天然气站场管道防泄漏技术研究.pdf

第4 3卷第 8期 2 0 1 4年 8月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a ]I n d u s t r y V o 1 ． 4 3．N 0 ． 8 A u g u s t ，2 0 1 4 天然气站场管道防泄漏技术研究 谷醒林 ，曹丽召 ，魏宝来 ，王清海 。 i ．西南石油大学 ，四川 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 天然气川气东送管道分公司宜昌维抢修中心 ，湖北 武汉 4 3 0 2 0 5 3 ．烟台杰瑞压缩设备有限公司，山东 烟台 2 6 4 0 0 3 摘 要 天然气站场是天然气输配系统中的关键环节， 具备天然气的工艺处理、 调度分流以及储配等功能， 这里聚集了巨大的能量。站内管道运行过程中受温度 、压力变化，环境介质作用及人为等因素的影响，存在密 封失效的问题，如果处理不及时会导致天然气的大量泄漏，不仅浪费能源 ，污染环境，还会引起火灾、爆炸等 事故。针对天然气站场管道泄漏的具体形式 ，从采用合理的泄漏检测技术、改进常规的泄漏防治技术及优化防 泄漏设计等方面予以解决，从而有效地防止了站场管道的天然气泄漏，提高了站场运行的可靠性与安全性。 关键词 天然气站场；管道泄漏；检测；防治；技术改进 中图分 类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 40 8 1 5 0 4 0 3 S t ud y o n Le a ka g e Pr o t e c t i o n Te c hno l o g y o f Ga s S t a t i o n Pi pe l i n e GUXi n g - l i n ，C A O L i z h a o ，W E I B a o l a i 2 ，W A N G Q i n g - h a i 1 ． S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y ，S i c h u a n C h e n g d o u 6 1 0 5 0 0 ，Ch i n a 2 ． S i c h u a n t o Ea s t Ga s P i p e l i n e Br a n c h Co mp a n y Yi c h a n g Re p a i r Ce n t e r ， Hu b e i W u h a n 4 3 0 2 0 5 ， Ch i n a 3 ． Y a n t a i J e r e h Co mp r e s s i o n E q u i p me n t Co ． ， L t d ． ， S h a n d o n g Ya n t a i 2 6 4 0 0 3，C h i n a Ab s t r a c t Na t u r a l g a s s t a t i o n i s a k e y l i n k i n t h e n a t u r a l g a s t r a n s mi s s i o n a n d d i s t ri b u t i o n s y s t e m ,i t h as f u n c t i o n s o f n a t u r a l g a s p r o c e s s i n g a n d s t o r a g e a n d s o o n ，h e r e g a t h e r s h u g e e n e r g y ． Th e p i p e l i n e i n t h e s t a t i o n i s a ffe c t e d b y t e mp e r a t u r e ，p r e s s u r e c h a n g e ，e n v i r o n m e n t a l me d i a a n d a r t i fic i a l f a c t o r s d u rin g o p e r a t i o n ，wh i c h c a n c a u s e t h e p r o b l e m o f s e a l f a i l u r e ． I f t h e p r o b l