普光气田集输管网系统安全运行实践

时间：2024-07-28

李国平

(中国石化中原油田普光分公司，四川达州 635000)

0 前言

普光气田是我国规模最大、丰度最高的特大型海相整装酸性气田，天然气高含硫化氢，属超深气藏，硫化氢含量15%以上，气藏平均压力55 MPa，硫化氢分压9.5 MPa，安全风险高。天然气中含硫化氢、单质硫、二氧化碳、氯离子，具有强腐蚀性，对管道材料的抗腐蚀性能要求极高。普光气田位于大巴山南缘，地形地貌复杂，给管道运行维护和应急救援造成很多不便。在普光气田生产运行过程中，始终保持高度警惕，构建双重预防机制，提升风险隐患防控能力，确保生产运行本质安全。到目前为止，普光气田安全平稳运行11年，形成了一系列关键核心技术和先进的管理经验。

1 普光气田集输管网安全隐患分析

1.1 地质灾害

普光气田所处区域地形复杂，山峦连绵不断，沟壑纵横，雨季雨量大，河流分布广，雨水流动性大，常有泥石流、滑坡等山体自然灾害出现。近年来，山体滑坡等地质灾害对集输管网系统的安全运行、管道沿线村民的生命财产安全构成较大威胁。地质调查发现的典型缺陷有：①305集气站下游滑坡；②普光23#跨越南侧崩塌；③19#桁架往305方向水工保护开裂。

1.2 焊口缺陷

普光气田集输管道采用金属粉芯气体保护半自动下向焊根焊(焊丝Metalloy71 φ1.2 mm，混合气体为90% Ar和10% CO)、金属粉芯气体保护脉冲半自动下向焊热焊(焊丝Metalloy71 φ1.2 mm，混合气体为90% Ar和10% CO)和低氢碱性焊条上向焊填充盖面焊接工艺(焊条LB-52RC φ4.0 mm )。返修采用低氢碱性焊条(LB-78VS φ3.2 mm )上向焊根焊、低氢碱性焊条(LB-52RC φ4.0 mm )填充盖面焊工艺。连头采用与返修类似的焊接工艺。焊前预热和焊后热处理：焊接前把管口两侧50 mm范围内的钢管预热至100～150 ℃，层间保温，且不低于100 ℃，不高于200 ℃，焊后立即进行2 h的250～350 ℃的消氢处理，最后作整个焊缝((620±20)℃的焊后消除应力热处理，如图1所示。

图1 焊后热处理工艺

该管道采用的是GMAW和SMAW组合焊接方法，焊接工序繁琐，焊接工作量大，质量要求高，采用要求比较严格的标准JB/T 4730—2016《承压设备无损检测》对焊接质量进行验收，每道焊工需要16 h左右才能完成。该焊接工艺对环境的要求也较为苛刻，空气相对湿度应不大于90%，风速不大于2 m/s，在雨水多、空气湿度大的川东北地区要做到这一点相当困难。

此外，该焊接工艺要求无组对应力，在连头、死口处不产生组对应力的要求也比较苛刻。焊接窗口比较窄，焊接工艺对管工和焊工的挑战非常大。不等壁厚焊接容易产生应力集中，个别焊口成型较差。

1.3 管道腐蚀

集输管道输送介质中常含有硫化氢、二氧化碳等腐蚀性物质，在流动死角等部位析出水，进一步溶解腐蚀性物质，进而与管壁形成腐蚀原电池，易发生内腐蚀等现象。外界中由于管道埋敷与地下，部分跨越管道裸露在大气中，大巴山区空气湿润，土壤含水量也比较高，因此也会发生土壤电化学腐蚀等现象。

2 普光气田集输管网风险防控措施

2.1 开展地质灾害调查和排查

定期委托专业机构开展地质灾害调查评估。共评估出高易发区共3段，长2.486 km；中等易发区管线20段，长度45.6 km；低易发区13段，长度72.4 km。优选了26处地质灾害监测点，建立地质灾害监测系统进行实时监测。除了委托专业机构外，公司还组织各基层单位开展日常地质灾害排查治理，排查管道堡坎损坏、露管等问题。

2.2 开展焊缝隐患排查和风险防控

普光气田设计、施工和运行资料数据量大，来源多，焊缝有数万条，需要系统梳理和统计分析。从目前管道运行情况看，焊缝隐患是影响管道运行的主要因素之一。已经开展了漏磁内数据、外检测数据、监测数据、施工数据、焊缝的无损检测数据对齐工作。开展了部分焊口的底片复评工作。评估环焊缝进行风险评估，筛选高风险焊口复测。

以3号酸气管道1 200道焊口为例，对风险等级为高的环焊缝信息进行统计，共计30道。图2为不同站间段高风险和较高风险焊口分布数量，其中303～302集气站管段和301集气站～末站管段的风险焊口数量较多。

