天然氣管道技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢徐鳴

1、 天然氣管道技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 德州管理處安平站：徐鳴 自20 世紀(jì)70 年代以來，世界上新開發(fā)的大型氣田多遠(yuǎn)離消費(fèi)中心。同時，國際天然氣貿(mào)易量的增加，促使全球輸氣管道的建設(shè)向長運(yùn)距、大管徑和高壓力方向發(fā)展。1990 年，前蘇聯(lián)的天然氣管道的平均運(yùn)距達(dá)到2 698 km。世界大型輸氣管道的直徑大都在1 000 mm 以上。到1993 年，俄羅斯直徑1 000 mm以上的管道約占63%，其中最大直徑為1 420 mm 的管道占34.7%。西歐國家管道最大直徑為1 219 mm，如著名的阿意管道等。干線輸氣管道的壓力等級20 世紀(jì)70 年代為68 MPa；80 年代為810 MPa；90 年代為1

2、012MPa。2000 年建成的Alliance 管道壓力為12 MPa、管徑為914 mm、長度為3 000 km，采用富氣輸送工藝，是一條公認(rèn)的代表當(dāng)代水平的輸氣管道 一、事例 隨著世界對天然氣這種優(yōu)質(zhì)清潔能源和燃料需求量的不斷增長和大批邊遠(yuǎn)氣田的開發(fā) ,2 0世紀(jì) 70年代以來 ,世界天然氣長輸管道得到了迅速發(fā)展 ,天然氣長輸技術(shù)水平得到了很大提高。近 2 0多年來 ,我國天然氣長輸技術(shù)也有很大的發(fā)展 ,有的已達(dá)到了世界先進(jìn)水平 ,但很多方面與世界先進(jìn)水平還存在不同程度的差距?！拔鳉鈻|輸”工程建設(shè)是我國實施西部大開發(fā)的重大舉措 ,它為進(jìn)一步發(fā)展我國的天然氣長輸管道和進(jìn)一步提高我國的天然氣

3、長輸技術(shù)水平提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。了解當(dāng)前世界天然氣長輸技術(shù)水平及其發(fā)展趨勢 ,對高質(zhì)量高水平建設(shè)好“西氣東輸”工程 ,使我國天然氣長輸技術(shù)全面趕超世界先進(jìn)水平 ,無疑是大有裨益的。 國外油氣管道的建設(shè)速度越來越快,經(jīng)濟(jì)效益越來越高,尤以前蘇聯(lián)最為突出。前蘇聯(lián)1950-1990年的40年間,輸氣管道總長度增加了近100倍,70、80年代共建輸氣管道14萬km。80年模塊化施工技術(shù)。至90年代初,油氣田地面設(shè)施的模塊化施工程度已達(dá)到100%;各類裝置模塊化設(shè)計全部實現(xiàn)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。 閃光對焊工藝。這是在大口徑管子焊接領(lǐng)域中獨一無二的創(chuàng)舉,也是金屬焊接工藝的一次飛躍。在惡劣的氣候條件下,

4、一道直徑為1420mm、壁厚19mm的管口,不需要任何填充材料就可以在3min內(nèi)確保質(zhì)量地焊接成功。這是以前任何焊接方法都無法實現(xiàn)的。先進(jìn)的移動式預(yù)制廠。這種預(yù)制廠可以在施工現(xiàn)場對管子進(jìn)行防腐絕緣加工和管子進(jìn)行雙連焊、三連焊加工,使施工速度大大提高。美國在阿拉斯加管道和伊朗一條沙漠輸氣管建設(shè)中,也采用了這種施工工藝。先進(jìn)機(jī)械化施工裝備。包括高速焊接機(jī)組、系列挖溝機(jī)、系列冷彎彎管機(jī)、系列吊管機(jī)、特重型運(yùn)管機(jī)、履帶式越野沼澤運(yùn)輸車等，這些也僅僅是在八十年代帶的時候。80代,年均鋪管近1萬km,占世界年鋪管總長度的1/3,而主要是1220-1420mm直徑的輸氣管道。1988年,實際建成的天然氣管道

