石油天然气长输管道危险性分析.pdf

第18 卷第7 期 2 0 08 年7 月 中国安全科学学报 C h i n a S a f e t y S c i e n c eJ o u r n a l V 0 1 ．18N o ．7 J u l ．2008 石油天然气长输管道危险性分析 张启波1 高级工程师贾 颖2闰晓静1 1 青岛理工大学汽车与交通学院，青岛2 6 6 0 3 3 2 信息产业电子第十一设计研究院有限公司，无锡2 1 4 0 7 1 学科分类与代码6 2 0 ．5 0 2 0中图分类号X 9 1 3 ．4 ；F 4 1 6 ．2 2文献标识码A 【摘要】基于四川I 省天然气长输管道事故的统计资料 即1 9 6 9 - - 1 9 9 0 年间发生的1 5 5 次事故 ， 结合1 9 9 0 年以后，直至1 9 9 8 年四川发生的管道事故，对油气长输管道所面临的各种可能的危险因 素进行综合分析，找出油气长输管道事故诱因主要来自管道腐蚀、材料缺陷、设计和施工质量、不良 环境条件和第三方破坏。进而分别探讨四大危险性因素对管道安全运行的影响，并从理论和工程角 度提出了预防和控制油气长输管道事故的对策和建议。 【关键词】长输管道；腐蚀；施工缺陷；材料缺陷；环境影响； 人为破坏；安全运行 H a z a r dA n a l y s i so fL o n g d i s t a n c eO i la n dG a sP i p e l i n e s Z H A N GQ i - b 0 1 ，S e n i o rE n g i n e e rJ I AY i n 9 2Y A NX i a o - j i n 9 1 1S c h o o lo fA u t o m o b i l e ＆T r a f f i c ，Q i n g d a oT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y ，Q i n g d a o2 6 6 0 3 3 ，C h i n a 2T h eE l e v e n t hD e s i g n R e s e a r c hI n s t i t u t eo fI T ，C O ．，L t d ，W u x i2 1 4 0 7 1 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h es t a t i s t i c a ld a t ao f1 5 5l o n g - d i s t a n c ep e t r o l e u mp i p e l i n ea c c i d e n t so c c u r r i n gi nS i c h u a np r o v i n c ef r o m1 9 6 9t o1 9 9 0 ，a n dt h es a m ek i n d so fa c c i d e n t sf r o m1 9 9 0t o1 9 9 8i nS i c h u a np r o v i n c e ， ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i si sm a d eo nt h eh a z a r d o u sf a c t o r sc a u s i n gl o n g d i s t a n c ep e t r o l e u mp i p e l i n ea c c i - d e n t s ；t h ea n a l y s i ss h o w st h a tp e t r o l e u mp i p e l i n ea c c i d e n t sm a i n l yr e s u l tf r o m4h a z a r d o u sf a c t o r si n c l u d i n g e r o s i o n ，m a t e r i a ld i s f i g u r e m e n t ，b a dd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t y ，b a de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa n dt h e t h i r d p a r t yd a m a g e ．