图2 不同站间段高风险和较高风险焊口分布

2.3 进行应力应变监测和测试

对地质载荷高发区管道和可能发生强力组对的连头口等位置进行应力与应变的监测。管道总应力由管道运行中的工作应力、管道自重和安装等外界因素引起的弯曲应力、焊接残余应力组成。重点选择在上述因素具备的地方。目前常用的应力测试方法有机械法、光测法、磁测法、衍射法、超声法、布置应变片方法、纳米压痕等。根据现场实际工况采用了射线衍射法、纳米压痕法。

对管道整体敷设环境进行高后果区和应力集中区识别，采用在管道本体上贴应变片的方法对管道运行期间进行实时的应力应变监测。可以在第一时间获得管道应力变化值和趋势，以便采取相应的防控措施。

2.4 进行腐蚀监检测

普光气田地面集输系统采用了多种不同的腐蚀监测技术，建立了完善的腐蚀监测及控制体系。普光主体16座集气站和集气总站的腐蚀监测系统主要包括:腐蚀挂片、电阻探针、线性极化探针、数据采集器、控制和数据传输系统(含数据分析软件)以及带压取放器装置等。腐蚀监测系统确保了集输管网安全平稳运行。从目前的运行工况看，腐蚀已不构成管道的主要威胁。

2.5 加注缓蚀剂保护

在井口采出和外输处的原料气中持续添加缓蚀剂，缓蚀剂通过与管道内壁金属表面作用形成一层薄薄的保护膜，保护膜紧紧附着于管道内表面，从而阻止或减弱酸性腐蚀性介质硫化氢和二氧化碳对管道内壁的腐蚀；定期进行清管和内外腐蚀检测。

2.6 做好管道巡线工作

普光气田GPS巡检管理信息系统，将传统的人工沿着管线、阀室巡查模式转变为将巡检人员的行踪及巡线的动态数据实时上传，通过系统可视化查询、分析，实现对巡线工作的远程管理，对管道设施运行状态的实时监控，降低成本，提高工作效率，缩减数据更新时间，保证输气安全。

3 存在的不足

目前虽然对管理的高含硫管道的完整性管理工作一直在进行中，但还未建立普光气田管道全生命周期的完整性平台，仅有SCADA系统。普光气田属于大壁厚管道，目前的内检测器对大壁厚管道和面积型缺陷检测能力不足，特别是对焊缝缺陷的定量检测还没有特别好的内检测仪器设备；现在国内外学者对硫化氢泄漏扩散已经有一定的研究，但还没有形成一套适用于西南地区当地的硫化氢泄漏扩散的安全指导手册；普光气田所处区域地形复杂，山峦连绵不断，沟壑纵横，全部采用人工巡线等，是一件非常耗费人力、物力的工作，巡线人员也容易产生消极怠工的情绪，且效率也较低；管道应力水平和应力载荷类型对化物应力腐蚀开裂的影响还需要进一步研究，服役10年以上的高含硫管道焊缝性能的衰减情况还不清楚。

4 下一步工作建议

4.1 建立高含硫管道完整性管理工作平台

架构集成管道全生命周期数据的完整性管理平台，提供智能分析和决策支持，用信息化手段实现管道的可视化、网络化、智能化管理。开展基于大壁厚的漏磁检测、超声波检测有效性研究。

4.2 制定硫化氢泄漏扩散机理和防控措施

在基于国内外学者研究的泄漏扩散机理、扩散范围的基础上，研究西南典型气象条件下典型位置发生泄漏时不同HS 浓度的影响范围，研究地形地貌对扩散速度的影响，研究泄漏量对扩散速度的影响，建立集输管道的人员疏散最低要求，为气田开发的安全决策提供科学依据；采用专人现场巡查、专业设备配合的方式，对管道沿线地区周边环境及住户情况进行梳理和统计，识别高后果区并定期动态进行更新；对普光气田的总体疏散能力进行综合评估。

4.3 开展设计图、竣工图与当前地形地貌的一致性排查

普光气田所处区域经常发生的泥石流、山体滑坡等自然灾害，使得原本辅设的管道因时间、天气等自然因素造成的管道敷设环境变化，需要由设计、施工单位进行设计图、竣工图与当前地形地貌的一致性排查，深入查找并及时排查隐患。地形地貌与设计有明显变化、可能带来不安全影响时，对弯头不等壁厚管段以及前后直管段应力集中部位进行重点开挖检测。

4.4 开展环焊缝失效机理研究

钢质管道输送高含硫的天然气介质，管道环焊缝受到氢腐蚀等因素的影响对管道失效的作用不可忽视。还有管道环焊缝受硫化氢的作用是否随时间的变化而加剧失效影响，还需要进一步研究。评估外部载荷和缺陷尺寸耦合作用对管道运行的影响，建立高含硫管道焊缝性能评估方法。结合已完成的慢拉伸应力腐蚀数据及样品，以及后续试验研究，对高含硫管道环焊缝氢致开裂和硫化物应力腐蚀敏感性进行评估，确定其在环缝断裂过程中的作用程度。