天然气管道失效的原因及防范

赵延平

(国家管网集团川气东送天然气管道有限公司，湖北 武汉 430074)

0 引言

我国社会对于能源的需求量相对较高，在所有的能源中，天然气资源在环保、价格以及产量等方面都具有一定的优势，但是我国的能源分布与需求之间存在严重的矛盾问题，需要对天然气资源进行长距离的输送，目前，管道输送天然气是最受欢迎的方式。近年来，随着社会经济和科学技术的快速发展，天然气管道的铺设规模也在逐年增加，已经在全国范围内形成巨大的管道网络。然而，天然气管道在运行过程中，由于受到多种因素的影响，经常会出现管道失效问题，严重影响了天然气管道的安全运行。随着我国管道安全法的颁布，国家对于管道安全的重视程度也在逐渐提升，如何进一步提升管道的运行安全成为一项重要问题。文章重点分析了天然气管道失效的原因，在此基础上，提出了管道运行风险防范措施，为进一步提高管道的运行安全奠定基础。

1 天然气管道失效分析

1.1 失效模式分析

管道的失效模式主要可以分为六种类型，分别是管体断裂、接口泄漏、管体爆炸、管道过量变形、管道材料性能退化以及管道损伤。在管体断裂方面，其主要是由于第三方破坏、应力腐蚀、韧性断裂、疲劳断裂以及腐蚀疲劳等因素所引起，在出现管体断裂问题后，将会出现介质泄漏现象，此时出现爆炸事故的概率相对较大[2]。对于接口泄漏而言，其主要是由于密封失效以及腐蚀穿孔等因素所引起，天然气管道在施工过程中，如果有焊接缺陷问题存在，则出现接口泄漏的概率也相对较大。对于管体爆炸而言，其主要可以分为化学爆炸和物理爆炸两种类型，由于异常化学反应导致管道内的压力提升，在超过管道自身强度的前提下，将会引发化学爆炸问题，由于物理原因导致管道内的压力提升，在超过管道自身强度的前提下，管道将会出现物理爆炸问题。在过量变形方面，在管道过热运行或者过载运行的前提下，管道将会出现扭曲问题，或者管道受到自身材料的影响，在使用的过程中可能会出现相变现象，最终导致管道出现过量变形问题。在材料性能退化方面，其主要是由于损伤脆化、氢致损伤、金相组织变化等因素所引起。在管道损伤方面，其主要是由于电化学腐蚀、高温氧化腐蚀、第三方破坏以及冲蚀等因素所引起。

1.2 失效原因分析

引发天然气管道失效问题的因素相对较多，影响因素主要可以分为两种类型，分别是自身因素和外界因素。其中，由于建设质量不达标、管道自身存在缺陷以及管道存在密封问题所引发的失效问题属于自身因素，由于腐蚀、第三方破坏、自然风险引发的管道失效问题属于外界因素。为了对管道运行过程中的安全风险影响因素进行全面识别，国际管道研究委员会收集了大量的管道安全风险事故资料，通过对管道事故进行调查和分析发现，管道失效影响因素可以分为22种类型。除了未知因素以外，可以从时间状态的角度出发，将21种类型的影响因素划分为9个类别。与时间相关的因素包括外部腐蚀因素、内部腐蚀因素以及应力腐蚀因素等，与时间无关的因素包括第三方破坏因素、操作失误因素、天气因素等，静态因素包括制造缺陷因素、焊接缺陷因素以及设备因素等。对于第三方破坏因素而言，其可以分为第三方施工破坏、管道存在损伤以及人为故意破坏等；对于天气因素而言，其可以分为寒冷天气、雷电天气、暴雨天气以及地壳运行；对于制造缺陷因素而言，其可以分为有缺陷的焊缝、有缺陷的管道；对于焊接缺陷因素而言，其可以分为管道弯曲或皱起、螺纹滑丝等；对于设备因素而言，其可以分为密封圈失效、垫圈失效、控制装置故障等[2]。