T h ee f f e c to ft h e4f a c t o r so nt h es a f e t yo p e r a t i o no fp i p e l i n e si ss t u d i e da n dr e l a t e da d - v i c eo nh o wt od e f e n da n dp r e v e n to i l g a sp i p e l i n ea c c i d e n t si sp r o p o s e df r o mt h e o r ya n de n g i n e e r i n g ． K e yw o r d s l o n g d i s t a n c eo i la n dg a sp i p e l i n e ；e r o s i o n ； c o n s t r u c t i o nd e f e c t s ；m a t e r i a ld e f e c t s ； e n v i r o n m e n t a li m p a c t ；a r t i f i c i a ld e s t r u c t i o n ； s a f eo p e r a t i o n 0 引言 随着石油工业的发展，管道运输已成为石油和 天然气最主要的运输方式之一。o 。2 0 世纪5 0 年 代以来，随着工业生产的迅速发展以及油气产量的 大幅度增长，管道运输建设规模迅速扩大，目前全世 界大型长油气管道的总长已超过2 1 0 6k m ，相当于 地球与月球距离的5 倍，并以每年4 1 0 4 ～ 5 1 0 4k m 的速度增长，大规模的油气管道建设已成 为各国经济发展必不可少的重要基础工程∞J 。随 着建设量的增大，老管线服役时间的增长，长输管道 事故的增多，管道安全问题越来越受到人们的重视。 虽然，油气管道在设计、建设和运行管理中采用越来 越严格的规范，选用更好性能的管材和防腐盖层及 相关设备，但影响管道安全性的因素很多，管道运行 文章编号1 0 0 3 3 0 3 3 2 0 0 8 0 7 0 1 3 4 0 5 ；收稿日期2 0 0 8 0 3 1 0 ；修稿E l 期2 0 0 8 0 6 - 3 0 万方数据 第7 期张启波等石油天然气长输管道危险性分析 1 3 5 期间的第三方破坏、腐蚀穿孔、自然灾害、管道设计 施工遗留的缺陷、损伤等因素都有可能引发严重的 管道事故，导致多种严重后果，给周围的人员和建筑 物造成重大的危害“J 。 分析长输油气管道的事故类型，对长输油气管 道的危险进行辨识，从而有针对性地采取措施，是长 输油气管道安全运行的重要需求。笔者基于四川省 天然气长输管道事故的统计，对长输管道危险因素 进行了辨识，对长输管道运输的特点及多发事故原 因进行了探讨，提出了预防长输油气管道事故的技 术措施。 1 长输管道的危险因素分析 石油天然气管道的输送介质属于易燃、易爆物 质，介质中含有的硫化氢、二氧化碳、游离水、粉尘等 杂质，使敷设的管道处于内外腐蚀条件，加上环境、 地质、气象和水文灾害、管材及设计缺陷、操作失误 乃至人为破坏等因素，管道的安全受到众多因素的 威胁。管道发生爆破、泄漏、停输等事故不仅造成巨 大财产损失，而且也危害到生态环境。 1 9 8 9 年6 月4 日，前苏联的一条输气管道发生 泄漏，两列对开火车在距离泄漏点1k m 外的铁路线 上通过时，火车磨擦产生火花引起了泄漏的可燃气 体爆炸，造．