e m o f s e a l f a i l ur e i s n o t t r e a t e d i n t i me ， l o t s o f n a t u r a l g a s wi l l l e a k , wh i c h n o t o n l y c a n c a u s e wa s t e o f e n e r g y , p o l l u t i o n o f t h e e n v i r o n me n t ， b u t a l s o c a n c a u s e fi r e ， e x p l o s i o n a n d o t h e r a c c i d e n t s ． T h e g a s l e a k a g e p r o b l e m c a n b e s o l v e d b y t h e r e a s o n a b l e l e a k d e t e c t i o n t e c h n o l o g y ,i mp r o v i n g c o n v e n t i o n a l l e a k p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d o p t i mi z ing t h e d e s i g n o f t h e c o n t a i n me n t ， wh i c h wi l l i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y a n d s e c u r i t y o f t h e s t a t i o n o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s Ga s s t a t i o n ； P i p e l i n e l e ak ； De t e c t i o n ； P r e v e n t i o n a n d c o n t r o l ； T e c l a n i c a l i mp r o v e me n t 天然气站场是天然气输入输出的场所 ，站内工 艺管道密集 ，设备连接复杂 ，极易出现管道泄漏的 问题。管道泄漏通常为四种泄漏形式 ，分别为埋地 管道泄漏 、法兰泄漏 、螺纹泄露与阀门泄漏 1 ,2 J 许多天然气站场由于不能采取合理的泄漏防护 措施与泄漏检测技术 ，或是当出现微小泄漏时不能 及时有效地予以处理，会导致泄漏的不断扩大而造 成重大环境污染 、设备损坏与人员伤亡事件 。针对 天然气站场特点 ，在常规防泄漏技术的基础上提出 改进措施或采用更加科学实用的防泄漏新技术而彻 底杜绝站场泄漏事故的发生。 1 埋地管道泄漏 1 ． 1 泄露原因 1 ． 1 ． 1 腐蚀与老化 导致站场埋地管道发生泄漏事故的最主要原因 是管道腐蚀。引起管道腐蚀的原 因有很多 土壤酸 碱介质对管线的长时间腐蚀作用导致管壁穿孔而引 起泄漏；埋地管道在腐蚀介质与静拉伸力的共同作 用下可能会产生应力断裂而泄漏；由于管输天然气 成分的特殊性 ，在管道内部还会发生不同程度的氧 和水腐蚀 、硫与细菌腐蚀 、氢腐蚀等。此外 ，埋地 老管线在运行时可能会 由于 自身的老化破损而引起 泄漏，导致事故的发生。 1 ． 1 ．2 流体冲刷 当管道内气体流速较快时，会对管壁产生较强 的冲刷力，致使管道内壁累积磨损，壁厚会逐渐变 薄而穿孔，最终导致管道泄漏。一般在流速较快的 弯头处最易发生此类穿孔泄漏 。 1 ． 2 防护技术 1 ． 2 ． 1 防腐涂层 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 2 - 2 2 作者简介 谷醒林 1 9 8 9 一 ，男，山东莱芜人，在读研究生，硕士，2 0 1 5年将毕业于西南石油大学石油与天然气工程专业，研究方 向从事油 田化学与油气集输方面的工作。E -m a i l 2 2 6 9 4 7 7 0 8 7 q q ． c o rn 。 第 4 3卷第 8期 谷醒林，等天然气站场管道防泄漏技术研究 1 5 0 5 与长输管道相 比， 天然气站场工艺管道 由于包含 大量口径不一的弯头、异型构件等，只能在现场进 行防腐层涂敷工艺从而增大了施工难度。