安全視角下天然氣長輸管道穿越化工儲罐施工參數(shù)的優(yōu)化

馬燕，王飛

(陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

天然氣是重要的化工原料與能源物資，且呈現(xiàn)出不均勻分布的特征[1]。這使得我國對于天然氣長輸管道的建設(shè)需求相對較高。在建設(shè)與施工的過程中，天然氣管道必不可免的會出現(xiàn)與化工儲罐、化工廠交叉或穿越的情況，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)風(fēng)險。從安全的視角下對此類工程的可能隱患進(jìn)行分析，并對其施工中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化有助于保障化工儲罐安全，并降低天然氣長輸管道的安全隱患。

1 天然氣長輸管道特征及主要風(fēng)險

天然氣長輸管道通常需要穿越多個地區(qū)，輸送距離較長。為適應(yīng)此種需求，長輸管道為了提高輸送效率和減小輸送損失，通常采用較高的工作壓力，使得管道的自適應(yīng)性得到了強化。同時，由于天然氣具有易燃、易爆等特性，因此天然氣長輸管道在設(shè)計和施工過程中需嚴(yán)格遵守安全要求，確保管道系統(tǒng)的安全性。在具體的設(shè)計過程中，需遵循相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，如《石油天然氣管道保護法》等[2]。同時，管道建設(shè)還需進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘測和工程設(shè)計，確保管道的安全性和穩(wěn)定性。在管道材質(zhì)的選擇上，一般考慮管道的工作壓力、溫度、輸送介質(zhì)等要素。通常采用鋼管、聚乙烯管等材料，施工工藝則需滿足相關(guān)要求，如采用非開挖頂管施工技術(shù)等，減少地表破壞，降低安全風(fēng)險。

在施工實踐上，天然氣長輸管道穿越化工儲罐是重要的環(huán)節(jié)，一方面天然氣作為化工生產(chǎn)的重要原料，其終點往往需要與化工企業(yè)進(jìn)行對接，其間穿越化工儲罐較為常見；另一方面，長輸管道受限于管內(nèi)壓力，彎度不易過大，很難形成有效的路徑規(guī)避。在此種背景下，評估長輸管道的安全性時必須要將化工儲罐可能產(chǎn)生的影響納入考量。

近年來針對天然氣長輸管道的安全生產(chǎn)事故并不罕見，就其根本主要來源于圖1 所示的幾個方面。其中，來源于第三方的破壞(如施工、儲罐安全的連帶事故等)成為最為主要的風(fēng)險來源。施工中的材料缺陷與腐蝕也是造成長輸管道出現(xiàn)安全風(fēng)險的重要原因之一。

圖1 世界范圍2020 年以來天然氣長輸管道安全事故原因分類統(tǒng)計圖

2 天然氣管道穿越化工儲罐的安全風(fēng)險及影響因素

在天然氣長輸管道的安全評估中，必須要考慮化工儲罐對其可能造成的影響，具體可以按照影響來源將其分為三種：一是化工儲罐泄漏可能帶來的腐蝕風(fēng)險；二是化工儲罐爆炸可能帶來的震動風(fēng)險；三是化工儲罐重量帶來的過沉降風(fēng)險。

2.1 腐蝕風(fēng)險及影響因素

化工儲罐泄漏對天然氣管道的腐蝕是一個復(fù)雜的問題，涉及到多個方面。一方面，化工儲罐泄漏的物質(zhì)可能包括化學(xué)溶劑、腐蝕性氣體、污水等，這些物質(zhì)可能會對天然氣管道產(chǎn)生直接的腐蝕作用?；瘜W(xué)溶劑可能會對管道材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致管道壁厚減薄、產(chǎn)生裂紋甚至穿孔等損傷[3]。腐蝕性氣體可能通過與土壤氣溶膠的結(jié)合與天然氣管道尤其是金屬管道構(gòu)成微化學(xué)電池結(jié)構(gòu)，加速管道腐蝕；污水可能會對管道產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致管道局部穿孔等問題。除此之外，化工儲罐泄漏可能導(dǎo)致周圍環(huán)境的變化，如溫度、濕度、pH 值等變化，這些環(huán)境因素可能會對天然氣管道產(chǎn)生間接的腐蝕作用。溫度的升高可能會導(dǎo)致管道材料的機械性能下降，增加管道的變形和破裂的風(fēng)險；濕度的增加可能會促進(jìn)腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，加速管道的腐蝕速率；pH 值的改變可能會影響腐蝕反應(yīng)的速率和方向，導(dǎo)致管道的損傷。

