廣東化工2013年第10期www.gdchem.com第40卷總第252期天然氣集輸管線失效原因分析田甜(中煤科工集團重慶設計研究院,重慶400016)衡要天然氣是含有多種物質的混合物,在集輸過程中相當困難,對其輸送管線失效原因進行了深入的分析。天然氣集輸管線失效的形式主要有管線及設備堵塞,使得管輸效率降低甚至停輸;管線泄露不但會引起火災甚至爆炸,而且污染環(huán)境。結合管線在集輸中失效的形式,對失效原因進行合理的分析,以便減少經(jīng)濟損失。詞]天然氣;失效原因;蠕變破壞中圖分類號TQ文獻標識碼]A[文章編號1007-1865(2013)10-008402Analysis of Natural Gas Gathering and Transportation Pipelines FailureTianTian(China Coal Technology Engineering Group Chongqing Design Research Institute, Chongqing 400016, China)Abstract: Natural gas is a mixture that contains a variety of substances, the gathering and transportation is quite difficult. The paper conducted a compranalysis of pipeline failure. The main reasons for natural gas gathering and transportation pipelines failure is pipelines and equipment blocked, so that theof the pipeline to reduce or even shutdown. Pipeline leak will not only cause a fire or even an explosion, but also pollute the environment. In the paper,with the form of failure in transportation pipelines, and analysis the reasons in transportation, in order to reduce economic losses天然氣管道的輸送介質屬于易燃、易爆物質,介質中含有的在天然氣集輸管線中,各種腐蝕都存在。就起腐蝕機理來說,硫氧化碳、游離水、粉塵等雜質,使敷設的管道處于最大的腐蝕要數(shù)電化學腐蝕。金屬的電化學腐蝕的產(chǎn)生,是由于內外腐蝕條件,加上環(huán)境、地質、氣象和水文災害、管材及設計金屬與電解質溶液接觸時所形成的腐蝕原電池的電極反應的結缺陷、操作失誤乃至人為破壞等因素,管道的安全受到眾多因素果。當金屬與電解質接觸時,表面上電極電位不相同的兩個區(qū)域的威脅。對天然氣集輸管線進行系統(tǒng)的分析,找出失效的原因分別形成陰極區(qū)和陽極區(qū):陽極部分將失去電子而發(fā)生溶解,陰及時發(fā)現(xiàn)處理,以便減少經(jīng)濟損失。下面對其分類進行系統(tǒng)分析。極部分只起傳遞電子的作用而并不腐蝕。金屬的電化學腐蝕絕大1失效主要因素多數(shù)是金屬同水溶液相接觸時發(fā)生的腐蝕過程。水溶液中除了其它離子外,總是存在H+和OH一離子。這兩種離子含量的多少由天然氣集輸管線失效的主要因素大致可以分為:管道直接破壞因素,污垢及天然氣水合物因素,設計工藝與施工缺陷因素,液的pH值表示。