天然氣管道安全運行危害因素及防范措施

摘 要

摘要：分析了天然氣管道安全運行的危害因素，從設計和施工方面提出了防范措施。關鍵詞：天然氣管道；危害因素；防范措施Risk Factors and Prevention Measures for Safety Operation
摘要：分析了天然氣管道安全運行的危害因素，從設計和施工方面提出了防范措施。
關鍵詞：天然氣管道；危害因素；防范措施
Risk Factors and Prevention Measures for Safety Operation of Natural Gas Pipeline
ZHAO Zhicheng，ZHAO Yuluo，REN Hongqi
Abstract：The risk factors for safety operation of natural gas pipeline are analyzed，and some prevention measures are put forward in terms of design and construction.
Key words：natural gas pipeline；risk factor；prevention measure
1 概述
   近年來國內天然氣產業大力發展，城鎮氣化率快速提高，不僅大中城市天然氣已經普及，經濟較為發達的縣城、鄉鎮也已經敷設了大量的天然氣管道，這些埋設在地下的天然氣管道經常受到人為及其他原因的損壞[1～2]。例如，2006年，湖北省黃岡市穿越長江的天然氣管道發生破裂，導致城區約1×104戶家庭用氣受到影響。2010年4月，武漢市三環線漢口姑嫂樹立交橋處，某勘測單位鉆探施工時，不慎將Φ711的天然氣高壓8管道鉆破，導致沿線逾60×104戶居民、工商用戶用氣受到影響。
   根據國內較早使用天然氣的四川地區的統計數據以及國外的研究成果，危害天然氣管道安全、引起管道事故的因素很多，主要包括天然氣自身的易燃易爆性、管道的腐蝕[3]、設計與施工缺陷[4～5]、二次建設工程的破壞或第三方破壞、自然災害、材料及設備缺陷、錯誤操作等。上述危害因素可分為內因和外因，天然氣的易燃易爆性是天然氣管道發生事故的內因，但它是不可以改變的。其他因素則是天然氣事故發生的外因，可以采取措施進行預防，將事故發生的概率降低到最小。按照造成事故的主體可分為自然災害和人為災害，如地震、滑坡等屬于自然災害，而管道的腐蝕、設計與施工缺陷、第三方破壞、材料及設備缺陷、錯誤操作等則屬于人為災害。隨著國內天然氣管道的逐年發展，很有必要分析管道的危害因素并采取相應的保護措施。本文從設計和施工的角度，對幾種常見的危害因素及相應的措施進行分析。
2 設計因素及防范措施
2.1 管道選線不合理
    管道的選線是設計中的先導性、基礎性工作，不僅決定著工程造價，而且決定著管道的運行安全。如果設計中不注意管道所經地區的地質條件、地震情況、水文資料以及所經區域的發展規劃，就可能使管道敷設在不穩定地層、地下采空區、泥石流滑坡地區、未來城市中心區等，均會導致管道運行時由于自然災害和人為因素而發生管道事故。管道選線的基本指導原則應是保持管道敷設土層穩定可靠、減少人類活動對管道的影響這一安全第一原則。選線時應通過基礎資料(如地質勘探資料、水文資料、未來規劃等)，選定管道的平面位置，有必要時，還需要進行選線勘查(可行性研究階段勘查)，探明地質構造、地層巖性、水文地質等概況，并判斷可能產生的自然災害及人為危害因素，采取相應的措施。如，管道上下坡段，為減少坡面侵蝕，應采用擋土墻(漿砌、灰土等)作為深層防沖措施(見圖1)，同時采用土工合成材料(土工格室、植生帶)作為淺層護面措施，防止坡面降雨的擊濺侵蝕。對于坡腳，通常采用護坡或擋墻作為防止坡腳侵蝕的措施。穿越巖質河床，則采用混凝土連續澆注。對于鵝卵石河道，則采用淤土壩作為防沖切的深層保護措施(見圖2)。沿河敷設的管道采用砌筑護坡或漿砌護岸(見圖3)。若經過現狀或規劃的三、四級地區，則應采取增大管道壁厚、提高焊縫檢驗比例、管道上敷設混凝土蓋板等措施防止人類活動對管道的影響(見圖4)。如上述武漢市高壓B管道被鉆破事件，若管道之上敷設有混凝土蓋板，既可有效防止此類事故發生，又可減少挖掘機等機械破壞。
 

