李國平

(中國石化中原油田普光分公司， 四川達(dá)州 635000)

0 前言

普光氣田是我國規(guī)模最大、豐度最高的特大型海相整裝酸性氣田，天然氣高含硫化氫，屬超深氣藏，硫化氫含量15%以上，氣藏平均壓力55 MPa，硫化氫分壓9.5 MPa，安全風(fēng)險(xiǎn)高。天然氣中含硫化氫、單質(zhì)硫、二氧化碳、氯離子，具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)管道材料的抗腐蝕性能要求極高。普光氣田位于大巴山南緣，地形地貌復(fù)雜，給管道運(yùn)行維護(hù)和應(yīng)急救援造成很多不便。在普光氣田生產(chǎn)運(yùn)行過程中，始終保持高度警惕，構(gòu)建雙重預(yù)防機(jī)制，提升風(fēng)險(xiǎn)隱患防控能力，確保生產(chǎn)運(yùn)行本質(zhì)安全。到目前為止，普光氣田安全平穩(wěn)運(yùn)行11年，形成了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)和先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)。

1 普光氣田集輸管網(wǎng)安全隱患分析

1.1 地質(zhì)災(zāi)害

普光氣田所處區(qū)域地形復(fù)雜，山巒連綿不斷，溝壑縱橫，雨季雨量大，河流分布廣，雨水流動(dòng)性大，常有泥石流、滑坡等山體自然災(zāi)害出現(xiàn)。近年來，山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行、管道沿線村民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成較大威脅。地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的典型缺陷有：①305集氣站下游滑坡；②普光23#跨越南側(cè)崩塌；③19#桁架往305方向水工保護(hù)開裂。

1.2 焊口缺陷

普光氣田集輸管道采用金屬粉芯氣體保護(hù)半自動(dòng)下向焊根焊(焊絲Metalloy71 φ1.2 mm，混合氣體為90% Ar和10% CO)、金屬粉芯氣體保護(hù)脈沖半自動(dòng)下向焊熱焊(焊絲Metalloy71 φ1.2 mm，混合氣體為90% Ar和10% CO)和低氫堿性焊條上向焊填充蓋面焊接工藝(焊條LB-52RC φ4.0 mm )。返修采用低氫堿性焊條(LB-78VS φ3.2 mm )上向焊根焊、低氫堿性焊條(LB-52RC φ4.0 mm )填充蓋面焊工藝。連頭采用與返修類似的焊接工藝。焊前預(yù)熱和焊后熱處理：焊接前把管口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的鋼管預(yù)熱至100～150 ℃，層間保溫，且不低于100 ℃，不高于200 ℃，焊后立即進(jìn)行2 h的250～350 ℃的消氫處理，最后作整個(gè)焊縫((620±20)℃的焊后消除應(yīng)力熱處理，如圖1所示。

圖1 焊后熱處理工藝

該管道采用的是GMAW和SMAW組合焊接方法，焊接工序繁瑣，焊接工作量大，質(zhì)量要求高，采用要求比較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730—2016《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收，每道焊工需要16 h左右才能完成。該焊接工藝對(duì)環(huán)境的要求也較為苛刻，空氣相對(duì)濕度應(yīng)不大于90%，風(fēng)速不大于2 m/s，在雨水多、空氣濕度大的川東北地區(qū)要做到這一點(diǎn)相當(dāng)困難。

此外，該焊接工藝要求無組對(duì)應(yīng)力，在連頭、死口處不產(chǎn)生組對(duì)應(yīng)力的要求也比較苛刻。焊接窗口比較窄，焊接工藝對(duì)管工和焊工的挑戰(zhàn)非常大。不等壁厚焊接容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，個(gè)別焊口成型較差。

1.3 管道腐蝕

集輸管道輸送介質(zhì)中常含有硫化氫、二氧化碳等腐蝕性物質(zhì)，在流動(dòng)死角等部位析出水，進(jìn)一步溶解腐蝕性物質(zhì)，進(jìn)而與管壁形成腐蝕原電池，易發(fā)生內(nèi)腐蝕等現(xiàn)象。外界中由于管道埋敷與地下，部分跨越管道裸露在大氣中，大巴山區(qū)空氣濕潤，土壤含水量也比較高，因此也會(huì)發(fā)生土壤電化學(xué)腐蝕等現(xiàn)象。