腐蝕風(fēng)險產(chǎn)生的影響因素較為復(fù)雜，大致與泄漏物質(zhì)的性質(zhì)和濃度相關(guān)，同時也與環(huán)境條件及管道材料和防腐措施相關(guān)。管道材料的選擇和防腐措施的實施可以影響管道的耐腐蝕性能，不同材料和防腐措施對腐蝕風(fēng)險的抵抗能力不同。例如，不銹鋼管道比碳鋼管道具有更好的耐腐蝕性能，而涂層防腐可以有效地降低管道的腐蝕速率。

2.2 震動風(fēng)險及影響因素

化工儲罐爆炸及火災(zāi)對天然氣管道的安全造成嚴(yán)重的風(fēng)險隱患，此種風(fēng)險一方面表現(xiàn)為爆炸及火災(zāi)產(chǎn)生的沖擊波對管道的震動[4]?；薇盎馂?zāi)可能導(dǎo)致強烈的沖擊波，對周圍的天然氣管道產(chǎn)生機械沖擊和震動，可能導(dǎo)致管道的損傷和破裂。沖擊波的強度和傳播方向可能會對管道系統(tǒng)造成不同的影響?；薇盎馂?zāi)產(chǎn)生的火焰可能對周圍的天然氣管道產(chǎn)生加熱和燒蝕作用，導(dǎo)致管道材料的機械性能下降，產(chǎn)生變形、裂縫甚至熔化等問題。

化工罐體產(chǎn)生上述事故時，如果發(fā)生了對天然氣管道的擾動，將會進(jìn)一步擴大事故規(guī)模與后果。震動風(fēng)險的影響因素一般與管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接相關(guān)，如管道距離罐體的距離、深埋深度、抗震性能等。同時，事故的響應(yīng)時間也會影響震動風(fēng)險可能帶來后果的嚴(yán)重程度。如果應(yīng)急響應(yīng)時間過長，可能導(dǎo)致管道系統(tǒng)的長時間暴露在高溫、有毒有害氣體等環(huán)境中，增加管道損傷的風(fēng)險。

2.3 過沉降風(fēng)險及影響因素

化工罐體重量較大，相較于自然地面對于沉降更為敏感。天然氣管道在穿越的過程中會產(chǎn)生過沉降現(xiàn)象。過沉降現(xiàn)象一般包括了兩個方向，即穿越管道對罐體的影響以及罐體對穿越管道的影響。管道的穿越改變了局部的地質(zhì)條件，使得化工罐體受到土地沉降的影響更為明顯，容易導(dǎo)致罐體下沉或傾斜，進(jìn)而對罐體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，在化工罐體附近，可能還存在其他建筑物或基礎(chǔ)設(shè)施，如泵站、控制室等。如果土地發(fā)生沉降，這些建筑物也可能會發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損。尤其是部分需要經(jīng)地下穿越的天然氣管道，更是容易造成土壤空洞的出現(xiàn)，穿越施工過程中注入的水體也會改變土壤含水率與孔隙度等地質(zhì)指標(biāo)，破壞原有的支撐體系。值得注意的是，相較于化工儲罐而言，穿越管道往往改變的是一側(cè)的土壤結(jié)構(gòu)，更容易出現(xiàn)不均勻沉降，對于罐體的承壓結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。罐體對于管道同樣具有過沉降作用，罐體的重量會使得周圍土體具有向外的擠壓力，擠壓力對管道的抗壓性提出了更高的要求，也容易對管道的支撐、抗壓指標(biāo)等產(chǎn)生影響。

在實際的施工過程中，管道與儲罐之間的相對位置是最為主要的影響因素，儲罐自身的重量也對其過沉降問題的形成有明顯的作用。

3 基于安全視角下的施工參數(shù)優(yōu)化研究

為進(jìn)一步保障長輸管道在穿越化工罐體時的安全，在施工中應(yīng)該針對化工罐體可能造成的額外風(fēng)險隱患進(jìn)行評估，并從抗腐蝕、抗震以及抗沉降等方面進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從而保障管道的安全。

