浅析天然气管道的安全输送措施

郭 浩

（1.佛山市顺德区港华燃气有限公司，广东 佛山 528300；2.华南理工大学，广东 广州 510640）

1 背景

随着工业化进程的加快，环境污染问题不断加重。天然气作为一种高效的清洁能源，可以有效减少环境污染。据统计，中国的天然气储量较大，预计到2020年，中国天然气可采储气量可达6 万亿m3[1]，因此我国不断提高天然气的利用程度。如图1所示，显示了今年来我国的天然气消费量，可以看出，从2010～2017年，我国天然气消费总量不断上升，年平均增长率达到13.21%[2]。根据《中国天然气报告（2019）》的预计，在2050年前，我国将会不断提高天然气的消费量。推进能源改革，增加天然气在能源消费结构中的比例，将带动经济稳定发展。

图1 2010～2017年我国天然气消费量[2]

然而，我国的天然气资源主要分布在西部地区，而能源的主体需求却在东部地区，为了调整能源结构，改善大气环境，我国实施了西气东输的工程，使用天然气管道将天然气从西部运往东部。为了提高运输效率，油气输送管道一般设置了较高压力，存在一定的安全隐患。数据统计显示，欧美国家一年的油气管道安全事故率平均为0.3 次/千km，而国内为4 次/千km[3]。由于天然气具有有毒、易燃、易爆的性质，高压管道中的天然气一旦发生泄露，将会对环境造成严重污染，同时，天然气的爆炸极限较低，事故发生突然，人们来不及作出反应，使得人们的生命安全受到威胁[4]。韦守朋[5]统计了2011～2018年天然气事故数量和死亡人数，如图2所示（其中，柱状图为事故次数，折线图为死亡人数）。可以看出，近年来事故发生次数较多，每年死亡人数一直在200人以上。表1中也列举了近些年来文献报道[5]、[6]、[10]、[17]的一些燃气事故。可以看到，若不严格控制燃气事故的发生，将造成严重的后果。因此，保证天然气管道的安全输送尤为重要。天然气事故的发生遵循“浴盆曲线”，管道运行初期事故多发，此时事故多发的原因主要是管道设计缺陷，施工质量较差。到了运行中期，管道发生事故概率相对较低，此时影响管道运输安全的因素主要有腐蚀，外力损坏等。到了后期，管道老化严重，寿命达到极限，事故多发，需要经常进行维修和检测[7]。

图2 2011～2018年天然气事故次数和死亡人数统计图[5]

表1 国内一些燃气事故及死亡人数[5，6，10，17]

2 输送风险及风险控制

从“浴盆曲线”中可知，天然气管道输送风险有很多，比如第三方破坏、管道设计缺陷、管道腐蚀等。下面具体介绍几种天然气管道输送风险及其控制方法。

2.1 第三方破坏

增加天然气管道的压力有助于提高管道输送的能力。然而，随着管道压力的提升，产生的安全威胁也增大。近些年来，高压管道遭第三方破坏的事故经常发生，马群凯等[8]统计了2005～2014年国内油气管道事故数量，如图3所示。其中，由于第三方施工破坏造成的事故占总事故数量的61%。

图3 2005～2014年油气管道事故数量饼图[7]

周小军列举并分析了2009～2017年十起高压管道第三方破坏事故，高压管道的损坏泄露带来了巨大的影响和损失，其中，2016年恩施市公龙坝村山体滑坡致使天然气管道断裂爆炸，200多人受灾，直接经济损失接近3 000万元。2010年深圳市厦深铁路施工损坏了大鹏天然气高压管道，造成大量天然气泄露，抢修一个多月，费用达3 678万元。高压管道事故对于城市供气稳定带来严重的影响，同时也造成了巨大的经济损失[9]。

为了减少天然气管道被第三方破坏，管道的修建应严格按照设计标准进行，在道路建设等基建工程中应特别注意经过天然气管道时的施工规范。

2.2 设计缺陷

管道的输送安全和天然气管道的设计有很大关系。管材中含有杂质、管道工艺质量差、焊缝有气泡或裂痕、未按规定焊接等均可能导致管道内天然气泄漏[10]。1981～1990年苏联输气管道因管材缺陷造成的事故有100起，由焊接引起的事故有81起[11]。1970～1984年，美国大口径管道事故中，管材失效事故率为48%[12]。因此，为提高天然气管道的设计质量，应采用先进的技术和新型的材料，不断完善现有技术并开发新技术。