j 9 6 0 0 多人死亡，数百公顷森林烧毁； 2 0 0 0 年8 月，美国新墨西哥州东南部一条 7 2 0r a i n 口径的输气管道发生天然气爆炸，引起连天 大火并至少造成1 0 人死亡，在3 0 多公里以外的地 方都可以看见巨型火球冲上天空，爆炸后地面留下 一道长2 5m 、深6m 的大坑一J 。 我国的石油天然气管道亦曾多次发生事故， 表1 列出了1 9 6 9 - - 1 9 9 0 年四J i I 天然气管道事故统 计结果。 表11 9 6 9 - - 1 9 9 0 年四川天然气管道事故统计 事故原因 事故次数比例 ％ 腐蚀6 7 4 3 ．2 2 其中内腐蚀 4 6 2 9 ．6 7 外腐蚀 2 1 1 3 ．5 5 施工和材料缺陷 6 03 8 ．7 l 其中施工质量 4 1 2 6 ．4 5 制管质量 1 9 1 2 ．2 6 不良环境影响 2 21 4 ．2 0 人为破坏及其他因素 63 ．8 7 合计 1 5 51 0 0 从1 9 6 9 - - 1 9 9 0 年的2 1 年间，四川输气管道共 发生1 5 5 次事故，其中腐蚀引发的有6 7 次，占事故 总数的4 3 ．2 2 ％，是导致事故的首要原因；施工和材 料缺陷事故共有6 0 次，占总数的3 8 ．7 1 ％，仅次于 腐蚀因素而列于事故原因的第二位；由不良环境影 响而导致的事故有2 2 次，占到事故总数的1 4 ．2 0 ％， 位居第三，如下图所示。 从表中统计结果可以看出，在统计期间造成输 气管道事故的主要原因分别是腐蚀、施工和材料缺 陷及不良环境影响。该统计结果与国外统计结果大 抵相同，表明腐蚀、施工和材料缺陷是影响管道安全 运行的主要因素。 四川天然气管道事故分类情况图 1 ．1 腐蚀分析 腐蚀是造成天然气管道事故的主要原因，在 表1 中占事故总数的4 3 ．2 2 ％。其中内腐蚀为 4 6 次，占事故总数的2 9 ．6 7 ％；外腐蚀次数相对较 低，发生了2 1 次，占事故总数的1 3 ．5 5 ％。显然内 腐蚀是主要的事故原因。 1 ．1 ．1 内腐蚀 输送含硫天然气管道的内腐蚀类型，主要有电 化学腐蚀，硫化物应力腐蚀开裂等形式。 电化学失重腐蚀天然气中含有硫化氢、同时存 在冷凝水的条件下，会发生电化学反应，硫化氢电离 后形成s 扣，与钢管内表面发生电子传递使金属离 子解析形成针蚀、斑点、坑蚀，造成管道的局部减薄， 甚至穿孔。1 9 6 8 年投入运营的威成线，1 9 7 1 年和 1 9 7 2 年连续两次发生因严重的硫电化学腐蚀引起 管道破裂，烧死4 人，烧伤2 6 人，造成严重的经济 损失‘10 1 。 硫化物应力腐蚀与电化学腐蚀同时作用加速管 道腐蚀。硫化物应力腐蚀产生的拉应力腐蚀破坏， 它主要发生在高强度钢、高内应力的设备、管道。当 钢管与硫化氢水溶液或与含硫化氢的湿天然气相接 触时，发生电化学腐蚀，产生氢原子，氢原子在钢材 中扩散，总是向着应力集中区扩散聚集使材料开裂。 该类腐蚀发生的时间短，无预兆，开裂的钢表面常不 见一般腐蚀，断口为脆性型。 在四川输气管道的运行中，硫化物应力腐蚀造 成的危害最大，它对管道内壁造成的腐蚀E L I - 腐蚀 万方数据 1 3 6 中国安全科学学报 C h i n a S a f e t y S c i e n c eJ o u r n a l 第18 卷 2 0 0 8 焦 更严重。据统计，截至1 9 9 3 年底，四川输气公司管 辖的输气干线共发生7 8 次硫化氢应力腐蚀事故，其 中川东输气干线2 8 次。仅1 9 7 9 - - 1 9 8 7 年8 年间就 发生1 2 次硫化物应力腐蚀爆管事故，破裂均起源于 螺旋焊缝，经济损失在7 0 0 万元以上。 表2 是富含硫化氢时管道失效原因统计结果， 由其中数据可以看出，硫化物应力腐蚀是输气管道 最主要的失效形式，占到总数的5 0 ％左右。 表2 富含硫化氢时管道的失效原因统计 失效比例 ％ 失效原因 3 年4 年 5 焦6 庄 硫化物应力腐蚀 5 0 ．85 0 ．O5 0 ．35 2 ．1 焊接缺陷 2 1 ．31 1 ．32 4 ．O1 8 ．3 制作与装配缺陷 9 ．07 ．01 ．58 ．1 操作失误 1 ．71 0 ．63 ．O1 ．4 其他 1 7 ．