會出現應力腐蝕失效問題[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的安全風險問題相對較多，我國在管道建設方面的發展速度相對較快，對于大多數管道而言，其服役時間相對較短，因此，腐蝕失效問題引發的安全事故數量相對較少。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的缺陷問題，在管道施工過程中，如果出現安裝缺陷問題，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性的操作知識，在操作過程中出現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都已經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，管道出現安全風險問題的概率相對較高。為了防止出現嚴重的安全風險問題，大多數管道管理企業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驗，或者專業知識不足，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、環境資料進行充分的收集，對設計方案進行合理的優化，例如：需要根據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，如果管道需要經過地質災害易發區域，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，并對現場工作人員進行完善的監督，焊接作業屬于管道施工作業的重要環節，其出現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流程，同時，需要聘請專業且具有充足焊接經驗的工作人員開展作業，在焊接作業結束以后，需要對焊接質量進行完善的檢查。在開展管道補口作業的過程中，首先需要對補口材料進行合理的選擇，補口作業需要完全按照相關的流程進行，以此提高補口作業的質量。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，以此防止出現嚴重的第三方破壞問題。對于地質災害易發區域而言，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，以便清理出管道內的腐蝕性物質，對于管道的通信系統以及自控系統而言，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，如果發現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。如果發現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，需要聘請專業化的人員開展日常巡檢作業，對第三方施工問題進行制止，在管道管理企業監督人員到場監督的前提下，施工單位才能進行第三方施工，管道管理企業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量以及總里程數必然會持續提升，對于管道管理企業而言，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，可以及時發現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，使得整個管道系統保持完整的狀態。通過對歐美國家進行調研和分析發現，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《管道完整性管理規范》，這屬于我國管道完整性管理領域的首部標準規范，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，發現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濟的一種運輸類型，但是受到管道內外部因素的聯合影響，其出現失效風險的概率相對較高，影響失效的因素也相對較多，一旦出現管道失效問題，必然會造成極大的經濟損失和社會影響。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，采取多種類型的有效措施，以此提高管道運行的安全性。