2 普光氣田集輸管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控措施

2.1 開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和排查

定期委托專業(yè)機(jī)構(gòu)開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)估。共評(píng)估出高易發(fā)區(qū)共3段，長2.486 km；中等易發(fā)區(qū)管線20段，長度45.6 km；低易發(fā)區(qū)13段，長度72.4 km。優(yōu)選了26處地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)，建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。除了委托專業(yè)機(jī)構(gòu)外，公司還組織各基層單位開展日常地質(zhì)災(zāi)害排查治理，排查管道堡坎損壞、露管等問題。

2.2 開展焊縫隱患排查和風(fēng)險(xiǎn)防控

普光氣田設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行資料數(shù)據(jù)量大，來源多，焊縫有數(shù)萬條，需要系統(tǒng)梳理和統(tǒng)計(jì)分析。從目前管道運(yùn)行情況看，焊縫隱患是影響管道運(yùn)行的主要因素之一。已經(jīng)開展了漏磁內(nèi)數(shù)據(jù)、外檢測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、焊縫的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊工作。開展了部分焊口的底片復(fù)評(píng)工作。評(píng)估環(huán)焊縫進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，篩選高風(fēng)險(xiǎn)焊口復(fù)測(cè)。

以3號(hào)酸氣管道1 200道焊口為例，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高的環(huán)焊縫信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共計(jì)30道。圖2為不同站間段高風(fēng)險(xiǎn)和較高風(fēng)險(xiǎn)焊口分布數(shù)量，其中303～302集氣站管段和301集氣站～末站管段的風(fēng)險(xiǎn)焊口數(shù)量較多。

圖2 不同站間段高風(fēng)險(xiǎn)和較高風(fēng)險(xiǎn)焊口分布

2.3 進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)和測(cè)試

對(duì)地質(zhì)載荷高發(fā)區(qū)管道和可能發(fā)生強(qiáng)力組對(duì)的連頭口等位置進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。管道總應(yīng)力由管道運(yùn)行中的工作應(yīng)力、管道自重和安裝等外界因素引起的彎曲應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力組成。重點(diǎn)選擇在上述因素具備的地方。目前常用的應(yīng)力測(cè)試方法有機(jī)械法、光測(cè)法、磁測(cè)法、衍射法、超聲法、布置應(yīng)變片方法、納米壓痕等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況采用了射線衍射法、納米壓痕法。

對(duì)管道整體敷設(shè)環(huán)境進(jìn)行高后果區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)識(shí)別，采用在管道本體上貼應(yīng)變片的方法對(duì)管道運(yùn)行期間進(jìn)行實(shí)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)?？梢栽诘谝粫r(shí)間獲得管道應(yīng)力變化值和趨勢(shì)，以便采取相應(yīng)的防控措施。

2.4 進(jìn)行腐蝕監(jiān)檢測(cè)

普光氣田地面集輸系統(tǒng)采用了多種不同的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立了完善的腐蝕監(jiān)測(cè)及控制體系。普光主體16座集氣站和集氣總站的腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括:腐蝕掛片、電阻探針、線性極化探針、數(shù)據(jù)采集器、控制和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(含數(shù)據(jù)分析軟件)以及帶壓取放器裝置等。腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確保了集輸管網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。從目前的運(yùn)行工況看，腐蝕已不構(gòu)成管道的主要威脅。

2.5 加注緩蝕劑保護(hù)

在井口采出和外輸處的原料氣中持續(xù)添加緩蝕劑，緩蝕劑通過與管道內(nèi)壁金屬表面作用形成一層薄薄的保護(hù)膜，保護(hù)膜緊緊附著于管道內(nèi)表面，從而阻止或減弱酸性腐蝕性介質(zhì)硫化氫和二氧化碳對(duì)管道內(nèi)壁的腐蝕；定期進(jìn)行清管和內(nèi)外腐蝕檢測(cè)。

2.6 做好管道巡線工作

普光氣田GPS巡檢管理信息系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的人工沿著管線、閥室巡查模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒀矙z人員的行蹤及巡線的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，通過系統(tǒng)可視化查詢、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡線工作的遠(yuǎn)程管理，對(duì)管道設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低成本，提高工作效率，縮減數(shù)據(jù)更新時(shí)間，保證輸氣安全。

