国内典型城市燃气管道失效调查与分析

摘 要

摘要：调查了国内6个典型城市燃气管道的失效记录，进行了对比分析。我国燃气管道失效频率高，不同城市间失效频率差别很大。腐蚀是燃气管道失效的主要原因，其中防腐层的完整性、燃
摘要：调查了国内6个典型城市燃气管道的失效记录，进行了对比分析。我国燃气管道失效频率高，不同城市间失效频率差别很大。腐蚀是燃气管道失效的主要原因，其中防腐层的完整性、燃气气质对腐蚀的影响最大。第三方破坏是燃气管道失效的第二大原因，大城市的燃气管道更容易遭受第三方破坏。引入管是燃气管道系统最易失效的部件，管道附属设备阀门和凝水缸是管道系统的薄弱环节。
关键词：燃气管道；失效调查；失效分析；失效频率；腐蚀失效；第三方破坏
Investigation and Analysis on Failure of Gas Pipeline in Typical Domestic Cities
HUANG Xiao-mei，PENG Shi-ni，YANG Jun-jie，WANG Shu-miao
Abstract：The failure records of gas pipeline in six typical domestic cities are investigated，and a comparative analysis is conducted. The failure frequency of gas pipeline is high in China，the difference of failure frequency among different cities is large. The corrosion is the main reason for gas pipeline failure，and the integrity of anticorrosion coating and the gas purity have the greatest impact on corrosion. The third party damage is the second reason for gas pipeline failure，and the gas pipeline in large cities is more vulnerable to the third party damage. The service pipe is most likely to fail in the gas pipeline system. Pipeline ancillary equipments such as valves and condensate tank are weak links in pipeline system.
Key words：gas pipeline；failure investigation；failure analysis；failure frequency；    corrosion failure；third party damage
    燃气管道的安全问题是燃气经营企业、城市居民和政府部门最为关注的问题之一。我国城市燃气气源种类多，有的城市还经过了几种不同燃气的转换，不同城市、不同时期燃气管道选材、防腐方法等有所不同，各城市的土壤腐蚀性差异很大，再加上燃气企业的经营管理水平差异较大，这些因素导致我国各城市燃气管道失效的特征、失效频率以及失效的后果都有很大差别。我国缺乏专门针对燃气管道失效和事故的报告制度，各城市的燃气经营者大多未保留完整的管道失效资料，关于此类资料不同城市之间缺乏交流。业内学者一般仅针对个别城市的燃气管道失效进行统计分析[1～4]，而没有进行多城市的对比分析，因而很难全面了解我国燃气管道失效的特征。
1 燃气管道系统失效调查
    为全面了解全国范围内的燃气管道失效和事故的特点，本文根据城市规模、地理位置、地形地貌、燃气种类、主要管材及附属设备、管道系统运行时间、压力级制、防腐方式等因素，选择了6个城市采用实地调研、访谈、调查问卷、收集故障资料等形式进行了管道失效和事故调查，这6个城市的管网基本情况见表1。
表1 6个城市管网的基本情况
城市
城市规模
地理位置
地形地貌
燃气种类
主要管材及附属设备
运行时间
压力级制
防腐方式
A
特大城市
西南地区
山地
天然气
绝大部分为钢管，少量PE管；附属设备主要为阀门。
逾30年
次高-中-低压三级管
网，中压进小区，楼栋调压，低压入户。
早期主要采用石油沥青，近期主要采用聚乙烯黏胶带和3层PE复合结构。
B
大城市
华中地区
丘陵