为保证腐 蚀 防护系统的质量 ，可考虑以下防护技术与改进措 施 1 优选 防腐涂层。综合站场管道施工运行的 环境特点 、应用时间长短 、施工简便程度 、价格等 因素优选环氧煤沥青 、聚氨酯液体涂料 、聚乙烯冷 缠带等高效防腐涂层。 2 表面处理。在防腐涂层 施工过程 中要保证处理工艺的可靠性 ，否则易引起 防腐层失效。在表面处理施工过程中要考虑现场环 境灰尘 、温度 、湿度等的影响 ，避免引起早期腐蚀 与失效问题 ；采用机械喷砂除锈 以提高施工质量与 进度 ；在变径连接、埋地弯头等部位 ，采用喷砂除 锈结合人工特殊部位除锈 以避免 出现除锈死角 3 。 1 ． 2 ． 2 常规 阴极保护改进技术 天然气站场管线密集 、设备众多 、空间有限 ， 这不仅增加了阴极保护系统设计与施工 的难度 ，而 且极易造成管道 间电流干扰与屏蔽 ，大大降低了阴 极保护系统的防护效果 。因此 ，需要针对天然气站 场的特殊性采取改进技术 ，改进措施有 1 根据具体场合选择适宜的阴极保护形式。 对于新建输气站场，采用牺牲阳极系统与柔性阳极 系统 ，具有对站外管道干扰少 、电流分布均匀 、管 道间电流干扰与屏蔽少等优点 ；对于老站场采用深 井 阳极 系统 ， 具有开挖工作量小 、 便于施工等优点 。 2站内接地系统改造。为保证深井 阳极系统 的运行效率，将传统接地系统改造为以锌合金阳极 集 中接地为主的形式 ，采用电缆形式与设备连接 ； 在土壤潮湿 、电阻率较低 的天然气站场 ，为节省接 地系统的投资成本 ，可以将牺牲阳极系统直接作为 接地系统使用 。 1 ．2 ． 3 区域性阴极保护技术 针对天然气站场地下工艺管 网密集 、 分支众多 、 接地设备构成复杂的特点 ，与常规 阴极保护技术相 比，采用 区域性阴极保护技术施工更加方便 、防腐 更加有效 、成本更加经济。天然气站场采用区域l生 阴极保护技术虽然有众多优点 ，但也存在屏蔽与干 扰两大问题 ，为有效解决问题 ，可采用以下改进措 施 1 为排除站内区域性阴极保护系统对站外保 护系统造成干扰，要根据站内阴极保护系统的调试 情况，对部分阳极进行限流；将站外保护系统的控 制点移到非干扰 区并对其采用恒电流控制。 2为 减轻屏蔽效应可 以将牺牲 阳极作为接地系统 ；为使 阳极周 围影响区能够相互充分叠加 ，需在整个密集 区来布置阳极 ，从而改善整个区域的保护电位 。 1 ． 2 ． 4 防冲刷泄露 1 在做弯头设计时要加厚弯头厚度。 2 为防止管内硫化铁粉末加剧冲刷磨损， 要 进行周期性清管 。 3 要合理确定管道末端储气量 ， 防止管道内 气流速度过快而加剧扬尘对管壁的磨损 。 2 法 兰泄露 在天然气站场 内法兰连接是管道与设备连接的 主要形式 ，法兰泄露会给天然气站场带来极大的安 全隐患 ，所以要采用相应的技术与合理的措施予以 解 决 。 2 ． 1 泄漏 原 因 1 施工、 安装质量不合格， 造成螺栓松紧不 一 、密封垫片压紧力不足等缺陷，使法兰在投产试 压阶段发生泄漏。 2 由于工艺设计不合理 ， 外界 因素易引起管 道振动，使法兰螺栓松动而导致泄漏。 3管道沉降或变形导致泄漏。 4 在老管线上由于密封垫片使用年限较长而 易产生塑性变形造成法兰泄露。 2 _ 2 解 决方案 2 ． 2 ． 1 降压放空技术 对于可停输管道系统 ，当法兰泄露时要首先关 闭泄露处两边的阀门，进行放空置换后更换新 的垫 片 ，然后重新拧紧固定。 2 ．2 ． 2 法兰堵漏技术 对于不可停输管道系统 ，法兰出现泄露要及时 采用堵漏技术来处理 。采用带压堵漏技术先要设计 并制造适用的密封卡具并安装在法兰泄露部位 ，再 利用机械方法通过专用的密封工具 向泄漏处注入适 量的密封剂 。密封剂在注入压力作用下填满堵漏卡 具空隙，当其固化后便达到密封效果 。 2 - 2 _ 3 C A E S AR Ⅱ法兰防漏技术 对于建在软土层上的天然气站场 ，为彻底防治 由于管道沉降而导致法兰泄露 ，需要利用有限元应 力分析软件 C A E S A R Ⅱ模拟管道的沉降隋况 ， 提 出 相应的解决与预防方案。现以某天然气站场为例来 说 明 C A E S A R I I 法兰防漏技术 的具体应用情况 1 确定应力分析结果校核规范 对于此输气管道工程 ，选用 A S ME B 3 1 ． 8进行 校核， B 3 1 ． 8 对于应力分析的判定情况为 B 3 1 ． 8 规 定持续应力 S U S 为 S L s L S l p S b 0 ． 