5、達(dá)111萬km。如果把管道長度按輸送能力折算成可比條件,前蘇聯(lián)一年建成的管道相當(dāng)于美國的2-3倍,約等于全世界(蘇聯(lián)除外)的總和。2、 國外天然氣管道在計量技術(shù)、泄漏檢測和儲存技術(shù)等方面取得了一些新進(jìn)展（1）天然氣的熱值計量技術(shù)20 世紀(jì)80 年代以后，熱值計量技術(shù)的應(yīng)用在西歐和北美日益普遍，已成為當(dāng)今天然氣計量技術(shù)的發(fā)展方向。天然氣熱值計量比體積和質(zhì)量計量更為科學(xué)和公平，由于天然氣成分比較穩(wěn)定，按熱值計價可以體現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價。天然氣熱值的測定方法有兩種：直接測定法和間接計算法。近幾年，天然氣熱值的直接測量技術(shù)發(fā)展較快，特別是在自動化、連續(xù)性、精確度等方面有了很大提高。（2）天然氣管道泄漏檢測技術(shù)

6、紅外輻射探測器目前，美國天然氣研究所（GRI）正在進(jìn)行以激光為基礎(chǔ)的遙感檢漏技術(shù)研究，該方法是利用紅外光譜（IR）吸收甲烷的特性來探測天然氣的泄漏。該遙感系統(tǒng)由紅外光譜接收器和車載式檢測器組成，能在遠(yuǎn)距離對氣體泄漏的熱柱進(jìn)行大面積快速掃描?，F(xiàn)場試驗表明，檢漏效率比舊方法提高50%以上，且費(fèi)用大幅度下降。（3）天然氣管道減阻劑（DRA）的研究應(yīng)用 美國Chevron 石油技術(shù)公司（ ChevronPetroleum Technology Co）在墨西哥灣一條長8 km、.152mm 的輸氣管道上進(jìn)行了天然氣減阻劑（DRA）的現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明，可提高輸量10%15%，最高壓力下降達(dá)20%。這種減

7、阻劑的主要化學(xué)成分是聚酰胺基，通過注入系統(tǒng)，定期地按一定濃度將減阻劑注入到天然氣管道中，減阻劑可在管道的內(nèi)表面形成一種光滑的保護(hù)膜；這層薄膜能夠顯著降低輸送摩阻，同時還有一定的防腐作用。（4）天然氣儲存技術(shù)從商業(yè)利益考慮，國外管道公司非常重視使大型儲氣庫墊底氣最少化的技術(shù)研究。目前，正在研究應(yīng)用一種低揮發(fā)性且廉價的氣體作為“工作氣體”來充當(dāng)儲氣庫的墊底氣。（5）管道運(yùn)行仿真技術(shù) 管道在線仿真系統(tǒng)的應(yīng)用可有效地提高管道運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。管道計算機(jī)應(yīng)用表現(xiàn)在3 個方面：管道測繪及地理信息系統(tǒng)、管道操作優(yōu)化管理模型和天然氣運(yùn)銷集成控制系統(tǒng)。仿真技術(shù)在長輸管道上的應(yīng)用不僅優(yōu)化了管道的設(shè)計、運(yùn)行管理

8、，而且為管輸企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國外長輸管道仿真系統(tǒng)主要分為3 種類型：一是用于油氣管道的優(yōu)化設(shè)計、方案優(yōu)選；二是用于運(yùn)行操作人員的培訓(xùn)；三是管道的在線運(yùn)營管理。如美國最大的天然氣管道公司之一的Williams 管道公司，采用計算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在不影響正常工作的情況下即可完成對一線工人的上崗培訓(xùn)，大大縮短了培訓(xùn)時間，節(jié)約大量費(fèi)用，比傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式提高效率約50%。（6）GIS 技術(shù)在管道中的應(yīng)用 隨著管道工業(yè)自動化的發(fā)展，GIS（地理信息系統(tǒng)）在長輸管道中得到了日益廣泛的應(yīng)用。它融合了管道原有的SCADA 系統(tǒng)自動控制功能，美國、挪威、丹麥等國家的管道普遍使用GIS 技術(shù)。目前，該技

