天然气管道泄漏事故的原因分析与防范措施探讨

杜超 胡庆勇

（中海油安全技术服务有限公司，天津 300457）

0 引言

天然气是一清洁、高效、低碳的能源，广泛运用于工业、民用、交通等领域。伴随天然气需求的增长，相应的天然气管道也在不断延伸和扩建，成为主要的天然气运输与分配方式。然而实践中，天然气管道往往存在着有一些安全隐患，如腐蚀、磨损、变形、开裂等，可能导致泄漏事故的发生。相关事故一旦发生，势必会造成严重的安全及环境问题，不仅会危及人员与财产，还可能会引发大气污染及温室效应。

对此，为防范及减少天然气管道泄漏事故的发生，相关责任单位应深入分析其原因，并采取防范措施，确保安全。

1 天然气管道泄漏事故的主要原因

影响天然气管道泄漏事故的因素可大致分为内部与外部两类。其中，内部因素主要是指与管道本身的材料、结构、压力、温度等相关的各类因素；外部因素则是指与管道周围地质条件、环境因素、人为干扰等相关的各类因素。基于不同因素，天然气管道泄漏事故可分为以下4 类。

1.1 腐蚀泄漏

腐蚀泄漏是指由于管道材料与介质或环境的化学或电化学反应，导致管道壁厚度减小，强度降低，最终形成孔洞或裂纹而引发的泄漏。腐蚀泄漏可分为内腐蚀和外腐蚀两种：

1）内腐蚀是指由于管道内部的天然气或凝析水等介质对管道材料的侵蚀，导致管道壁厚度不均匀或局部破坏而发生的泄漏。

2）外腐蚀是指由于管道外部的土壤、水、空气等环境对管道材料的侵蚀，导致管道表面或接头处出现锈斑或穿孔而发生的泄漏。

通常来说，腐蚀泄漏常缓慢发展，但在某些条件下可能突然加剧，造成严重后果。

1.2 磨损泄漏

磨损泄漏是指由于管道与其他物体之间的相对运动，导致管道表面或接头处出现磨损或划伤而发生的泄漏。磨损泄漏可分为内磨损和外磨损两种：

1）内磨损是指由于管道内部的天然气或凝析水等介质中含有固体颗粒或液滴等杂质，对管道材料产生冲刷或磨擦，导致管道壁厚度减小或局部破坏而发生的泄漏。

2）外磨损指由于管道外部的土壤、岩石、工具等物体对管道材料产生摩擦或撞击，导致管道表面或接头处出现划伤或凹陷而发生的泄漏。

磨损泄漏通常会随时间和运动频率增加而逐渐发展，但在某些条件下可能突然恶化，造成严重后果。

1.3 变形泄漏

变形泄漏是指由于管道受到过大的应力或应变，导致管道出现弯曲、扭曲、屈曲、扩张等变形而发生的泄漏。变形泄漏可分为静态变形和动态变形两种：

1）静态变形是指由于管道受到恒定或周期性的载荷，如自重、土压力、温度应力等，导致管道出现持久性或循环性的变形而发生的泄漏。

2）动态变形是指由于管道受到突然或随机的载荷，如地震、滑坡、冲击等，导致管道出现暂态或难以预测的变形而发生的泄漏。

变形泄漏通常在超过管道材料的弹性极限或发生塑性变形（断裂）时发生，可能导致管道的泄漏率或泄漏量急剧增加。

1.4 开裂泄漏

开裂泄漏是指由于管道材料中存在或产生了裂纹，导致管道出现渗漏或断裂而发生的泄漏。开裂泄漏可分为初始开裂和扩展开裂两种：

1）初始开裂指由于管道材料中存在的缺陷，如夹杂、气孔、夹层等，或者由于管道材料受到的腐蚀、疲劳、蠕变等作用，导致管道材料中产生了初始裂纹而发生的泄漏。

2）扩展开裂指由于管道材料中已有的裂纹受到应力集中、应力腐蚀、氢致开裂等作用，导致裂纹扩展而发生的泄漏。