7 5 F T ； B 3 1 ． 8 规定热膨胀应力 E X P为 S E ≤S A f [ 1 ． 2 5 S c S h 一 S L ] ， 其中 f 6 N 一 0 ． 2 ≤1 ． 0 。 1 5 0 6 当 代 化 工 2 0 1 4年 8月 2 确定载荷和基准参数 3 ． 2 防治技术 要对管道进行应力分析首先要确定载荷，埋地 管道主要载荷有 管道 自重、土壤载荷 、地面载荷 、 管道基础提供的支撑载荷 。 确定的基础参数有管径 、 管壁厚 、管材 、操作压力 、安装温度等。 3 建立应力分析模型 模型如 图 1所示 ，圆点标识处为实际法兰泄露 点。 图 1 应力分析模型 F i g ． 1 S t r e s s a n a l y s i s mo de l 4确定改造方案 结合应力分析结论，在适当位置设置桩基来防 止管线沉降，如图2 所示。对于难以设置桩基的位 置要通过减少覆土量或修建管沟来防止管线沉降。 图 2 新增支架位置示意图 Fi g ． 2 Ne w s t e n t s s k e t c h ma p 利用应力分析软件 C A E S A R Ⅱ能准确模拟埋 地管道沉降睛况 ，并通过相应的整改措施 ，可以经 济高效地防止管线的沉降，从而解决了法兰由于管 线沉降所引起的泄漏问题 。 3 螺纹泄漏 3 ． 1 泄露原 因 天然气输气站场仪器仪表通常通过二阀组与输 气管道采用 A P I 锥管螺纹进行连接。A P I 锥管螺纹 的啮合螺纹间存在一定间隙，严重影响螺纹 的密封 性。 为提高 A P I 螺纹 的密封性 ， 通常使用铅油麻丝 、 聚四氟乙烯胶带等密封材料进行密封，但由于铅油 麻丝固化后易挥发， 聚四氟乙烯胶带无法完全紧密 填充等原 因，仍然无法彻底解决螺纹泄漏的问题 。 为解决螺纹泄漏问题，可参考以下措施 1 在主干线连接部位 ， 利用焊接方式来替代 螺纹连接 。 2 优选使用具有弹性密封环结构的螺纹连接。 4 阀门泄漏 天然气站场管道阀门的可靠性决定着整个站场 管道的质量与安全。阀门在使用过程中由于腐蚀或 操作处理不当等原因会导致泄漏。阀门泄漏分为外 漏和内漏 ，阀门外漏相对较易检测与处理 ，而阀门 发生内漏时由于不易检测 ，可能会贻误处理时机而 造成重大安全事故，所以能及时准确地检测阀门内 漏是预防阀门泄漏 的关键。经调研优选声发射检测 技术进行 阀门内漏检测 。 4 ． 1 技术原理 天然气管道阀门出现内部气体泄漏时会产生泄 漏声源 ，利用小波包分析法对声发射信号进行一定 的降噪处理，然后利用声发射理论以及信号分析处 理方法来确定不同的阀门在一定泄漏率下其内漏声 音在时域范围内与频域范围内的声场特征，以此来 判断阀门是否泄漏以及泄漏量大小 ，根据最后的判 断结果来采取相应的阀门维修或更换措施 。 4 ． 2 声发射检测技术基本程序 1 阀门泄漏源产生声波 ； 2声波经换能器转化为电信号 ； 3 信号经前置放大器进行放大 ， 增益为 4 0 ～ 6 0 d B； 4滤波器将干扰噪音进行清除 ； 5 电信号经主放大器可再放大，增益为 8 0 ～ 1 0 0d B； 6电信号经过阀值整形器处理信号后获得相 应的脉冲信号 ； 7 分析声发射信号来判断阀门有无泄漏及其 泄漏率 。 4 ． 3 技术优点 利用声发射检测技术进行阀门内漏检测具有检 测精度高、 检测范围广等优点， 且其检测过程中不用 拆卸阀门而避免造成阀门损坏 、 延误生产的问题 ， 因 此该技术极适用于天然气站场阀门泄漏 的现场检测。 5 结束语 1 导致天然气站场埋地管道泄露的最主要原 因 是管外土壤介质的腐蚀、 管内流体的冲刷以及管线自 身的老化。 针对管线的腐蚀老化问题， 可采用涂敷防 腐涂层结合阴极保护技术来处理。 下转第1 5 1 o页 1 5 1 O 当 代 化 工 2 0 1 4年 8月 E v a l u a t io n f o r P o l y m e r D a ma g e [ C ] ． 1 9 9 7 ， S P E 3 8 3 0 5 一 M S [ 3]王鸿勋． 水力压裂原理[ M] ． 石油工业出版社， 1 9 8 7 0 3 ． [ 4]周继东， 朱伟民， 卢拥军， 等二 氧化碳泡沫压裂液研究与应用f J 】 ．油 田 化 学 ．2 0 0 4 ， 2 1 4 3 1 6 3 1 9 [ 5]张海龙． 清洁压裂液研制与应用[ D ] ． 