3.1 管道抗腐蝕性計算與參數(shù)優(yōu)化

針對管道的抗腐蝕性，一般可以采取腐蝕速率公式進(jìn)行計算，即在線性掃描下金屬損失的線性距離與表面積及時間乘積的比值。工程實踐中，則可以以最小二乘法為具體的構(gòu)建方式，綜合對包括管道材質(zhì)、涂層種類及厚度等指標(biāo)構(gòu)建有效的抗腐蝕性模型，具體如式(1)所示：

式中：y為響應(yīng)變量(即抗腐蝕性得分)；X為自變量矩陣；β為回歸系數(shù)向量；ε為誤差項；L(y,Xβ)為殘差平方和，即普通線性回歸的損失函數(shù)；λ是正則化參數(shù)，控制模型的復(fù)雜度和泛化能力；r為管道材質(zhì)變量值；h為管道厚度變量值；m抗腐蝕涂層種類變量值；i為抗腐蝕涂層厚度變量值；n為環(huán)境因素變量值。

在穿越化工罐體時，r、h、n均為定值，進(jìn)而抗腐蝕特性僅與管道表面的抗腐蝕涂層種類及厚度相關(guān)。在實際施工過程中，應(yīng)該考慮罐體承裝物的腐蝕特性及滲透比例，對涂層參數(shù)進(jìn)行求解。以化工生產(chǎn)中常見的HCl 為例，飽和HCl 的腐蝕系數(shù)為117 mm/a，將其帶入式(1)中，對不同抗腐蝕涂層的厚度進(jìn)行求解，可獲得優(yōu)化后的參數(shù)如表1 所示。

表1 不同抗腐蝕涂層的厚度參數(shù)統(tǒng)計表

3.2 管道抗震性計算與參數(shù)優(yōu)化

化學(xué)罐體對天然氣管道的震動影響主要表現(xiàn)在發(fā)生爆炸時的沖擊波。在計算中，一般以地震載荷進(jìn)行近似評估，同時該數(shù)值應(yīng)該小于管道內(nèi)強度，從而求得天然氣管道的安全震動范圍[5]。具體如式(2)所示。

式中：F為沖擊波載荷(N)；k為震動系數(shù)；A為沖擊波振幅(m/s2)；f為沖擊波頻率(Hz)；t為時間(s)；φ0 為相位角(°)；σ為管道的應(yīng)力(MPa)；P為管道內(nèi)壓力(MPa)；d為管道外徑(m)；t為管道壁厚(m)。

由式(2)中不難發(fā)現(xiàn)，化工罐體在爆炸的過程中能夠產(chǎn)生的沖擊波載荷與天然氣管道無關(guān)，僅與罐體強度、爆炸強度、罐體承載物化學(xué)特性等相關(guān)，在計算中應(yīng)該考慮其最大值。以天然氣儲罐為例，其在發(fā)生爆炸時產(chǎn)生的最大橫向沖擊波載荷為3.49×106N，天然氣管道內(nèi)壓力為5 MPa，管道外徑為762 mm，經(jīng)過式(2)可以計算求得，此時管道壁厚應(yīng)該為27.9 mm。這一厚度顯然高于常見的18～25 mm 壁厚，進(jìn)而在穿越段需要對其進(jìn)行強化加強，以保障特殊條件下的天然氣管道安全。

3.3 穿越罐體沉降方法

在過沉降計算中，一般采用有限元模型對罐體移位及應(yīng)力進(jìn)行計算，從而評估穿越管道與罐體之間的相互影響。

在實際工程中，多采用計算機進(jìn)行有限元分析的方式對具體的支撐系統(tǒng)進(jìn)行計算與優(yōu)化。一般通過合理的支撐結(jié)構(gòu)，如采用懸鏈線支撐、斜拉索支撐等，可以減少管道的振動和位移。在穿越段采用多功能支撐結(jié)構(gòu)，如帶有防震裝置、溫度補償裝置等，以提高支撐結(jié)構(gòu)的綜合性能[6]。

4 結(jié)語

天然氣長輸管道在部分工況下需要穿越化工罐體，這將對管道安全性造成額外的風(fēng)險。因此，文章在探討管道特征的基礎(chǔ)上對穿越管理的具體風(fēng)險及影響因素進(jìn)行分析，并對其中的腐蝕風(fēng)險、抗震風(fēng)險及過沉降風(fēng)險進(jìn)行計算與求解，給定案例下的參數(shù)優(yōu)化方案，為實際工況下的計算范式提供必要參考。