22 1 ．12 1 ．22 0 ．1 由于四川天然气中硫化氢含量偏高 大多数在 2 0 0m g ／m 3 ，最高可达4 0 0 ～5 0 0m g ／m 3 ，如果气质 净化不合格、输运介质含水及管道内压力变化较大 时，就形成硫化物应力腐蚀的条件，增加了管道破裂 事故的可能性。 1 ．1 ．2 外腐蚀 管道外腐蚀与管道所采用的防腐材料性能及防 腐施工质量好坏有直接的关系。 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代，石油天然气管道 一般多采用石油沥青防腐和阴极保护相结合的防腐 技术，当时国内管道防腐层均采用石油沥青加玻璃 布结构，采用现场热涂敷工艺，温度和质量均无法保 证，后期改为工厂预制及作业线涂敷工艺，质量有所 提高。但因沥青防腐层强度较低，管子在运输、堆放 和焊接中损伤较多，现场补口工作量较大，任何一个 环节质量控制不严格，都可能留下事故隐患。 造成石油沥青防腐层质量差的主要原因如下 1 表现在管段的沥青防腐层没有包敷工业膜， 或沥青防腐层涂敷不均等防腐层施工质量差，由此 酿成的事故曾一度位居首位。 2 未考虑管道穿过地段的土壤性质差别，在管 道局部形成氧浓差电池，使部分管段出现局部腐蚀 和防腐层补口不合格，也是酿成腐蚀的主要原因。 3 防腐材料的耐老化性能差、阴极保护率达不 到1 0 0 ％会加速腐蚀的过程。 2 0 世纪9 0 年代后期，我国管道防腐采用了阴 极保护加3 层P E 外防腐层的联合保护方法，如 1 9 9 7 年建成的陕京线输气管道，就采用了联合保护 方法，管道防腐技术有了显著的提高‘1 1 1 。 1 ．2 施工和材料缺陷分析 从表1 可知，四川天然气管道事故中，施工和材 料缺陷导致的事故在1 9 6 9 - - 1 9 9 0 年间共发生了 6 0 次，占事故总数的3 8 ．7 1 ％，是导致事故的第二位 因素，仅次于腐蚀对管道的影响。其中，施工质量差 导致了4 1 次事故，事故率为2 6 ．4 5 ％；制管质量缺 陷而发生了1 9 次事故，占总数的1 2 ．2 6 ％。 因施工和材料缺陷导致的事故主要是管道材质 选择不合理、管道焊接质量低劣及管道施工操作维 护不良等造成的，也客观反映了国内的管道施工水 平和质量不高，制管技术比较落后。 由于我国生产螺旋缝钢管的生产历史较长，输 送天然气几乎全部采用螺旋缝钢管。螺旋焊钢管有 其自身的优点，但它也具有焊缝长度大和焊缝应力 集中两个弱点，所以因焊缝缺陷引发的事故比直缝 钢管概率高。 在螺旋焊缝钢管制管时，由于剪边及成形滚压 造成的刻伤处残余应力集中、焊接时造成螺旋焊缝 的内焊、偏焊或未焊透等缺陷处应力集中、以及在含 硫化氢的腐蚀环境中形成局部阳极都是诱发事故的 主要原因。 在输气的低频脉动应力作用下，局部腐蚀可逐 渐扩展成裂纹，并在较低的压力下产生爆管，沿焊缝 将管道撕裂。 管口焊接质量水平低，电弧烧穿、气孔、夹渣和未 焊透发生率高，是引发事故的又一重要因素。2 0 世 纪6 0 年代，我国曾多次发生因螺旋缝焊接质量不过 关而诱发的管道爆破事故。最严重的一次发生在纳 大线上，在总长2 7 ．6k m 的输气管道上，投产后半年时 间内就发生了1 1 次爆管，2 次严重渗漏，其主要原因 就是螺旋缝质量不过关，内焊缝焊偏和未焊透，以及 气孔、夹渣等缺陷。即使是直缝钢管，如果焊缝检测 不合格，也会留下事故隐患。1 9 9 6 年1 月7 日付纳线 1 9 7 8 年建成 输气管道某段发生爆管，一对手工焊 缝发生破裂，开裂长度为8 0 0m m ⋯。 对管材性能的检验表明，断裂原因为严重的焊 接缺陷所致，焊前坡口两侧油、锈、脏物均未清除干 净。这些具有缺口效应的缺陷，在外力作用下，引起 了严重的应力集中，导致管道脆裂。 1 ．3 不良环境影响分析 管道工程的局部管段所处的恶劣自然环境影响 万方数据 第7 期张启波等石油天然气长输管道危险性分析 1 3 7 引起的管道事故，主要指山体滑坡、崩塌及管道穿越 江河段受洪水冲刷等因素造成的事故。在所统计的 年份中，四川天然气管道共发生这类事故2 2 次，占 事故总数的1 4 ．