开裂泄漏通常在达到管道材料的断裂韧度或临界应力强度因子时发生，可能导致管道的瞬时破坏或灾难性事故。

2 天然气管道泄漏事故的检测与定位技术

检测与定位是预防、应对天然气管道泄漏事故的重要环节，目的在于及时发现和确定泄漏的位置与程度，为事故的控制与处理提供依据。

目前，应用于天然气管道泄漏事故检测与定位的主要技术有声学技术、光纤技术、气体传感器技术等。

2.1 声学技术

声学技术是利用声波在介质中传播的特性，用以检测和定位天然气管道泄漏事故的技术[1]。声学技术可分为主动声学技术和被动声学技术。主动声学技术，主要是通过向管道内注入人工声源，如超声波、冲击波等，然后通过接收器接收反射或透射的声信号，来判断是否存在泄漏及其位置与程度。被动声学技术，则主要通过接收器接收管道内自然产生的声信号，如涡流噪声、湍流噪声等，来判断是否存在泄漏及其位置与程度。

声学技术具有灵敏度高、响应速度快、成本相对低廉等优点，适用于各种直径和压力的天然气管道，但也存在受环境噪声干扰、难以区分不同类型和大小的泄漏、对管道壁厚度和材料敏感等缺点，实践中，使用者需采取一些措施提高信噪比和准确性。

2.2 光纤技术

光纤技术是利用光纤在光源激励下产生的光学特性，来检测和定位天然气管道泄漏事故的一种技术。光纤技术可分为光纤光学时域反射技术（OTDR）、光纤布里渊散射技术（BOTDR）和光纤拉曼散射技术（ROTR）等。光纤技术的原理是将光纤作为传感器，沿着管道埋设或固定，然后通过激光器向光纤内注入光脉冲，通过接收器接收光纤内产生的反射或散射的光信号，根据光信号的强度、波长、相位等变化，来判断是否存在泄漏及其位置与程度。

光纤技术具有分辨率高、覆盖范围广、抗电磁干扰等优点，适用于长距离和复杂环境的天然气管道，但也存在受温度、湿度、应力等因素影响、需专业设备与人员、成本相对较高等缺点，实践中，使用者需采取一些措施提高稳定性与可靠性。

2.3 气体传感器技术

气体传感器技术是利用气体传感器对天然气成分进行检测，来检测和定位天然气管道泄漏事故的一种技术。气体传感器技术可分为电化学传感器、半导体传感器、催化燃烧传感器等[2]。气体传感器技术的原理是将气体传感器作为探测器，沿着管道或在管道附近布置，然后通过电路或无线信号将传感器的输出信号传输到中央处理单元，根据信号的变化，来判断是否存在泄漏及其位置与程度。

气体传感器技术具有灵敏度高、选择性好、易于集成等优点，适用于各种环境条件的天然气管道，但也存在受其他气体干扰、易受污染或老化、需定期校准等缺点，实践中，使用者需采取一些措施提高准确性与寿命。

3 天然气管道泄漏事故的防范措施

对于各责任单位而言，应从源头控制、过程监控、应急处置等方面减少或避免天然气管道泄漏事故的发生。

3.1 源头控制

源头控制是指从设计、施工、运行和维护等方面，各责任单位都应加强管道的质量管理，以提高管道的安全性能，防止或减少相关风险因素导致泄漏事故的发生。具体措施主要包括如下4 方面：

1）设计阶段：相应责任单位应选择合适的管道材料、结构、规格等，并考虑管道的工况、载荷、环境等因素，进行合理的强度、稳定性、可靠性、耐久性等分析和计算，制定合理的设计方案和标准。

2）施工阶段：相应责任单位应遵循设计方案和标准，采用先进的施工工艺和设备，控制施工质量，防止或减少管道的损伤或缺陷，进行严格的检测和试验，确保管道的完整性和可靠性。