2.2 管道壁厚、材料的選擇計算有誤
    管道壁厚和材料選擇主要根據GB 50251—2003《輸氣管道工程設計規范》或GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》。管道強度計算校核時，對管道的受力分析不當，或地區等級分級不準造成強度設計系數取值錯誤，將使強度計算結果及管材(鋼級)、壁厚的選用不恰當，彎管未考慮壁厚增大系數等。例如，管道強度設計系數是根據管道所經地區的建筑物密集程度及人類活動的影響程度或管道穿跨越公路等級、河流大小等情況進行地區分級選取的，如果管道沿線勘察資料不詳或沒有勘察資料，會造成地區分級不準確，強度設計系數選取不恰當。若這種失誤導致管道壁厚計算值偏高，則會造成管道造價的無謂加大，造成浪費；若這種失誤導致管道壁厚計算值偏低，將不能滿足管道的安全性需求。
    若管道應力分析、強度、剛度及穩定性、抗震校核失誤，會造成管道在特定條件發生時變形、彎曲甚至斷裂。如對當地的地震設防烈度、地震斷層等參數調查不清，則會導致所選用的材料(鋼級)不當，或彎管的曲率半徑不符合要求，降低了對地震等災害的抵御程度。當地震設防烈度較高時，應采用較低鋼級的管道并加大壁厚，以增強鋼管的延展性能，并采用彎曲半徑為管道直徑6倍的彎管。
    穿越設計時，當設計壓力大于等于4.0MPa時，所選用的鋼管應符合GB 9711.2—1999《石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件 第2部分：B級鋼管》的規定。設計壓力小于4.0 MPa時，所選用的鋼管應符合GB 9711.1—1999《石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件 第1部分：A級鋼管》、GB9711.2—1999《石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件 第2部分：B級鋼管》和GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》、GB 6479—2000《高壓化肥設備用無縫鋼管》、GB 5310—1995《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規定。
2.3 管道腐蝕
    天然氣管道相當大比例為鋼質管道，鋼質管道的腐蝕不可避免，腐蝕不僅造成每年大量的鋼鐵資源的腐蝕消耗，而且是在役天然氣管道發生事故的主要因素之一。腐蝕既有可能大面積減薄管道的壁厚，又有可能導致管道穿孔，引發事故。埋地管道不僅受到土壤中化學物質的化學腐蝕，還有電化學腐蝕、細菌腐蝕和雜散電流腐蝕等。避免腐蝕造成危害的主要措施就是從設計、施工階段做起，選用合適的防腐層，精心測量土壤腐蝕控制參數并設計安裝陰極保護系統，同時在運行階段還要做好定期的腐蝕檢測工作，防患于未然。輸氣管道防腐設計應符合GB/T 21447—2008《鋼質管道外腐蝕控制規范》的有關規定，陰極保護設計應符合GB/T 21448—2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》的有關規定。
3 施工因素及防范措施
3.1 施工單位的資質不全和經驗不足
   天然氣管道屬于易燃易爆的壓力管道，施工企業必須具有國家或行業主管部門認定的施工資質，并嚴禁采用工程分包、資質掛靠等手段承攬工程。不具備資質的施工企業一般無天然氣管道施工經驗，無專用運輸設備、焊接設備等機具，無相關的材料設備到場驗收、保管制度和經驗，無合格的焊接人員，甚至無專業的施工員，因此施工質量必定無法保證。因此，在天然氣管道的建設過程中，必須按照國家相關規定對工程進行招投標，選擇具有相應實力的施工企業承擔施工任務。
3.2 管道焊接存在缺陷
   管道常見的焊接缺陷有裂紋、夾渣、未熔合、焊瘤、氣孔和咬邊等。管道一旦建成投產，一般情況下都是連續運行，管道中若存在焊接缺陷，不但難以發現，而且不容易修復，會給管道安全運行構成威脅。因此，應嚴格執行焊接操作規程，焊接前必須做焊接工藝評定并制定焊接工藝指導書，選用合格的焊工進行焊接操作，焊接完成后應按照規范和設計要求進行無損檢驗，無損檢驗人員必須由第三方擔任，且檢驗費用必須由業主直接支付，以確保檢驗結果的公正可靠。
3.3 防腐層補口與補傷
    管道防腐層的補口與補傷是防止管道腐蝕危害的重要工序。在施工過程中由于各種原因造成鋼管外表面的防腐涂層損壞要進行補傷，鋼管的接頭處應進行補口。補口與補傷材料選擇不當、質量不良會影響管道耐腐蝕性能，從而引起管道的腐蝕。因此，管道補口、補傷完畢后必須進行外防腐層的電阻測試，合格后方允許回填。
3.4 管溝開挖及回填的質量不良
    若管溝開挖深度或穿越深度不夠，或管溝地基不穩定，當回填壓實，特別是采用機械壓實時，將造成管道向下彎曲變形。地下水位較高而管溝內未及時排水就敷設管道，會造成管道底部懸空；管底存在較大范圍的流沙層且固沙措施不當，也會造成管道底部懸空。如果夯實不嚴，極易造成管道上拱變形。回填土的土質達不到規范要求時，其中的石塊等可能刺傷防腐層。回填高度、夯實程度達不到技術標準要求時，會造成管道埋深不夠、管溝地基不實等問題，導致管道受力不均勻和管道變形，容易帶來安全隱患。
3.5 管道穿跨越
管道往往不可避免地要穿跨越城鎮道路、高速公路、國道(省道)、鐵路(見圖5)及江河或其他特殊設施。對于穿跨越管道，由于管道運行后難以再實施檢修工作或檢修工作難度大、費用高，因此管道穿跨越施工及措施的好壞直接影響著管道穿跨越的質量。穿跨越河流段的管道(見圖6)，當河床受水流沖刷而使其覆土厚度逐漸減小，將可能造成管道懸空。對于通航河道，如果進行疏浚或船舶拋錨時，將對管道構成危害。如果管道配重(見圖7)不足，將會造成管道的上浮而破壞。因此，應特別注意穿越深度及穿越層的穩定，同時應修建適當的標志物、護岸、護底、配重塊等保護設施，使管道免于破壞。
 

4 結語
    通過分析管道設計和施工不當可能對天然氣管道產生的危害，并提出防范的措施，可以從源頭上避免或減少事故的發生。此外，后續的管道運行維護也很重要，任何疏忽都有可能對天然氣管道造成危害。因此，對天然氣管道應進行全過程和全生命周期內管理和維護，最大程度地降低對天然氣管道造成的危害，保證天然氣管道安全平穩運行，促進天然氣產業更好更快地發展。
參考文獻：
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(本文作者：趙志程1 趙玉落2 任洪奇1 1.中石油昆侖燃氣有限公司 北京 100101；2.武漢市燃氣熱力規劃設計院 湖北武漢 430015)