2 0 ％，位居第三。 洪水的冲刷引起河床变化是促使管道发生事故 的主要原因，早期建设的管道穿越江河工程，多采用 裸露敷设或浅埋敷设方式，最易遭受洪水的外力破 坏，一旦稳管作用失效，水下管道出现悬空，没有及 时发现或没有采取加固措施，就容易导致事故。例 如四川中青输气管道的涪江穿越段，1 9 7 8 年因洪 水猛烈而被冲断；峡渝线长江穿越于1 9 7 4 年和 1 9 8 5 年江底管道两次被冲断。 自然环境的影响或人为活动引起条件变化，导 致山体滑动和崩塌，也会危及到管道安全，如 1 9 9 8 年8 月2 0 日，付安线马门溪至小南坝公路下雨 造成山体滑坡，造成约4 0m 公路下沉，致使敷设在 公路水沟、路肩下的天然气管道严重位移，经测量管 道沉降段长达4 1m ，纵向下沉最大约2m ，向江边水 平位移约1m ，严重危及管道安全。 不良环境影响造成的管道事故次数比较高，与 四川盆地特殊的自然环境条件有关。该地区多深谷 大川，地质土壤较松散脆弱，岩体易风化破碎，汛期 多大雨、暴雨、地形雨，很容易引发山体滑坡、崩塌及 泥石流等灾害，对管道形成较大的危害。据统计，仅 重庆市到2 0 0 0 年为止就累计发生了地质灾害 3 ．3 万余处，其中滑坡43 8 1 处，崩塌6 1 0 处，泥石流 9 3 处，地面塌陷7 3 处，造成的损失触目惊心。 1 ．4 第三者破坏分析 1 9 6 9 - - 1 9 9 0 年第三者破坏引起的事故在四川 虽然统计数字不高，仅占事故总数的3 ．8 7 ％，但也 不容忽视，该类事故具有突发性，不易防范，而且容 易酿成更大的灾害。 近年来川渝地区屡屡发生第三者破坏导致的管 道损坏的事故，该类破坏具有一定的特点，集中反映 在以下几个方面 1 城市建设中缺乏对输气管道进行保护 1 9 9 8 年某开发区建设在平整土地时，损坏南干 线，造成管道停输3 天；某市开发区将中青线约9k m 圈在开发区内，部分建筑甚至压在管道上，对管道安 全威胁极大；在管道两侧开山平地、建房修路，修加油 站的事件也有发生，如江油市太华加油站的储油罐距 中青线不足2 0m ，重庆江津市有两座加油站紧靠丹西 线建设；据统计，在四川输气干线的保护区范围内，各 种永久性的违章建 构 筑物已达12 0 0 多处。 2 公路建设危及管道安全 近年来，随着交通建设的发展，在公路新建和扩 建中，一些地方不征求输气管道部门的意见，对输气 管道未采取任何保护措施，就将输气管道压在公路 下或紧靠管道修建公路，不断酿成事故。例如 1 9 9 8 年7 月2 9 日，威五线东兴一三江段由于 内江至乐山公路进行改建，使用大型机械施工，输气 管道两处被穿破出现漏气，造成管道停输，经济损失 1 2 万元；江油市在修筑公路时将中青线压管6m 多；成都市公路扩建时，对公路和威青线、威成线交 叉处没有按设计要求进行保护，此段管道未经保护 被压在公路下，构成重大事故隐患。 3 河流挖砂取石危及管道安全 管道穿越河流附近的河床上，挖砂取石现象屡 禁不止，致使水下穿越管道上的砂卵石覆盖层逐年 减薄，部分天然气穿越处由于挖砂取石已造成管道 悬空裸露，防腐层被破坏。例如德阳绵远河穿越， 因挖砂取石造成穿越段悬空；成德线广汉鸭子河穿 越，同样原因致使管道在1 9 9 0 年8 月被洪水冲断， 停输近7 个月；1 9 9 6 年2 月7 日，佛纳线发生泄漏 事故，这是由于管道周围为采石场，管道被砸了一个 大槽坑，出现局部缺陷，引起应力集中发生爆管。 近年来，地方建设危及输气管道安全的现象频 繁发生，特别是部分地段公路改 扩 建，城镇开发 区建设及农村建房造屋、农民挖砂取石导致江河穿 越管道裸露悬空等危及输气管道安全的事件不断， 严重威胁到输气管道的安全运行，如果不能严格贯 彻管道保护条例，管理维护工作不到位，人类活动引 起的管道事故将会上升。 2 结论 1 油气长输管道事故的诱因主要来自管道腐 蚀、材料缺陷、设计和施工质量，其次环境条件和 第三方破坏，均是不可忽略的因素，上述影响因素又 贯穿着油气长输管道的设计、施工和运行各个环节 中，为了保证油气长输管道的安全运行，预防和控制 油气长输管道灾害事故的发生，应加强各个环节的 安全监控。 