原为人工煤气，现转换为天然气。
多数为铸铁管，少数为钢管；附属设备有阀门和凝水缸。
逾20年
中-低压二级管网，区
域调压。
主要为环氧煤沥青。
C
中等城市
华北地区
平原
天然气
基本上为钢管；附属设备有阀门和凝水缸。
15年
中-低压二级管网，区域调压。
最早采用玻璃钢，后采用环氧煤沥青，近期主要采用2层PE复合结构。
D
中等城市
东北地区
海滨
天然气
基本上为钢管；附属设备有阀门和凝水缸。
10年
中-低压二级管网，区域调压。
早期采用环氧煤沥青，近期主要采用2层PE复合结构。
E
中等城市
华东地区
平原
人工煤气、天然气
多数为铸铁管，少数为钢管；附属设备有阀门和凝水缸。
逾20年
中-低压二级管网，区域调压。
早期采用石油沥青，近期主要为3层PE复合结构。
F
中等城市
华南地区
平原
液化石油气
多数为钢管，少数为PE管；附属设备有阀门和凝水缸。
近20年
中-低压二级管网，区域调压。
主要采用3层PE复合结构。
这几个城市覆盖了我国的主要地形地貌、燃气类型、管材类型、防腐方法、压力级制等，因此对这几个城市的管道失效进行统计分析，对全国范围内的燃气管道失效特征的估计有很好的参考意义。各城市的燃气管网失效记录统计见表2。
2 燃气管网各组成部分的失效分析
2.1 城市配气管道
① 失效原因分析
城市配气管道几乎都是埋地管道，将表2中6个城市的管道失效情况用单位长度管道失效频率进行统计，可知城市配气管道失效的最主要原因是腐蚀，约占总失效原因的68%；其次是第三方破坏，约占18%；第三是连接接头失效，约占9%，连接接头失效主要发生在铸铁管机械连接接头上；管道质量缺陷和地面运动共占约5%。
a. 外腐蚀
外腐蚀主要发生在埋地钢管上，腐蚀之处的外防腐层一般都严重破损，有些是因年久整体老化，有些则是施工活动破坏了防腐层，但防腐层破损处或整体老化处未必发生严重的外腐蚀，防腐层破损且管道埋设于腐殖土中时外腐蚀才最为严重。防腐层失效与管道回填质量、防腐层类型和服役时间有密切关系，其中施工质量对防腐层有决定性影响；一般服役时间越长，防腐层失效概率增加，但从防腐层种类来看，环氧煤沥青比石油沥青更容易整体失效。此外，施工损坏防腐层也是常见的防腐层失效原因。铸铁管外表面也可见锈迹或较浅的均匀蚀坑，但很少遭受严重的外腐蚀。
    b. 内腐蚀
    调查发现输送天然气的管道几乎都不曾发生内腐蚀，内腐蚀主要发生在输送人工煤气的管道上。内腐蚀失效的情况取决于燃气气质，如E市由于燥气气质较好，管道内腐蚀频率很低，而B市由于长期使用净化不合格的人工煤气，燃气中含有大量的水、硫化氢、萘、灰尘等杂质，使得管道内腐蚀失效频率很高。输送气质不合格的燃气，无论是钢管还是铸铁管都会发生严重的腐蚀穿孔现象，且钢管腐蚀程度更高。
表2 被调查城市的燃气管网失效记录统计
城市
A
B
C
D
E
F
统计时间/a
2
3
3
6
1
2
统计的城市配气管道长度/km
2000
600
520
480
800
400
失效数量/次
城市配气管道
腐蚀
292
308
114
16
7
2
第三方破坏
施工破坏车辆冲击
128
45
1
4
8
6
0
0
0
6
1
管道质量缺陷
管材质量缺陷
36
0
4
0
0
0
焊缝缺陷
2
3
0
0
地面运动
地基下沉
0
0
0
1
1
滑坡
5
0
0
0
0
连接接头失效
车辆冲击
0
76
0
0
1
0
地基下沉
7
垫圈老化
5
干气不适应
12
城市配气管道合计
456
436
119
23
47
10
用户引入管
腐蚀
345
251
0
0
44
0
地基下沉
0
0
0
0
4
0
活接头泄漏
7
67
干气不适应
0
13
车辆冲击
1
0
阀门
腐蚀
20
86
0
0
0
0
第三方破坏
0
0
 
阀体结构破坏
2
1
连接失效
0
1
凝水缸
腐蚀
0
122
0
13
8
0
施工破坏
0
2
0
0
9
0
其他
0
6
0
0
0
0
城市配气管道平均失效频率(次·km-1·a-1)
0.114
0.242
0.076
0.008
0.059
0.013
   c. 第三方破坏
   第三方破坏的主要形式有施工破坏、车辆冲击和违章占压。其中，第三方施工对管道的破坏是最常见的破坏形式，在管道失效总原因中所占比例仅次于腐蚀，各调查城市的平均比例为18%。对于腐蚀控制较好的燃气公司，施工破坏则成为最主要的失效原因，这是由于施工破坏大多是偶然发生的，控制难度较大。从表1和表2可以看出，大城市和特大城市的燃气管道更容易受到施工破坏的威胁。车辆对地面管道及用户引入管的破坏也偶有发生，车辆碾压和违章占压给管道增加了较大的负荷，但因此直接导致失效的情况很少发生。