在管道运行过程中，其本体非常容易因腐蚀、操作不当或者管理不当等因素引发管道泄漏或破裂等问题，此时出现火灾爆炸事故的概率相对较大。中海油联合中国石油大学对近年来我国的管道风险事故进行了统计分析发现，第三方破坏、材料腐蚀、安装缺陷、管理不当以及材料老化是影响我国天然气管道运行安全的重要因素。在第三方破坏方面，其主要包括由于人为因素和自然因素所引起的管道破坏问题。我国管道面临的第三方破坏问题相对较为严重，人为破坏因素在所有管道失效影响因素中的占比达到了66%，这一数据指标远高于欧美国家，在将自然环境引发的管道数据列入到第三方破坏影响因素以后，第三方破坏因素在所有管道失效影响因素中的占比达到了76%。所谓的人为破坏主要指的是施工破坏以及钻孔盗气，随着我国管道保护工作以及管道安全宣传工作的持续进行，我国钻孔盗气的案件数量明显降低，但是在开展第三方施工的过程中，由于施工人员对于地下管道并不了解，且管道管理企业没有相关的工作人员进行现场监督，因此，其出现管道损伤问题的概率也相对较高。在腐蚀失效方面，其主要可以分为外腐蚀失效、内腐蚀失效以及应力腐蚀失效等三种类型。尽管我国大多数管道采取了外防腐层和阴极保护的措施，但是受到管道运行时间的增加，阴极保护措施可能会逐渐失效，外防腐层可能会逐渐老化，此时受到土壤环境的影响，管道出现外腐蚀失效问题的概率必然会提升，受到管道内介质腐蚀性的影响，其出现内腐蚀失效的概率也相对较高，受到施工不当或者安装不当等因素的影响，管道可能会出现应力腐蚀失效问题[3]。

对于国外的众多管道而言，由于其服役时间相对较长，因此，由于腐蚀失效问题引发的安全风险问题相对较多，我国在管道建设方面的发展速度相对较快，对于大多数管道而言，其服役时间相对较短，因此，腐蚀失效问题引发的安全事故数量相对较少。但是随着时间的推移，我国的部分管道将会逐渐老化，此时出现失效问题的概率将会提升。部分管道本体存在初始缺陷问题，初始缺陷也是引发管道失效的重要原因。所谓的初始缺陷主要包括在管道制造、运输以及施工的过程中引发的缺陷问题，在管道施工过程中，如果出现安装缺陷问题，此时管道的整体强度将会严重降低，进而影响天然气管道的安全性和可靠性。在管道运行管理中，有些操作人员并不具备专业性的操作知识，在操作过程中出现失误问题的概率相对较高，在开展管道管理过程中，尽管管道运营管理企业都已经制定了完善的管理制度，但是部分管理制度并没有得到全面的落实，或者管道管理程度存在问题，管道出现安全风险问题的概率相对较高。为了防止出现严重的安全风险问题，大多数管道管理企业都将会安排相关人员定期对管道进行巡检，但是如果巡检人员缺乏工作经验，或者专业知识不足，这也将影响天然气管道的运行安全。