3）运行阶段：相应责任单位应根据管道的工况、载荷、环境等因素，制定合理的运行参数和规程，控制管道的压力、温度、流量等，防止或减少管道的过载或失稳，进行定期的检查和调整，确保管道的正常运行。

4）维护阶段：相应责任单位应根据管道的使用寿命、损耗程度、检测结果等因素，制定合理的维护计划和方法，进行定期的清洗、润滑、更换、修复等，防止或减少管道的腐蚀、磨损、变形、开裂等，进而提高管道的使用效率和寿命。

3.2 过程监控

过程监控的主要内容是利用各种检测与定位技术，对管道的状态和泄漏情况进行实时或定期的监测和分析，及时发现和报警泄漏事故，并为事故的控制和处理提供数据支持。具体措施主要包括如下3 方面：

1）建立完善的监测预警系统：对于运营单位来说，应根据管道的特点和条件，选择合适的检测与定位技术，如声学技术、光纤技术、气体传感器技术等，沿着管道或在管道附近布置传感器或探测器，将信号通过电路或无线方式传输到中央处理单元，进行数据处理和分析，根据预设的阈值或模型，判断是否存在泄漏及其位置与程度，并及时发出报警信号。

2）建立完善的数据管理系统：运营单位应将监测预警系统产生的数据进行存储、整理、归类、统计等操作，形成数据库或档案，供相关人员查询、分析、评估等，进而为事故的预防和改进提供数据依据。

3）建立完善的信息交流系统：运营单位应通过将监测预警系统产生的信息进行传递、共享、反馈等，形成信息网络或平台，供相关人员沟通、协调、决策，为事故的应对和处置提供信息支持。

3.3 应急处置

应急处置主要是指在发生天然气管道泄漏事故后，采取有效的措施，控制事故的扩散和影响，保护人员和财产安全，恢复管道正常运行。具体措施主要包括如下4 方面：

1）制定合理的应急预案：运营单位应根据管道的特点和条件，分析可能发生的泄漏事故类型、原因、后果等，制定针对不同情况下的应急响应程序、组织结构、职责分工、资源配置等内容，并进行演练和评估，确保应急预案可行性和有效性。

2）实施有效的应急控制：在接到泄漏报警信号后，运营单位应立即启动应急预案，按照应急响应程序，迅速组织人员、设备、物资等资源，到达事故现场，采取有效的措施，如关闭阀门、切断电源、隔离泄漏区域、扑灭火焰、稀释或吸收泄漏气体等，控制事故的扩散和影响，降低事故的危害程度。

3）实施有效的应急救援：在实施应急控制的同时，运营单位应按照应急组织结构，协调相关部门和机构，采取有效的措施，如疏散和转移受影响人员、提供医疗和心理援助、保护和恢复重要设施、处理和清理泄漏物质等，救援受伤人员和财产，减少事故的损失和影响。

4）实施有效的应急恢复：在实施应急救援的同时，运营单位应按照应急职责分工，采取有效的措施，如检查和评估管道的损坏程度、修复或更换损坏部件、进行安全检测和试验等，恢复管道的完整性和可靠性，重新开启管道运行。

4 小结

为了确保天然气管道系统的安全运行，相关责任单位应深入了解泄漏事故的原因，并采取适当的措施进行防范。例如：应在管道的设计、施工、运行和维护阶段，加强管道质量管理，选择合适的材料和结构，严格控制施工质量，定期进行检查和维护，确保管道的完整性和可靠性；应建立完善的监测预警系统，采用声学技术、光纤技术和气体传感器技术等先进的检测与定位技术，及时发现和报警泄漏事故，为事故的控制与处理提供数据支持；一旦发生泄漏事故，应立即启动应急预案，迅速组织应急控制和救援措施，控制事故的扩散和影响，保护人员和财产安全。