天然气管道安全运行危害因素及防范措施

摘 要

摘要：分析了天然气管道安全运行的危害因素，从设计和施工方面提出了防范措施。关键词：天然气管道；危害因素；防范措施Risk Factors and Prevention Measures for Safety Operation
摘要：分析了天然气管道安全运行的危害因素，从设计和施工方面提出了防范措施。
关键词：天然气管道；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
   近年来国内天然气产业大力发展，城镇气化率快速提高，不仅大中城市天然气已经普及，经济较为发达的县城、乡镇也已经敷设了大量的天然气管道，这些埋设在地下的天然气管道经常受到人为及其他原因的损坏[1～2]。例如，2006年，湖北省黄冈市穿越长江的天然气管道发生破裂，导致城区约1×104户家庭用气受到影响。2010年4月，武汉市三环线汉口姑嫂树立交桥处，某勘测单位钻探施工时，不慎将Φ711的天然气高压8管道钻破，导致沿线逾60×104户居民、工商用户用气受到影响。
   根据国内较早使用天然气的四川地区的统计数据以及国外的研究成果，危害天然气管道安全、引起管道事故的因素很多，主要包括天然气自身的易燃易爆性、管道的腐蚀[3]、设计与施工缺陷[4～5]、二次建设工程的破坏或第三方破坏、自然灾害、材料及设备缺陷、错误操作等。上述危害因素可分为内因和外因，天然气的易燃易爆性是天然气管道发生事故的内因，但它是不可以改变的。其他因素则是天然气事故发生的外因，可以采取措施进行预防，将事故发生的概率降低到最小。按照造成事故的主体可分为自然灾害和人为灾害，如地震、滑坡等属于自然灾害，而管道的腐蚀、设计与施工缺陷、第三方破坏、材料及设备缺陷、错误操作等则属于人为灾害。随着国内天然气管道的逐年发展，很有必要分析管道的危害因素并采取相应的保护措施。本文从设计和施工的角度，对几种常见的危害因素及相应的措施进行分析。
2 设计因素及防范措施
2.1 管道选线不合理
    管道的选线是设计中的先导性、基础性工作，不仅决定着工程造价，而且决定着管道的运行安全。如果设计中不注意管道所经地区的地质条件、地震情况、水文资料以及所经区域的发展规划，就可能使管道敷设在不稳定地层、地下采空区、泥石流滑坡地区、未来城市中心区等，均会导致管道运行时由于自然灾害和人为因素而发生管道事故。管道选线的基本指导原则应是保持管道敷设土层稳定可靠、减少人类活动对管道的影响这一安全第一原则。选线时应通过基础资料(如地质勘探资料、水文资料、未来规划等)，选定管道的平面位置，有必要时，还需要进行选线勘查(可行性研究阶段勘查)，探明地质构造、地层岩性、水文地质等概况，并判断可能产生的自然灾害及人为危害因素，采取相应的措施。如，管道上下坡段，为减少坡面侵蚀，应采用挡土墙(浆砌、灰土等)作为深层防冲措施(见图1)，同时采用土工合成材料(土工格室、植生带)作为浅层护面措施，防止坡面降雨的击溅侵蚀。对于坡脚，通常采用护坡或挡墙作为防止坡脚侵蚀的措施。穿越岩质河床，则采用混凝土连续浇注。对于鹅卵石河道，则采用淤土坝作为防冲切的深层保护措施(见图2)。沿河敷设的管道采用砌筑护坡或浆砌护岸(见图3)。若经过现状或规划的三、四级地区，则应采取增大管道壁厚、提高焊缝检验比例、管道上敷设混凝土盖板等措施防止人类活动对管道的影响(见图4)。如上述武汉市高压B管道被钻破事件，若管道之上敷设有混凝土盖板，既可有效防止此类事故发生，又可减少挖掘机等机械破坏。
 