2 在加强管道腐蚀机理研究的基础上开展防 腐材料的研究，根据不同的介质、地域、环境及操作 条件正确选择防腐材料。 3 管线设计选材时应考虑永久荷载、可变荷 载、偶然荷载、试压荷载、施工荷载及地震作用等诸 万方数据 1 3 8 中国安全科学学报 C h i n a S a f e t y S c i e n c e J o u r n a l 第1 8 卷 2 0 0 8 焦 多因素影响。管线优先采用弹性敷设，不能采用弹 性敷设时，首先考虑用R 4 0 D 的冷弯弯管，其次是 R 4 D 的热煨弯头，在管线出站端的1 5k m 以内，均 加一定数量的固定推力支墩，以防止热胀冷缩，使管 道扭曲变形或裸露地面。 4 当管道和其他管道或电缆交叉时，一定要严 格执行石油天然气管道保护条例 国务院 第3 1 3 令 、输油管道工程设计规范 G B 5 0 2 5 3 - - 2 0 0 3 等有关条款的规定，降低相互间的影响。 5 油气管道避开滑坡、崩塌、沉陷、泥石流等不 良地质区，若管道必须通过此区时，应选择合适位 置，尽可能减少穿越距离，并采取相应的工程保护措 施，加强水工保护设计，降低自然侵害的概率。 6 工程建设中应严格要求管道和关键设备 设 施 的施工质量，确保焊接质量、弯头配件材料、尺 寸、形状、防腐等都符合规范要求。特别应强调对压 力管道的法兰垫片施工、法兰螺栓的长度及安装质 量、压力管道短管焊接等方面的质量要求，确保万无 一失。同时应抓好工程全过程的安全监理工作，严 格执行有关法规、规范，特别对设备的制造、安装和 试运，以及工程交工时的资料完整性，对油气压力管 道的承压焊口应做1 0 0 ％探伤检查，使设备投产后 不发生安全质量事故。 7 运行阶段应严格操作规程，严控油气质量， 保证安全生产；应加大宣传力度，加强附近居民对输 油管道常识的认识以及管道破坏对居民可能造成的 危险等；加大巡线频率，提高巡线的有效性，抑制人 为破坏管道事故的发生。 参考文献 宋艾玲，梁光J | I ，王文耀．世界油气管道现状与发展趋势E J 3 ．油气储运，2 0 0 6 1 0 1 6 朱喜龙．我国油气管道发展的探讨l - J 3 ．炼油与化工，2 0 0 5 2 4 - 9 杨祖佩，高爱茹．我国天然气管道的现状与发展E J 3 ．城市燃气，2 0 0 1 1 0 1 9 2 2 张乐乐，宋守信，郭佳等．城镇煤气管道漏损分析与风险评价[ J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 7 ，1 7 5 1 4 4 1 4 8 丁建林．我国油气管道技术和发展趋势E J 3 ．油气储运，2 0 0 3 9 2 2 2 5 李顺德．我国油气长输管道的建设与发展F J 3 ．油气田地面工程，2 0 0 5 ，2 4 11 1 6 1 7 梁瑞，张春燕，姜峰等．天然气管道泄漏爆炸后果评价模型对比分析[ J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 7 ，1 7 8 1 3 1 1 3 5． 徐亚博，钱新明，刘振翼．天然气输送管道泄漏事故危害定量分析[ J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 8 ，1 8 1 1 4 6 ～1 4 9 卢绮敏．石油工业中的腐蚀与防护[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 1 1 0 1 1 冯伟章，王克强，马育．长输管道腐蚀分析及控N E J 3 ．管道技术与设备，2 0 0 2 1 3 3 3 4 祝馨．长输管道的腐蚀与防护E J ] ．石油化工腐蚀与防护，2 0 0 6 ，2 3 1 5 1 ～5 3 黄春芳．原油管道输送技术I - 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