3 存在的不足

目前雖然對(duì)管理的高含硫管道的完整性管理工作一直在進(jìn)行中，但還未建立普光氣田管道全生命周期的完整性平臺(tái)，僅有SCADA系統(tǒng)。普光氣田屬于大壁厚管道，目前的內(nèi)檢測(cè)器對(duì)大壁厚管道和面積型缺陷檢測(cè)能力不足，特別是對(duì)焊縫缺陷的定量檢測(cè)還沒有特別好的內(nèi)檢測(cè)儀器設(shè)備；現(xiàn)在國內(nèi)外學(xué)者對(duì)硫化氫泄漏擴(kuò)散已經(jīng)有一定的研究，但還沒有形成一套適用于西南地區(qū)當(dāng)?shù)氐牧蚧瘹湫孤U(kuò)散的安全指導(dǎo)手冊(cè)；普光氣田所處區(qū)域地形復(fù)雜，山巒連綿不斷，溝壑縱橫，全部采用人工巡線等，是一件非常耗費(fèi)人力、物力的工作，巡線人員也容易產(chǎn)生消極怠工的情緒，且效率也較低；管道應(yīng)力水平和應(yīng)力載荷類型對(duì)化物應(yīng)力腐蝕開裂的影響還需要進(jìn)一步研究，服役10年以上的高含硫管道焊縫性能的衰減情況還不清楚。

4 下一步工作建議

4.1 建立高含硫管道完整性管理工作平臺(tái)

架構(gòu)集成管道全生命周期數(shù)據(jù)的完整性管理平臺(tái)，提供智能分析和決策支持，用信息化手段實(shí)現(xiàn)管道的可視化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。開展基于大壁厚的漏磁檢測(cè)、超聲波檢測(cè)有效性研究。

4.2 制定硫化氫泄漏擴(kuò)散機(jī)理和防控措施

在基于國內(nèi)外學(xué)者研究的泄漏擴(kuò)散機(jī)理、擴(kuò)散范圍的基礎(chǔ)上，研究西南典型氣象條件下典型位置發(fā)生泄漏時(shí)不同HS 濃度的影響范圍，研究地形地貌對(duì)擴(kuò)散速度的影響，研究泄漏量對(duì)擴(kuò)散速度的影響，建立集輸管道的人員疏散最低要求，為氣田開發(fā)的安全決策提供科學(xué)依據(jù)；采用專人現(xiàn)場(chǎng)巡查、專業(yè)設(shè)備配合的方式，對(duì)管道沿線地區(qū)周邊環(huán)境及住戶情況進(jìn)行梳理和統(tǒng)計(jì)，識(shí)別高后果區(qū)并定期動(dòng)態(tài)進(jìn)行更新；對(duì)普光氣田的總體疏散能力進(jìn)行綜合評(píng)估。

4.3 開展設(shè)計(jì)圖、竣工圖與當(dāng)前地形地貌的一致性排查

普光氣田所處區(qū)域經(jīng)常發(fā)生的泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害，使得原本輔設(shè)的管道因時(shí)間、天氣等自然因素造成的管道敷設(shè)環(huán)境變化，需要由設(shè)計(jì)、施工單位進(jìn)行設(shè)計(jì)圖、竣工圖與當(dāng)前地形地貌的一致性排查，深入查找并及時(shí)排查隱患。地形地貌與設(shè)計(jì)有明顯變化、可能帶來不安全影響時(shí)，對(duì)彎頭不等壁厚管段以及前后直管段應(yīng)力集中部位進(jìn)行重點(diǎn)開挖檢測(cè)。

4.4 開展環(huán)焊縫失效機(jī)理研究

鋼質(zhì)管道輸送高含硫的天然氣介質(zhì)，管道環(huán)焊縫受到氫腐蝕等因素的影響對(duì)管道失效的作用不可忽視。還有管道環(huán)焊縫受硫化氫的作用是否隨時(shí)間的變化而加劇失效影響，還需要進(jìn)一步研究。評(píng)估外部載荷和缺陷尺寸耦合作用對(duì)管道運(yùn)行的影響，建立高含硫管道焊縫性能評(píng)估方法。結(jié)合已完成的慢拉伸應(yīng)力腐蝕數(shù)據(jù)及樣品，以及后續(xù)試驗(yàn)研究，對(duì)高含硫管道環(huán)焊縫氫致開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕敏感性進(jìn)行評(píng)估，確定其在環(huán)縫斷裂過程中的作用程度。

4.5 開發(fā)智能巡檢系統(tǒng)和無人機(jī)巡檢平臺(tái)

委托專業(yè)機(jī)構(gòu)開發(fā)無人機(jī)智能巡檢系統(tǒng)，搭載高清可見光相機(jī)、紅外相機(jī)等任務(wù)載荷，具有高精度定位、路徑自主規(guī)劃、全自動(dòng)飛行、異常自動(dòng)分析、數(shù)據(jù)庫管理等功能，對(duì)管道設(shè)施進(jìn)行全面巡檢，使巡檢過程智能、高效、安全。