2 天然气管道安全风险防范措施

2.1 强化安全预防工作

安全预防工作所需要采取的措施主要包括提高管道设计质量、强化施工管理工作、强化运行维护工作以及强化管道保护力度等四个方面。在管道设计方面，设计过程中需要对管道沿线的实际情况进行充分调研和分析，对管道沿线的地质资料、气象资料、环境资料进行充分的收集，对设计方案进行合理的优化，例如：需要根据管道沿线的线路情况、管道内介质的成分以及管道的输送压力，对管道材质进行合理的选择，如果管道需要经过地质灾害易发区域，则需要对管道施加针对性的保护措施。在进行截断阀选择的过程中，需要尽可能提高截断阀的有效性，以便在出现安全问题以后可以及时对管道进行关闭。如果下游用户存在调峰需求，则需要对储气设施进行合理的设计，在确定最终方案的过程中，需要对设计方案进行反复论证，以此提高设计方案的可靠性。在强化施工管理方面，需要对施工管理制度进行完善，并对现场工作人员进行完善的监督，焊接作业属于管道施工作业的重要环节，其出现安全风险问题的概率也相对较高。因此，需要制定严格的焊接作业流程，同时，需要聘请专业且具有充足焊接经验的工作人员开展作业，在焊接作业结束以后，需要对焊接质量进行完善的检查。在开展管道补口作业的过程中，首先需要对补口材料进行合理的选择，补口作业需要完全按照相关的流程进行，以此提高补口作业的质量。在管道下管沟的过程中，需要对管沟中的杂物或石块进行全面的清理，防止其对管道的外防腐层产生破坏问题，在管道上方位置处需要合理布置警示标志，并在警示标志上书写管道安全保护领域的相关法律及要求，以此防止出现严重的第三方破坏问题。对于地质灾害易发区域而言，需要充分做好水工保护工作。在强化运行维护方面，需要及时开展清管作业，以便清理出管道内的腐蚀性物质，对于管道的通信系统以及自控系统而言，其需要做好日常的管理及维护工作，定期对管道开展内外检测作业，如果发现管道存在严重的内腐蚀问题，则需要对内腐蚀严重的管段进行更换。如果发现管道存在外防腐层破损问题，则需要及时对外防腐层进行修复。在加大保护力度方面，需要聘请专业化的人员开展日常巡检作业，对第三方施工问题进行制止，在管道管理企业监督人员到场监督的前提下，施工单位才能进行第三方施工，管道管理企业需要对多种类型的媒体平台进行充分利用，强化管道安全宣传工作。

2.2 强化完整性管理工作

近年来，我国管道的建设速度相对较快，未来我国天然气管道的数量以及总里程数必然会持续提升，对于管道管理企业而言，如何提高天然气管道运行安全是目前亟需解决的关键问题。完整性管理属于一项相对较为先进的管理方法，通过开展完整性管理工作，可以及时发现管道运行过程中存在的安全隐患，从而采取有效的措施消除安全隐患问题，使得整个管道系统保持完整的状态。通过对欧美国家进行调研和分析发现，其在上世纪后期开展了管道完整性管理工作，管道失效的概率大幅降低。通过EGIG的统计结果显示，欧洲在实施管道完整性管理工作后，其管道的失效概率从0.347次/(1000 km·a)降低到了0.167次/(1000 km·a)。目前，我国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年首次编制完成《管道完整性管理规范》，这属于我国管道完整性管理领域的首部标准规范，同时，成立了管道完整性管理中心，其职能主要是编制完整性管理领域的相关方案，并对落实情况进行合理的监督。该公司于2010年首次对所有管道进行了全面检测和风险评价，发现了众多安全风险问题，并采取了有效的整改措施，大幅提升了管道运行的安全性。在开展完整性管理的过程中，首先需要引入管道安全评价方法，定期对管道的运行情况进行合理的评价。常见的安全评价方法相对较多，主要可以分为定性评价、定量评价以及半定量评价方法三种类型，其中，定量评价方法的先进性相对较强，但是使用流程相对较为复杂，在开展风险评价的过程中，管道管理企业需要对评价方法进行合理的选择及应用，以此提高评价结果的准确度，为管道整改工作的开展奠定基础。

3 结语

综上所述，管道输送属于天然气运输过程中相对较为安全且经济的一种运输类型，但是受到管道内外部因素的联合影响，其出现失效风险的概率相对较高，影响失效的因素也相对较多，一旦出现管道失效问题，必然会造成极大的经济损失和社会影响。因此，强化安全风险防范工作十分关键，需要从强化安全预防以及强化完整性管理两个角度出发，采取多种类型的有效措施，以此提高管道运行的安全性。