2.2 管道壁厚、材料的选择计算有误
    管道壁厚和材料选择主要根据GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》或GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》。管道强度计算校核时，对管道的受力分析不当，或地区等级分级不准造成强度设计系数取值错误，将使强度计算结果及管材(钢级)、壁厚的选用不恰当，弯管未考虑壁厚增大系数等。例如，管道强度设计系数是根据管道所经地区的建筑物密集程度及人类活动的影响程度或管道穿跨越公路等级、河流大小等情况进行地区分级选取的，如果管道沿线勘察资料不详或没有勘察资料，会造成地区分级不准确，强度设计系数选取不恰当。若这种失误导致管道壁厚计算值偏高，则会造成管道造价的无谓加大，造成浪费；若这种失误导致管道壁厚计算值偏低，将不能满足管道的安全性需求。
    若管道应力分析、强度、刚度及稳定性、抗震校核失误，会造成管道在特定条件发生时变形、弯曲甚至断裂。如对当地的地震设防烈度、地震断层等参数调查不清，则会导致所选用的材料(钢级)不当，或弯管的曲率半径不符合要求，降低了对地震等灾害的抵御程度。当地震设防烈度较高时，应采用较低钢级的管道并加大壁厚，以增强钢管的延展性能，并采用弯曲半径为管道直径6倍的弯管。
    穿越设计时，当设计压力大于等于4.0MPa时，所选用的钢管应符合GB 9711.2—1999《石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第2部分：B级钢管》的规定。设计压力小于4.0 MPa时，所选用的钢管应符合GB 9711.1—1999《石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第1部分：A级钢管》、GB9711.2—1999《石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第2部分：B级钢管》和GB/T 8163—2008《输送流体用无缝钢管》、GB 6479—2000《高压化肥设备用无缝钢管》、GB 5310—1995《高压锅炉用无缝钢管》的规定。
2.3 管道腐蚀
    天然气管道相当大比例为钢质管道，钢质管道的腐蚀不可避免，腐蚀不仅造成每年大量的钢铁资源的腐蚀消耗，而且是在役天然气管道发生事故的主要因素之一。腐蚀既有可能大面积减薄管道的壁厚，又有可能导致管道穿孔，引发事故。埋地管道不仅受到土壤中化学物质的化学腐蚀，还有电化学腐蚀、细菌腐蚀和杂散电流腐蚀等。避免腐蚀造成危害的主要措施就是从设计、施工阶段做起，选用合适的防腐层，精心测量土壤腐蚀控制参数并设计安装阴极保护系统，同时在运行阶段还要做好定期的腐蚀检测工作，防患于未然。输气管道防腐设计应符合GB/T 21447—2008《钢质管道外腐蚀控制规范》的有关规定，阴极保护设计应符合GB/T 21448—2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》的有关规定。
3 施工因素及防范措施
3.1 施工单位的资质不全和经验不足
   天然气管道属于易燃易爆的压力管道，施工企业必须具有国家或行业主管部门认定的施工资质，并严禁采用工程分包、资质挂靠等手段承揽工程。不具备资质的施工企业一般无天然气管道施工经验，无专用运输设备、焊接设备等机具，无相关的材料设备到场验收、保管制度和经验，无合格的焊接人员，甚至无专业的施工员，因此施工质量必定无法保证。因此，在天然气管道的建设过程中，必须按照国家相关规定对工程进行招投标，选择具有相应实力的施工企业承担施工任务。
3.2 管道焊接存在缺陷
   管道常见的焊接缺陷有裂纹、夹渣、未熔合、焊瘤、气孔和咬边等。管道一旦建成投产，一般情况下都是连续运行，管道中若存在焊接缺陷，不但难以发现，而且不容易修复，会给管道安全运行构成威胁。因此，应严格执行焊接操作规程，焊接前必须做焊接工艺评定并制定焊接工艺指导书，选用合格的焊工进行焊接操作，焊接完成后应按照规范和设计要求进行无损检验，无损检验人员必须由第三方担任，且检验费用必须由业主直接支付，以确保检验结果的公正可靠。
3.3 防腐层补口与补伤
    管道防腐层的补口与补伤是防止管道腐蚀危害的重要工序。在施工过程中由于各种原因造成钢管外表面的防腐涂层损坏要进行补伤，钢管的接头处应进行补口。补口与补伤材料选择不当、质量不良会影响管道耐腐蚀性能，从而引起管道的腐蚀。因此，管道补口、补伤完毕后必须进行外防腐层的电阻测试，合格后方允许回填。
3.4 管沟开挖及回填的质量不良
    若管沟开挖深度或穿越深度不够，或管沟地基不稳定，当回填压实，特别是采用机械压实时，将造成管道向下弯曲变形。地下水位较高而管沟内未及时排水就敷设管道，会造成管道底部悬空；管底存在较大范围的流沙层且固沙措施不当，也会造成管道底部悬空。如果夯实不严，极易造成管道上拱变形。回填土的土质达不到规范要求时，其中的石块等可能刺伤防腐层。回填高度、夯实程度达不到技术标准要求时，会造成管道埋深不够、管沟地基不实等问题，导致管道受力不均匀和管道变形，容易带来安全隐患。
3.5 管道穿跨越
管道往往不可避免地要穿跨越城镇道路、高速公路、国道(省道)、铁路(见图5)及江河或其他特殊设施。对于穿跨越管道，由于管道运行后难以再实施检修工作或检修工作难度大、费用高，因此管道穿跨越施工及措施的好坏直接影响着管道穿跨越的质量。穿跨越河流段的管道(见图6)，当河床受水流冲刷而使其覆土厚度逐渐减小，将可能造成管道悬空。对于通航河道，如果进行疏浚或船舶抛锚时，将对管道构成危害。如果管道配重(见图7)不足，将会造成管道的上浮而破坏。因此，应特别注意穿越深度及穿越层的稳定，同时应修建适当的标志物、护岸、护底、配重块等保护设施，使管道免于破坏。
 

4 结语
    通过分析管道设计和施工不当可能对天然气管道产生的危害，并提出防范的措施，可以从源头上避免或减少事故的发生。此外，后续的管道运行维护也很重要，任何疏忽都有可能对天然气管道造成危害。因此，对天然气管道应进行全过程和全生命周期内管理和维护，最大程度地降低对天然气管道造成的危害，保证天然气管道安全平稳运行，促进天然气产业更好更快地发展。
参考文献：
[1] 彭知军.预防第三方施工对燃气管道及设施破坏的措施[J].煤气与热力，2010，30(6)：B23-B28.
[2] 虎继远，刘中兰，徐杰.燃气管道泄漏事故成因与防范对策[J].煤气与热力，2009，29(11)：B23-B26.
[3] 肖炜，邝月芳.埋地钢质天然气管道腐蚀控制检测与对策[J].煤气与热力，2010，30(8)：A34-A40.
[4] 杨罗，姚剑锋，吴小平.城市天然气高压管道设计的若干问题[J].煤气与热力，2007，27(11)：1-4.
[5] 于洋.城市燃气管道设计若干问题的探讨[J].煤气与热力，2007，27(11)：25-27.
 
(本文作者：赵志程1 赵玉落2 任洪奇1 1.中石油昆仑燃气有限公司 北京 100101；2.武汉市燃气热力规划设计院 湖北武汉 430015)