金屬在水溶液中的穩(wěn)定性不但與它的電極電集輸設備與設施因素,安全附件因素,人員及安全管理因素,環(huán)位有關,還與水溶液的pH有關1.1.2韌性破壞境因素1.1管線直接破壞因素韌性破壞是指管道壁承受過高的應力,達到了器壁材料的強1.1.1腐蝕破壞度極限,從而發(fā)生斷裂破壞。在外力作用下引起變形和破壞的過程大致可以分為彈性變形階段、塑性變形階段和斷裂階段。這種腐蝕是指材料與其所處境介質之間發(fā)生作用而引起材料變破壞將直接導致管線斷裂而失效,是非常危險的氫、二氧化碳的酸性氣體,它們在與水結合后就會產(chǎn)生酸,同時產(chǎn)生韌性破壞的原因:管道的韌性破壞只有在管壁整個界面也在物理因素(應力,振動,壓力)的結合下,對管線進行內腐蝕上材料都處于屈服狀態(tài)下才會發(fā)生。主要原因有管道超壓運行另外,管線在大氣自然環(huán)境下也會發(fā)生析氫析氧腐蝕,對管線進材料選型不合格,維護保養(yǎng)不當。行外部腐蝕,使管線發(fā)生泄漏。主要表現(xiàn)為腐蝕穿孔,應力開裂1.3脆性破壞脆性破壞是指管道在破裂時沒有顯著的塑性變形目前天然氣集輸管線及其附屬設備主要都是金屬制造,金屬壁的壓力也遠遠小于材料的強度極限,有的甚至還低于腐蝕占主要的部分。按照金屬腐蝕分類,腐蝕可以分為服極限。其特征是脆性破壞時,無明顯外觀變化和預兆(1)按腐蝕機理:物理腐蝕,化學腐蝕,電化學腐蝕無變薄。但是發(fā)生脆性斷裂時,速度極快,高達1800ms。脆性破壞的原因主要有兩個。一是溫度的影響。鋼管在低溫(3)腐蝕破壞形態(tài):均勻腐蝕全面腐蝕),局部腐蝕(電偶腐蝕下或一定溫度范圍內,它的沖擊韌性將急劇下降。二是裂紋的影孔蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕、縫隙腐蝕等),斷裂腐蝕(應力腐峰值,且應力狀態(tài)也發(fā)生變化,變?yōu)槿蚶鞈?。此時強度將按照材料腐蝕分類,腐蝕可以分為:大大的降低,裂紋缺陷尺寸達到一定值后,極易發(fā)生脆性斷裂。1.14疲勞破壞金屬材料/黑色金屬(鋼、鑄鐵)化學腐蝕疲勞破壞是指管壁在反復加壓和泄壓過程中受到的交變載荷有色金屬(鋁、銅等非鐵基材料)電化學腐蝕的長期作用,沒有經(jīng)過明顯的塑性變形而導致斷裂的一種破壞形式。疲勞破壞是導致的斷裂是突然發(fā)生的,因此具有很大的危險無機非金屬材料水泥一化學腐蝕(酸、堿)傳統(tǒng)硅酸鹽材料)玻璃耐火材料其破壞特征是破壞時沒有明顯的塑性變形。一般是疲勞裂紋化學腐蝕(紫外線、溫度穿透管線發(fā)生泄漏失效。其破壞原因可以分為內部因素:管線中有機高分子材料塑料,橡膠、一濕氣,臭氧射線輻射)存在局部高應力(如接管,轉角及其他幾何形狀不連續(xù)處,在焊縫物理腐蝕(溶解、溶脹、滲附近以及缺陷處會應力集中),其峰值應力會超過材料的屈服極限透、環(huán)境應力開裂)隨著載荷的周期性變化,該部位將會產(chǎn)生很大應力變化。外部因復合材料璃鋼、鋼塑復各一蜀有的法、理素:管線存在著反復交變載荷,這種形式是變化幅度較大的非對(龐大的材料體系)藝等手段進行設計和控制,以稱循環(huán)載荷最大限度滿足使用性能要求和1.1.5蠕變破壞中國煤化工環(huán)境條件要求金屬材料在變化,晶粒長大珠光體和某些合CNMH鋼中碳化物還能析出石墨等,有時能出現(xiàn)蝻曼晶間廾裂或疏松微孔[收稿日期]2013-04-16[作者簡介田甜(1982-),女,工程師,本科,主要從事城市燃氣、油氣儲運及天然氣相關專業(yè)的設計工作。