9、術(shù)已實現(xiàn)地理信息、數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存和作圖統(tǒng)一作業(yè)，可為管道的勘測、設(shè)計、施工、投產(chǎn)運(yùn)行、管理監(jiān)測、防腐等各階段提供資料。三、技術(shù)發(fā)展趨勢（1）高壓力輸氣與高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度管材的組合是新建管道發(fā)展的最主要趨勢 高壓氣管道是指運(yùn)行壓力在1015 MPa 之間的陸上天然氣管道。根據(jù)專家研究成果，年輸量在10億立方米以上時，采用高壓輸氣可節(jié)省運(yùn)輸成本。當(dāng)運(yùn)輸距離為5 000 km、年輸量在1530億立方米之間時，采用高壓輸氣比傳統(tǒng)運(yùn)輸方式可節(jié)約運(yùn)輸成本20%35%。采用高壓輸氣可減小管徑，通過高鋼級管材的開發(fā)和應(yīng)用可減小鋼管壁厚，進(jìn)而減輕鋼管的重量，并減少焊接時間，從而降低建設(shè)成本。例如采用管材X

10、100 比采用X65 和X70 節(jié)約費(fèi)用約30%，節(jié)約管道建設(shè)成本10%12%。目前X100 管道鋼管已由日本NKK、新日鐵、住友金屬、歐洲鋼管等公司開發(fā)出來。另外，復(fù)合材料增強(qiáng)管道鋼管正在開發(fā)，即在高鋼級管材外部包敷一層玻璃鋼和合成樹脂。采用這種管材，可進(jìn)一步提高輸送壓力，降低建設(shè)成本，同時可增加管輸量，增加管道抵抗各種破壞的能力和安全性。當(dāng)管材鋼級超過X120 及X125 時，單純依靠提高鋼級來減少成本已十分困難，必須采用復(fù)合材料增強(qiáng)管道鋼管。X100 及以上管道鋼管目前還未得到商業(yè)應(yīng)用的主要原因是對材料性能、安裝技術(shù)和現(xiàn)場試驗還需進(jìn)一步驗證和更好的了解。（2）高壓富氣輸送技術(shù)及斷裂控制

11、高壓富氣輸送是指在輸送過程中采用高壓使輸送氣體始終保持在臨界點上，保證重組分不呈液態(tài)析出。采用高壓富氣輸送能取得很大的經(jīng)濟(jì)效益，但富氣輸送時天然氣的熱值較高，要求管材不但能防止裂紋的啟裂，而且還要具有更高的防止延性裂紋擴(kuò)展的止裂韌性。以Alliance 管道為代表的高壓富氣輸送是天然氣輸送技術(shù)的重大創(chuàng)新，其斷裂控制是該管道的關(guān)鍵技術(shù)之一。深入了解高鋼級管道鋼管的斷裂控制是未來以低成本建設(shè)管道的前提。由ECSC、CSM、SNAM 和European 聯(lián)合進(jìn)行的項目，就是研究大口徑X100管道在15 MPa 的高壓下的斷裂行為。（3）多相混輸技術(shù) 20 世紀(jì)70 年代，各發(fā)達(dá)國家相繼投入了大量資金

12、和人力，進(jìn)行多相流領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究，取得了不少成果。目前，這些成果已在上百條長距離混輸管道上得到了應(yīng)用。近年來，英國、美國、法國及挪威等國相繼建成了不同規(guī)模的試驗環(huán)道，采用多種先進(jìn)測量儀表和計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在大量高質(zhì)量的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行多相流研究。已有的多相流商業(yè)軟件中，著名的OLGA 軟件可以進(jìn)行多相流穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動模擬。（4）天然氣水合物（NGH）儲運(yùn)技術(shù) 據(jù)專家保守估計，世界上天然氣水合物所含天然氣的總資源量約為.18億億立方米.21億億立方米，能源總量相當(dāng)于全世界目前已知煤炭、石油和天然氣能源總儲量的兩倍，被認(rèn)為是21 世紀(jì)最理想、最具商業(yè)開發(fā)前景的新能源。天然氣水合