大庆 大庆石油学院， 2 0 0 8 ． [ 6 ]C e n t u ri o n S ， Re n g if o Me t a 1 ． S u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f a n o v e l fr a c t u ri n g fl u i d i n t h e C h i t o n - 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0 9 0 6 ] h t t p ／ ／ w w w ．b j s e r v i c e s ． c o m ／ w e b s i t e ／ p s ． n s f ／ 7 b e f 3 7 9 8 f 7 b1 7 0 e e 8 6 2 5 6 a 4 O 0 0 6 6 e 7 a 3 ／ bl O d c 6 b1 3 8 d h d 7 3 O 8 6 2 5 7 O 7 5 O 0 5 a e a O 5 ／ F f L E／ Aq u a r Cl e a r ％2 0 F r a c t u r i n g ％2 0 F l u i d s ．p d f ． [ 1 4 j C r i s t i a n F o n l a n a S u c c e s s f u l A p p l ic a t i o n o f a H i g h T e m p e r a t u r e V i s e n e l a s t i c S u r f a e t a n t f e e s 1 F r a c t u r in g F l u i d s U n d e r E x t r e me C o n d it io n i n P a t a g o n i a n we l ls ．S a n J o r g e B a s i n ． S P E 1 0 7 2 7 7 [ R ] ． 2 0 0 7 ． 『 1 5] Da n i e l P V We l l T r e a t m e n t F l u id s a n d Me t h o d s fo r t h e r e o fi U S ， 6 5 0 9 3 0 1 [ P ] ．2 0 0 3 一 O 1 2 1 ． [ 1 6 ]Ma t h e w S ．V i s c o e l a s t i c s u r f a c t a n t f r a c t u r in g fl u i d s A p p l ic a t i o n s i n l o w p e r m e a b i l i t y r e s e r v o i r s f C 】 ．S P E 6 0 3 2 2 ，Ma r c h 2 0 0 0 ． [ 1 7 ]F u r l o w W．N e w D o w n h o l e F r a c t u r i n g F l u i d Wo r k s w i t h o u t P o ly me r s【 J ] ． O f f s h o r e ，1 9 9 9 ，5 9 6 6 6 ． 1 l 8 j P i t o n E ， e l a 1 ． P o l y m e r - f r e e F r a c t u r i n g F l u i d R e v i v e s S h u t i n We l l [J ] ．Wo r l d O i l ，1 9 9 9 ， 2 2 0 9 7 7 - 8 2 1 1 9 J R i m m e r B ． F r a c t u r e G e o m e t r y O p t i mi z a t i o n D e s i g n s U t i li z i n g N e w P o l y me r f r e e F r a c t u r i n g F l u i d a n d L o g d e ri v e d S t r e s s P r o fil e ／ r o e k P r o p e r t i e s【 C ] ．