2013年第10期廣東化工第40卷總第252期www.gachem.com85針對集輸管線,有的閥門和壓力容器承載溫度高于某一限度加熱爐結構設計不合理或存在制造缺陷,特別是對于各熱脹及時應力低于屈服極限,容器材料也會發(fā)生緩慢的塑性變形冷縮部件的設計考慮不充分,或制造過程中被限制變形,在運行這種塑性變形經(jīng)過長期積累,最終會導致破壞,這就是蠕變破壞。時可能造成開裂或損壞。加熱管在加工制造時被損壞,或其與管1.2污垢及天然氣水合物因素板焊接存在缺陷,在壓力載荷、熱載荷或腐蝕條件下,焊縫及管件下,天然氣中的某些組分和液態(tài)水形成一種白色結晶固體,外于露點溫度時的水蒸氣與積灰中的二氧化硫、三氧化硫等腐蝕管合物的形成使輸氣管道和設備阻塞,使天然氣集輸管線失效能點火裝置和自動熄火保護裝置,這些聯(lián)鎖控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障水合物形成的條件極易引起事故。加熱爐結構不合理、爐管偏流造成爐管局部過熱,(1)天然氣的含水量處于飽和狀態(tài)將爐管燒穿,引起大火。燃料油閥門關閉不嚴,爐膛內有油氣(2)壓力和溫度。當天然氣處于足夠高的壓力和足夠低的溫度重新點爐時,未按規(guī)定程序進行通風吹掃,造成加熱爐內油氣爆時,水合物才能形成。炸起火。加熱爐操作不當,或發(fā)生事故后判斷失誤,容易造成爆(3)流動條件突變。在滿足上述以上兩個條件時,水合物的形炸事故成還需要一些輔助條天然氣的波動,氣體因流向的突變而145電氣設施危險有害因素產(chǎn)生攪動,以及晶種的存在等(1)危險區(qū)域分級不準確,防爆電氣設施等級確定錯誤1.3設計工藝與施工缺陷因素管線的走向、長短和通過的難易程度對整條管線的投資、施身Q)電氣設施防爆性能或等級達不到產(chǎn)品標準要求:電氣設施都符合要求,但系統(tǒng)連接后,可能整體防爆性能不能滿足工工、運行安全都有很大的影響。設計中還應該注意站場選址及與況要求;對已具有防爆性能的電氣設備、照明設備等進行改裝、建筑物的布局、消防配套設施維護或修理后未經(jīng)防爆性能檢測就投入使用。工藝流程設置合理,設備選型恰當,系統(tǒng)運行就會平穩(wěn)運行(3)電氣設備發(fā)生短路、漏電或過負荷等故障時,將產(chǎn)生電弧、然而設備選型是在水力、熱力、壓力等計算后得出來的,因此必電火花、高熱。須對工藝有相當高的要求(4)電動機使用、維護不良,會引起著火事故。主要原因有:在管線強度計算時,對管線的受力載荷分析不當,強度設計電動機超負荷運行;在檢修時,金屬物體等雜物混入電動機或絕系數(shù)取值有誤,將使計算結果及管材、壁厚的選用不當,這在運緣受損、繞組受潮,以及遇高壓電將絕緣擊穿等:電動機各行過程中非常容易出現(xiàn)泄漏、爆炸等事故吲。處接觸不良:三相電動機單相運行:電動機接地不良,電動機外集輸管線焊縫處可以產(chǎn)生各種缺陷,常見的有裂紋、夾渣殼可能帶電,造成人員觸電傷亡事故。未熔透、焊瘤、氣孔和咬邊等(5)電氣線路短路、過載及接觸電阻過大都會導致電火花及電鋼管在現(xiàn)場焊接連接以后,未防腐的焊接部位需要進行補口?；〉漠a(chǎn)生,從而引發(fā)火災事故。主要原因有:導線接頭不牢固、在施工過程中,由于各種原因造成鋼管內外表面的防腐層損壞,接觸不良,導致發(fā)熱,引燃導線的可燃物質及周圍的可燃物質;特別是外防腐層需要進行補傷。若補口補傷出現(xiàn)問題,將降低管電流超過額定電流值,溫度升高,加速導線絕緣材料的老化線腐蝕性能至損壞,從而造成短路產(chǎn)生火花或電弧;電氣線路因意外情況導若管溝開挖深度或穿越深度不夠,基礎不實,回填壓實時,致兩相相碰而發(fā)生短路,產(chǎn)生瞬間放電將會造成管線向下彎曲變形。