   d. 管道质量缺陷
   管道质量缺陷主要包括管材原始质量缺陷(包括制造缺陷和运输过程中的损伤)和焊接或熔接缺陷。管材原始质量缺陷偶有发现，但直接导致管道失效的情况非常少；焊接质量缺陷导致失效在部分早期施工的管道上常有发生，主要原因是施工质量控制不严，焊工无证上岗和盲目赶工期所致。经调查发现，焊缝处的失效大多是腐蚀，这是因为焊缝处的防腐层补口质量远不如管体的防腐层。
    e. 地面运动
    地面运动主要包括地质性沉降、地基沉降、滑坡、水灾冲刷等。此类失效原因发生频率也是较低的，仅对特定位置有影响，常见的情况是地基沉降导致管道系统机械连接开裂。
   f. 连接接头失效
   连接接头失效主要发生在铸铁管的机械连接接头以及管道与附属设备之间的连接件上。其中，已经由人工煤气转换为天然气的城市，管道接头由于不适应于气而导致漏气的情况最为普遍；其次由于接头处的垫圈、填料老化漏气的情况也较多。
   ② 城市配气管道系统失效频率分析
   6个城市中，配气管道失效频率最高的达到0.242次/(km·a)，而最低仅为0.008次/(km·a)，相差约30倍，6个城市配气管道失效频率的平均值约为0.085次/(km·a)。
    由表1和表2可见，运行时间越长的燃气管道，失效频率也越高，这说明运行了三四十年的管道已经进入老化阶段。但失效频率并不与运行时间成正比，它还与管道类型、工程质量、气质质量等多种因素有关，例如B市输送的燃气具有强腐蚀性，使得其失效频率最高；F市与C市的燃气管道特征参数类似，且都输送气质条件较好的干气，可认为燃气对失效频率无影响，但由于F市工程质量控制得较好(如采用了优良的防腐材料，开挖回填、焊接均严格遵守了有关规范的要求)，而C市早期施工质量较差，因而F市的失效频率远低于C市。
2.2 用户引入管
   调查发现用户引入管失效频率很高，例如A市用户引入管失效次数占管道系统总次数的42%。用户引入管易失效有以下原因：用户引入管的特点是穿越土壤、空气的交界面，受干湿交替影响频繁，土壤应力作用明显；用户引入管地面部分暴露在大气环境中，遭受日晒雨淋，防腐层易老化；用户引入管受到建筑物沉降等作用力的影响；用户引入管常常不经意地成为建筑物的“接地体”，电流干扰严重；用户引入管的防腐层一般是现场手工施工，质量较差；用户引入管上管件较多，部分管件易失效，如活接头；用户引入管暴露在地面上的部分容易受到第三方干扰，如车辆撞击。
2.3 阀门和凝水缸
   阀门和凝水缸等管道附属设备是重要的泄漏源，尤其是埋地的附属设备，如凝水缸。由于其外表面积较大且多为自制，不容易做防腐处理，因此其腐蚀频率比普通钢管高，再加上凝水缸的排水管等部件也较容易失效，使得凝水缸成为管网系统的薄弱环节。
    阀门的失效多为填料、密封失效或阀芯、阀杆损坏，阀门与管道间的法兰连接渗漏也偶有发生。但由于阀门一般都安装在阀井中，失效比较容易被巡线人员发现，维修也很方便。
3 结论与建议
    从对国内6个典型城市的燃气管道失效调查发现，我国燃气管道失效频率总体较高，且不同城市之间的失效频率差别很大。为降低燃气管道失效频率，建议应采取以下几点措施。
    ① 工程设计时，应对管道线路的土壤腐蚀性进行调查，在高腐蚀性区域选择高等级防腐层，在符合规范的条件下，应优先选用PE管道。
    ② 加强燃气管道工程质量的控制，尤其应注意在施工过程中保证防腐层的完整性。
    ③ 运行时间较长的管道应定期评估防腐层的质量状况，检测防腐层破损点，并及时修复；应为在役埋地钢管追加阴极保护系统。
    ④ 用户引入管应做高等级防腐，可采用中间带有一段PE管的预制用户引入管。
   ⑤ 应对燃气气质进行监测，尤其应控制燃气中的水分等符合规定。
    ⑥ 阀门和凝水缸是重要的泄漏源，工程设计时设置阀门和凝水缸应谨慎，对于输送干气的管道系统，可不设置凝水缸。
参考文献：
[1] 贾雁群，李连星，叶茂，等.燃气管网泄漏事故原因分析与预防措施[J].煤气与热力，2005，25(7)：59-61.
[2] 王剑友.燃气输配系统事故统计分析及对策[J].煤气与热力，2001，21(1)：178-179.
[3] 尤秋菊，朱伟.北京市燃气管网危险因素的事故树分析[J].油气储运，2009，28(9)：27-30.
[4] 娄桂云.上海城市燃气输配常见事故分析及对策[J].上海煤气，2006，(1)：1-3.
 
(本文作者：黄小美1 彭世尼1 杨俊杰2 王书淼2 1.重庆大学城市建设与环境工程学院 重庆 400045；2.新奥(廊坊)燃气技术研究发展有限公司 河北廊坊 065001)