S P E 5 8 7 6 1 ，2 0 0 0 ． [ 2 O] wh a l e n ， e t a 1 ． V i s c o e l a s t i c S u r f a c t a n t F r a c t u ri n g F l u i d s a n d M e th o d for F r a c t u r i n g S u b t e r r a n e a n F o r ma t i o n s U S ， 6 0 3 5 9 3 6 [ P ] ． 2 0 0 0 ． 1 2 1 j G a d b e n y ，e t a 1 ．S u ff a c t a n t s f o r H y d r a u l i c F r a c t u ri n g C o m p o s it i o n s U S， 5 9 7 9 5 5 5 [ P 1 1 9 9 9 ． [ 2 2 ] 刘新全， 易明新， 等．粘弹性表面活性剂feE S 压裂液[ J ] ． 油田化学， 2 0 0 1 ． 1 8 3 2 7 3 2 7 7 ． [ 2 3 ]江波，张灯， 李东平，等． 耐温 V E S压裂液 S C F的性能【 J ] ．油 田化学，2 O O 3 ． 2 0 4 3 3 2 - 3 3 4 ． [ 2 4 ]娄平均，朱华 ，朱红军， 等． 新型吉米奇季铵盐在 V E S 清洁压裂液 中的应用研究I J ] ． 天然气与石油，2 0 1 1 , 2 9 1 4 5 4 7 ． [ 2 5 ] 贾振福，钟静霞， 牛红彬， 等新 型清洁压裂液的实验室合成l J I l钻井液 与完井液，2 0 0 6 ， 2 3 6 4 2 4 6 ． [ 2 6 ] 钟静，王利敏，冯跃， 等l 亩温清洁压裂液体系室内研究I J 1 ．石油地质 与 工程， 2 0 1 3 ， 2 7 2 9 8 1 0 0 ． [ 2 7 ] 刘刚芝， 王杏尊， 鲍文辉，等． 以中海水基压裂液体系的研究f J 】 ． 钻井液 与完井液，2 0 1 3 ， 3 0 3 7 3 7 5 ； 9 7 ． [ 2 8 ] 苑光宇， 侯吉瑞， 罗焕，等．清洁压裂液的研究与应用现状及未来发展 趋势『 J 1 ． 日用化学工业， 2 0 1 2 ， 4 2 4 2 8 1 - 2 9 2 ． 上接 第 1 5 0 6页 通过优选防腐涂层与强化表面处理工艺来保证 防腐层的质量 ， 通过改进常规阴极保护技术或采用 区域性阴极保护技术来优化阴极保护系统的防护 效果。对于冲刷泄露 ，可通过优化设计及定期清管 等措施予以解决。 2对于法兰泄露 ，根据管道系统是否可 以 停输，分别采用降压放空技术和带压堵漏技术来 处理。利用 C A E S AR Ⅱ法兰防漏技术可以彻底解 决由于管道沉降而导致的泄漏。 3A P I锥管螺纹 由于 自身结构特点及密封 剂的局限性不能完全防止泄漏 ，可利用焊接技术 与具有弹性密封环结构的螺纹连接来代替。 4能及时准确地检测出阀门有无 内漏是预 防阀门泄漏 的关键 。优选声发射检测技术不仅 能 准确及时地检测出阀门泄漏 ，而且避免了由于拆 卸检测阀门造成的阀门损伤、 延误生产等问题。 参考文献 [1 ] 胡忆沩． 天然气管道泄露分析及动态处理技术[ J ] ． 天然气] 二 业 ， 2 0 0 1 ． 2 14 9 8 1 0 0 ． [ 2 ]朱喜平 ，付京晶． 天然气站场常见泄漏的原因分析与治理技术 探讨 ．城市燃气 ，2 0 0 6 8 - 1 1 ． [ 3 ]郭莉 ，程晓峰，巩忠旺， 等． 输气站场埋地管道 的腐蚀与防护Ⅲ 全面腐蚀控制 2 0 1 2 ，2 6 1 0 3 1 - 3 5 ． [ 4 ] 陈洪源 ，范志刚，刘玲莉， 等． 区域性阴极保护技术在输气站场中 的应用 油气储运．2 0 0 5 ， 2 4 5 4 1 4 4 [ 5 ] 李金镇． 带压堵漏技术在法兰密封中的应用『 J 】 l ， J 、 氮肥， 2 0 0 4 3 2 1 2 2 ． [ 6] 喻斌，张世彬，左勇， 等．C A E S A R lI 用于输气管道法兰泄露的 治理『 J ] ． 油气田地面工程，2 0 1 3 ， 3 2 3 3 2 3 3 ． [ 7] 李振林 ，毕治强，刘刚， 等． 基于声发射的天然气管道球阀内漏 检测l J 1． 油气储运 ，2 0 1 3 ， 3 2 6 6 4 7 6 5 0 ． [ 8] 王乐生． 声发射检测技术在石油管道及压力容器行业中的应用【J 1 l 焊接技术，2 0 0 7 ， 3 6 z 5 9 6 0