若是地下水位較高而未及時排水,(6)防雷、防靜電裝置的位置、連接方法不正確:避雷、除靜會使底部懸空,容易造成拱形變形。土質不合理,可能刮傷防腐電裝置故障;防雷、防靜電裝置質量差或維護不當。層。總的來高度、夯實程度。深埋深度,管溝基礎不牢1.5安全附件因素等都是應該注意的問題(1)全閥、溫度測量儀表、壓力表、緊急切斷裝置等安全附件14集輸設備與設施因素存在制造質量問題或出現(xiàn)故障失效14.1管子、管件危險有害因素(2)溫度、壓力、流量等控制系統(tǒng)硬件設備選型不當、質量存目前,考慮到成本因素,國內輸氣管線大部分都采用螺旋縫在問題或控制用軟件不適合工藝要求,則有可能造成超壓、超溫埋弧焊鋼管。這種鋼管焊縫長度較長,焊縫產(chǎn)生缺陷的概率高捍泄漏等事故?？p受力情況復雜,內壁存在較大的拉應力;并且?guī)缀纬叽绮环€(wěn)定,1.6人員及安全管理因素裝配、焊接后易形成錯邊、棱角等在運行過程中受壓力、熱應力1.6.1違章作業(yè)等載荷作用,加上管道內部介質和外部土壤的腐蝕,將造成腐蝕違章作業(yè)包括違章指揮、違章操作、操作錯誤等。主要表現(xiàn)或應力腐蝕、疲勞或腐蝕疲勞等失效彎頭等管件受介質沖刷、熱為:(1)違章動火;(2)違章電操作;(3)違章開關閥門;(4)輸送泵脹冷縮產(chǎn)生變形而可能產(chǎn)生事故隱患。因此,在運行過程中,管壓縮機組操作違章;(5)檢修、搶修操作違章;(6)違章充裝。線內外部嚴重腐蝕;油溫或氣溫突然變化,管線急劇膨脹或收縮:16,2安全管理不規(guī)范管線受外力壓軋、打擊等,都將造成事故主要包括:(1)安全管理制度不完善:(2)安全管理資料不詳盡14.2閥門、法蘭、墊片及緊固件危險有害因素或資料遺失:(3)安全管理法規(guī)的宣傳和執(zhí)行不力;(4)安全意識薄(1)材料、壓力等級選用或使用錯誤。(2)制造尺寸、精度等不能滿足實際要求1.6.3定期檢驗困難(3)閥門密封失效免或4自動控制等閥門的控制系統(tǒng)失靈,手動操作閥門的閥桿銹設備、手段相對落后:(4)安全狀況評定難度大:()檢驗人員缺乏經(jīng)驗(5)管道布置不合理,造成附加應力或出現(xiàn)振動。1.64職業(yè)安全健康因素6)使用過程中閥門誤動作、閥門限位開關失靈、閥門故障等,主要包括噪聲、高溫、低溫等。噪聲環(huán)境中工作缺乏防護措未按要求進行檢驗、維護等施,可引起聽覺疲勞,長期無防護地在強烈噪聲環(huán)境中持續(xù)工作,14.3泵與壓縮機危險有害因素聽力損失逐漸加重,甚至不能恢復。在高溫作業(yè)環(huán)境下,人體通往復式泵具有效率高、使用前不需要加油、液體黏度對泵的過呼吸、出汗及體表血管的擴張向外散熱。若人體產(chǎn)生熱量大于工作性能影響不大等優(yōu)點,但常造成液流波動,這種液流脈動作散熱量時,人體產(chǎn)生熱蓄積,促使呼吸和心率加快,皮膚表面血用在管道內形成一種不穩(wěn)定流狀態(tài)。當系統(tǒng)開(關)閥門或停泵等管的血流量增加。在低溫條件下,可以出現(xiàn)痛覺遲鈍和嗜睡狀態(tài),操作時,這種不穩(wěn)定液流在管道內產(chǎn)生壓力波動,嚴重時形成水人體長期處于低溫環(huán)境,還會導致循環(huán)血量、白細胞、血小板減擊,造成系統(tǒng)超壓、管道及設備、設施損壞。離心式泵具有操作簡單、液流無波動、工作狀況易于調節(jié)、引起風濕痛、神經(jīng)炎以及肢體、面部外露部位的凍傷,影響人體易于自動化等優(yōu)點。但在泵入口處液體壓力過低的情況下,會發(fā)肢的操作靈活性。