2.3 腐蚀

天然气管道多数埋在地下，在管道的外侧，潮湿的土壤导致管道易受腐蚀；在管道的内侧，天然气中含有的硫化氢气体会腐蚀内侧管壁。据统计，从1969～1990年，四川地区的管道因为腐蚀引起的事故占总事故数量的43.22%[13]。因为腐蚀一直都在进行，所以腐蚀对于管道的影响极大，需要对管道做出相应的保护措施。目前，针对腐蚀的保护措施包括添加防腐涂层、进行阴极保护和净化天然气。

2.3.1 防腐涂层

因为管道一般铺设在地下，周围充满着潮湿的土壤，所以土壤会对管道外壁造成腐蚀，在管道的外侧涂上防腐涂层，隔绝了水、氧气与管道外壁的直接接触，可以对管道起到很好的保护作用。现在使用较多的防腐涂层有：常温固化陶瓷涂层、煤焦油磁漆、液体聚氯脂图层和复合涂层等，根据不同的管道和不同的工况选择相应的管道涂层[14]。

2.3.2 阴极保护

除了防腐涂层，还有将天然气管道作为阴极，通过牺牲阳极的阴极保护方式和外加电流的阴极保护方式，两种保护方式的目的均是减缓金属的氧化反应，从而减缓天然气管道的腐蚀速度，提高天然气管道的寿命。

2.3.3 净化天然气

由于天然气中存在硫化氢、二氧化碳等腐蚀性杂质，所以天然气内壁会受到一定程度的腐蚀。使用流化床反应器净化天然气，降低了天然气中杂质含量，削弱了天然气管道内侧管壁的腐蚀速度[15]。

3 风险评估方法

燃气管道事故时常发生，对人民的生命安全造成威胁，对城市生产活动的正常进行造成影响。因此，对城市管网进行风险评估，有助于后期的风险管理。对于天然气管网风险评估的方法，分为定性和定量评估两种。定性评估主要是赋权评分，需要建立燃气管网的风险评估指标体系，评估因素分为：管网脆弱性指标、管外诱因指标和事故后果指标[16]。其中，管网脆弱性指标包括管径、最小埋深、管道压力等；管外诱因指标包括外界干扰、腐蚀、设计缺陷等；事故后果指标包括人口密度、财产分布、介质危险性和环境危险性等[16]。通过灰色关联理论、可靠性工程理论等计算各指标权重，进而计算管网的总体评估分数。定量评估通过可能性分析、后果分析和风险评估三个步骤定量计算城市管网的风险[17]，通过不同的模型对天然气管道进行定量风险评估。

近些年来，国内科研工作者对风险评估方法进行了探索，并取得了一定的研究成果。杜学平等人根据泄漏尺寸将管道的破损分成微孔事故、孔洞事故和断裂事故三类，并将管径与三类事故的事故率进行回归分析。结果表明，三类事故与管径的关系高度显著，管道的泄漏率与管径呈反比[18]。侯经纬等[19]建立了模糊综合层次评价的管网风险评估模型，并以东营市燃气管网验证模型效果，该方法操作性强，实用性强。马玉宝等人结合故障树和多级模糊综合评价方法，对中缅天然气管道3 km典型山地管段进行量化评估，并选取多种因素评价管道失效风险。结果表明，得出失效风险等级与实际管理现状相符合，证明了该方法的有效性[20]。综上所述，根据不同的问题，应选择合适的方法评估管网风险，为风险控制提供依据，从而设法提高天然气管道输送安全性。

4 结语

随着天然气消费量的不断增长，天然气管网变得愈加复杂。导致天然气管道输送泄露的风险有很多，包括第三方破坏、设计缺陷和腐蚀等。因此，需要不断寻求更好的风险控制方法，提高风险评估水平，同时总结国内外先进经验，收集分析管道事故资料，为天然气管道的安全运行提供有力的保障。