13、物潛在的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)效益，已為世界許多國家所重視。目前，世界范圍內(nèi)正在興起從海底開發(fā)天然氣水合物新能源的熱潮。雖然目前世界上還沒有高效開發(fā)天然氣水合物的技術(shù)，但許多國家已制定了勘探和開發(fā)天然氣水合物的國家計劃。美國1998 年將天然氣水合物作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略能源列入長遠(yuǎn)計劃，準(zhǔn)備在2015 年試開采。日本、加拿大、印度等國都相繼制定了天然氣水合物的研究計劃。根據(jù)目前國外對天然氣水合物技術(shù)的研究，可以得出幾點共識：一是天然氣水合物在常壓、-15-5的下儲存在隔熱容器中可長時間保持穩(wěn)定；二是對于處理海上油田或陸上邊遠(yuǎn)油田的伴生氣，該技術(shù)的可行性優(yōu)于液化天然氣、甲醇和合成油技術(shù)。該技術(shù)安全且對環(huán)境

14、無污染；三是天然氣水合物技術(shù)的成本比液化天然氣的生產(chǎn)成本約低四分之一；四是采用天然氣水合物技術(shù)可以對天然氣進(jìn)行長距離運(yùn)輸。四、國內(nèi)天然氣管道技術(shù)現(xiàn)狀西氣東輸代表了目前我國天然氣管道工程的最高水平。西氣東輸管道設(shè)計輸量為120×108m3/a；管道全長3 898.5 km；管徑1 016 mm；設(shè)計壓力10MPa；管道鋼級L485（X70）；全線共設(shè)工藝站場35座，線路閥室137 座，壓氣站10 座。目前我國天然氣管道的技術(shù)水平分析如下：（1）采用的設(shè)計和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與國際接軌。（2）采用衛(wèi)星遙感技術(shù)、GPS 系統(tǒng)，優(yōu)化管道線路走向。（3）采用國際上通用的TGNET、SPS、AutoCAD

15、等軟件，進(jìn)行工藝計算、特殊工況模擬分析和設(shè)計出圖。（4）管材采用高強(qiáng)度、高韌性管道鋼，主要有X52、X60、X65 和X70，國內(nèi)有生產(chǎn)大口徑螺旋縫埋弧焊鋼管和直縫鋼管的能力。（5）管理自動化、通信多種方式并用。運(yùn)營管理采用SCADA 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、在線檢測、監(jiān)控，進(jìn)行生產(chǎn)管理和電子商務(wù)貿(mào)易；通信采用微波、衛(wèi)星和租用地方郵網(wǎng)方式，新建管道將與國際接軌，向光纜通信發(fā)展。（6）管道防腐。管道外防腐層主要采用煤焦油瓷漆、單層環(huán)氧粉末、雙層環(huán)氧粉末、聚乙烯防腐層（二層PE）和環(huán)氧粉末聚乙烯復(fù)合結(jié)構(gòu)（三層PE）。管道內(nèi)涂層主要采用液體環(huán)氧涂料。（7）天然氣計量。我國早期建設(shè)的管道天然氣計量大都采用孔板計量；而近年新建的幾條輸氣管道采用超聲波流量計。（8）主要工藝設(shè)備。目前國內(nèi)輸氣管道輸氣站主要工藝閥門大都采用氣動球閥，今后新建管道將以采用氣-液聯(lián)動球閥為主。國內(nèi)在役輸氣管道采用的增壓機(jī)組有離心式和往復(fù)式壓縮機(jī)，驅(qū)動方式有燃驅(qū)和電驅(qū)；將來我國的長距離輸氣管道主流機(jī)型采用離心式，在有電源保證的條件下采用變頻電機(jī)驅(qū)動為發(fā)展方向。（9）管道施工。目前我國的管道建設(shè)引進(jìn)了國際上通行的HSE 管理技術(shù)，采用了第三方監(jiān)理的機(jī)制；管道專業(yè)化施工企業(yè)整體水平達(dá)到國際水平，裝備有先進(jìn)的施工機(jī)具，如：大噸位吊管機(jī)、全自動焊機(jī)等；掌握了管道大型穿（跨）越工程的施工技術(shù)，如水平定向穿