當作業(yè)人員接觸到設備極低溫度部位時,將生汽蝕現(xiàn)象,表現(xiàn)為泵體產(chǎn)生噪聲和振動,嚴重時會使泵葉片遭造成嚴重的低溫凍傷事故受“剝蝕”,導致?lián)P程下降,效率降低,設備基礎螺栓松動及管道這些因素將通過對操作人員間接的對設備和管線造成影響,與設備連接處損壞使得管線失效。離心式壓縮機效率低,而且偏離工作點越遠,效率越低:當中國煤化工流量降至某一數(shù)值時會發(fā)生喘振現(xiàn)象。喘振發(fā)生時機組激烈振并伴隨著異常的吼叫聲,管道和儀表也隨之振動。嚴重的喘振會CNMHG(下轉第83頁)破壞壓縮機的密封系統(tǒng),損壞止推軸承,葉輪有可能被打壞,造成嚴重的事故144加熱爐危險有害因素2013年第10期廣東化工第40卷總第252期www.gdchem.com2系統(tǒng)存在的問題3改進措施(1)送洗氨廢水量不易控制。此工藝將廢水自動調節(jié)閥安裝到(1)穩(wěn)定洗氨廢水量。將廢水自動調節(jié)閥安裝到送酚氰污水處送洗氨的廢水管道上,而送酚氰污水處理站的廢水用手動調節(jié)理站的廢水管道上,流量計安裝到送洗氨的廢水管道上,實現(xiàn)利在進蒸氨塔原料氨水量波動時,經(jīng)常造成送洗氨的廢水量波動用自動調節(jié)閥的開度大小來控制送酚氰污水處理站的廢水量而穩(wěn)影響洗氨效果定洗氨的廢水流量,達到了送洗氨廢水量穩(wěn)定在35mh的要求。溫較低,在冬季通過廢水冷卻器一段冷卻后的廢水經(jīng)均和池配水完熱后的廢水管道上接旁通引到送酚氰污水處理站的廢水管道稀釋后,不能滿足酚氰污水處理站細菌繁殖所需的溫度25-32℃,上,進入冬季生產(chǎn)時將此管道稍開與廢水需通過蒸汽加熱,不但浪費資源又增大成本消耗。水共同送到酚氰污水處理站,使均和池配水后的溫度有2025℃(3)分縮器冷卻水經(jīng)常翻液,溫度波動大84-96℃。由于分縮提高到了30-32℃,不但解決了廢水溫度偏低的現(xiàn)象,且節(jié)約了器冷卻水退水管道落差大,當冷卻水進水量增大時,管道內水發(fā)資源又降低了成本消耗。生分縮器經(jīng)常翻平均每班發(fā)生2-3次。(3)加裝排汽放散管,解決分縮器翻液。在分縮器原有冷卻水管道上加裝20m高DN80的放散管(保持常開),解決了退水(4)蒸氨塔頂壓力波動大14-30kPa。由于氨氣經(jīng)分縮器冷卻管道產(chǎn)生氣阻的現(xiàn)象,保證了冷卻水退水的暢通,溫度可穩(wěn)定在濃縮后還帶有冷凝液,而入氨分解爐的氨氣管道有一段U型彎87~90℃,使用6個月以來再未發(fā)生過翻液現(xiàn)象冷凝液易積在管道內,造成氨氣通行不暢而引起蒸氨塔頂壓力波(4)加裝水封排液裝置,保證入爐氨氣管道暢通,解決冷凝液動,波動范圍較大在14-30kPa被帶入氨分解爐的問題。由于蒸氨塔頂部壓力波動范圍在1430(5)氨分解爐爐膛溫度和催化床溫度波動大。氨氣經(jīng)分縮器冷kPa,根據(jù)管道水封高度的計算要求,按最大壓力30kPa來計算造成入爐氨氣量忽大忽小,且?guī)в欣淠M入氨分解爐,造成催水封高度:30000化床溫度波動大750~10℃,為了穩(wěn)定催化床溫度而經(jīng)常造成煤h氣流量調節(jié)閥大范圍調節(jié),使得爐膛溫度也隨之波動,氨氣平均p×g1000×98每周放散2-4次按工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程要求,水封高度為最高工作壓力的液進Q轟分解爐到炒熱速溫熱想上或熱電包帶有5倍,所以取水封高度h=3×1.5=4.5m。水封加裝好后,要求班組操作人員加強對水封的操作及維護,每兩小時對水封排液情況平均每兩月就要更換一次進行檢査,確保管道內冷凝液及時排除,保證氨氣管道暢通。表12012年6月蒸氨、氨分解數(shù)據(jù)on data in June 2012項目原料氨水處理蒸氨塔頂部蒸氨塔頂壓分縮器頂部廢水含揮發(fā)氨廢水含全氨催化床溫量(m3h)溫度/℃力/Pa溫度/℃mg, L)(mgL)度r平均值7.515045最小值1786最大值100244.64結論全氨達到了小于200mgL以下通過以上措施的實施,取得了明顯的效果。滿足了洗氨所需廢水量的穩(wěn)定和送酚氰污水處理站廢水溫度的保證。最為明顯的參考文獻是分縮器以前每班都發(fā)生2-3次的翻液,經(jīng)改造后半年以來的運[李忠順.化產(chǎn)工藝學[M]河北:冶金工業(yè)出版社,1992行中未發(fā)生過翻液現(xiàn)象。由表1中數(shù)據(jù)可以看出,經(jīng)對蒸氨、氨[2]張弓,蘭州化學工業(yè)公司化工學校等合編,化工原理[M]北京:化學分解工藝設備優(yōu)化改造后蒸氨塔頂部壓力可以穩(wěn)定在17~20kPa工業(yè)出版社,1980氨分解爐催化床溫度穩(wěn)定在了940-1080℃,氨氣可以完全入爐分3]肖瑞華.煉焦化學產(chǎn)品生產(chǎn)技術問答M]北京:冶金工業(yè)出版社,2008解,沒有出現(xiàn)過由于溫度的異常而放散:氨分解爐爐膛測溫熱電偶有以前的一個月或兩個月就損壞一只,而經(jīng)改造后運行半年以(本文文獻格式:王紅領.蒸氨、氨分解工藝設備優(yōu)化改造[].廣來未更換過。通過現(xiàn)場的跟蹤經(jīng)優(yōu)化改造以來洗氨、蒸氨、氨分東化工,2013,40(10):82-83)解系統(tǒng)運行平穩(wěn),氨汽入爐率大于99%以上,送生物脫酚廢水含(上接第85頁)1.7環(huán)境因素原因。針對失效的形式,需要對失效原因進行合理的分析。發(fā)現(xiàn)1.7.1自然環(huán)境危險有害因素失效的主要因素類別,及時進行處理,以便減少經(jīng)濟損失。主要包括:(1)地震:(2)滑坡、崩塌;(3)地面沉降;(4)臺風(5)雷電:(6)低溫;(7洪水。這些可以直接怕壞天然氣管道的正常穩(wěn)定狀態(tài),從而導致管線直接或者間接地出現(xiàn)損毀,斷裂,泄露。參考文獻1.7.2社會環(huán)境危險有害因素[]劉鐵嶺,王晗,苗振寶.集輸作業(yè)人員HSE培訓教材M].北京:中國主要包括:(1)無意破壞:在管道附近甚至管道上修建公路石化出版社,2009房屋、建(構)筑物等設施,或進行開挖溝渠、打井等作業(yè),造成[2]楊筱蘅.油氣管道安全工程M]北京:中國石化出版社,2005嚴重占壓埋地管道,增加管道的負荷,破壞了管道的恒壓狀態(tài)3]彭春波,薛傳華,石油天然氣長輸管道腐蝕檢測修復及防范探討[長(2)有意破壞:盜、扒管道防腐層、儀器儀表、閥門或附屬設施江大學學報,2010,7(2):237-239在管道上開孔盜油、盜氣,或者人為蓄意破壞管線設施等。[4]方東曉.影響天然氣管道安全的危害因素分析及對策探討[門上海煤氣2結論集輸管線失效的形式主要有管線及設備堵塞,使得管輸效率文獻格式:田甜.天然氣集輸管線失效原因分析[].廣東降低甚至停輸;管線泄露爆炸產(chǎn)生火災,污染環(huán)境,直接停產(chǎn)使2013,4其影響是很大的,不僅造成巨大財產(chǎn)損失,而且可能危害到生態(tài)中國煤化工環(huán)境。所以必須對天然氣集輸管線進行系統(tǒng)的分析,找出失效的CNMHG