天然气集输管线失效原因分析

广东化工2013年第10期www.gdchem.com第40卷总第252期天然气集输管线失效原因分析田甜(中煤科工集团重庆设计研究院,重庆400016)衡要天然气是含有多种物质的混合物,在集输过程中相当困难,对其输送管线失效原因进行了深入的分析。天然气集输管线失效的形式主要有管线及设备堵塞,使得管输效率降低甚至停输;管线泄露不但会引起火灾甚至爆炸,而且污染环境。结合管线在集输中失效的形式,对失效原因进行合理的分析,以便减少经济损失。词]天然气;失效原因;蠕变破坏中图分类号TQ文献标识码]A[文章编号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天然气管道的输送介质属于易燃、易爆物质,介质中含有的在天然气集输管线中,各种腐蚀都存在。就起腐蚀机理来说,硫氧化碳、游离水、粉尘等杂质,使敷设的管道处于最大的腐蚀要数电化学腐蚀。金属的电化学腐蚀的产生,是由于内外腐蚀条件,加上环境、地质、气象和水文灾害、管材及设计金属与电解质溶液接触时所形成的腐蚀原电池的电极反应的结缺陷、操作失误乃至人为破坏等因素,管道的安全受到众多因素果。当金属与电解质接触时,表面上电极电位不相同的两个区域的威胁。对天然气集输管线进行系统的分析,找出失效的原因分别形成阴极区和阳极区:阳极部分将失去电子而发生溶解,阴及时发现处理,以便减少经济损失。下面对其分类进行系统分析。极部分只起传递电子的作用而并不腐蚀。金属的电化学腐蚀绝大1失效主要因素多数是金属同水溶液相接触时发生的腐蚀过程。水溶液中除了其它离子外,总是存在H+和OH一离子。这两种离子含量的多少由天然气集输管线失效的主要因素大致可以分为:管道直接破坏因素,污垢及天然气水合物因素,设计工艺与施工缺陷因素,液的pH值表示。金属在水溶液中的稳定性不但与它的电极电集输设备与设施因素,安全附件因素,人员及安全管理因素,环位有关,还与水溶液的pH有关1.1.2韧性破坏境因素1.1管线直接破坏因素韧性破坏是指管道壁承受过高的应力,达到了器壁材料的强1.1.1腐蚀破坏度极限,从而发生断裂破坏。在外力作用下引起变形和破坏的过程大致可以分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂阶段。这种腐蚀是指材料与其所处境介质之间发生作用而引起材料变破坏将直接导致管线断裂而失效,是非常危险的氢、二氧化碳的酸性气体,它们在与水结合后就会产生酸,同时产生韧性破坏的原因:管道的韧性破坏只有在管壁整个界面也在物理因素(应力,振动,压力)的结合下,对管线进行内腐蚀上材料都处于屈服状态下才会发生。主要原因有管道超压运行另外,管线在大气自然环境下也会发生析氢析氧腐蚀,对管线进材料选型不合格,维护保养不当。行外部腐蚀,使管线发生泄漏。主要表现为腐蚀穿孔,应力开裂1.3脆性破坏脆性破坏是指管道在破裂时没有显著的塑性变形目前天然气集输管线及其附属设备主要都是金属制造,金属壁的压力也远远小于材料的强度极限,有的甚至还低于腐蚀占主要的部分。按照金属腐蚀分类,腐蚀可以分为服极限。其特征是脆性破坏时,无明显外观变化和预兆(1)按腐蚀机理:物理腐蚀,化学腐蚀,电化学腐蚀无变薄。但是发生脆性断裂时,速度极快,高达1800ms。脆性破坏的原因主要有两个。一是温度的影响。钢管在低温(3)腐蚀破坏形态:均匀腐蚀全面腐蚀),局部腐蚀(电偶腐蚀下或一定温度范围内,它的冲击韧性将急剧下降。二是裂纹的影孔蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀、缝隙腐蚀等),断裂腐蚀(应力腐峰值,且应力状态也发生变化,变为三向拉伸应力。此时强度将按照材料腐蚀分类,腐蚀可以分为:大大的降低,裂纹缺陷尺寸达到一定值后,极易发生脆性断裂。1.14疲劳破坏金属材料/黑色金属(钢、铸铁)化学腐蚀疲劳破坏是指管壁在反复加压和泄压过程中受到的交变载荷有色金属(铝、铜等非铁基材料)电化学腐蚀的长期作用,没有经过明显的塑性变形而导致断裂的一种破坏形式。疲劳破坏是导致的断裂是突然发生的,因此具有很大的危险无机非金属材料水泥一化学腐蚀(酸、碱)传统硅酸盐材料)玻璃耐火材料其破坏特征是破坏时没有明显的塑性变形。一般是疲劳裂纹化学腐蚀(紫外线、温度穿透管线发生泄漏失效。其破坏原因可以分为内部因素:管线中有机高分子材料塑料,橡胶、一湿气,臭氧射线辐射)存在局部高应力(如接管,转角及其他几何形状不连续处,在焊缝物理腐蚀(溶解、溶胀、渗附近以及缺陷处会应力集中),其峰值应力会超过材料的屈服极限透、环境应力开裂)随着载荷的周期性变化,该部位将会产生很大应力变化。外部因复合材料璃钢、钢塑复各一蜀有的法、理素:管线存在着反复交变载荷,这种形式是变化幅度较大的非对(庞大的材料体系)艺等手段进行设计和控制,以称循环载荷最大限度满足使用性能要求和1.1.5蠕变破坏中国煤化工环境条件要求金属材料在变化,晶粒长大珠光体和某些合CNMH钢中碳化物还能析出石墨等,有时能出现蝻曼晶間廾裂或疏松微孔[收稿日期]2013-04-16[作者简介田甜(1982-),女,工程师,本科,主要从事城市燃气、油气储运及天然气相关专业的设计工作。2013年第10期广东化工第40卷总第252期www.gachem.com85针对集输管线,有的阀门和压力容器承载温度高于某一限度加热炉结构设计不合理或存在制造缺陷,特别是对于各热胀及时应力低于屈服极限,容器材料也会发生缓慢的塑性变形冷缩部件的设计考虑不充分,或制造过程中被限制变形,在运行这种塑性变形经过长期积累,最终会导致破坏,这就是蠕变破坏。时可能造成开裂或损坏。加热管在加工制造时被损坏,或其与管1.2污垢及天然气水合物因素板焊接存在缺陷,在压力载荷、热载荷或腐蚀条件下,焊缝及管件下,天然气中的某些组分和液态水形成一种白色结晶固体,外于露点温度时的水蒸气与积灰中的二氧化硫、三氧化硫等腐蚀管合物的形成使输气管道和设备阻塞,使天然气集输管线失效能点火装置和自动熄火保护装置,这些联锁控制系统出现故障水合物形成的条件极易引起事故。加热炉结构不合理、炉管偏流造成炉管局部过热,(1)天然气的含水量处于饱和状态将炉管烧穿,引起大火。燃料油阀门关闭不严,炉膛内有油气(2)压力和温度。当天然气处于足够高的压力和足够低的温度重新点炉时,未按规定程序进行通风吹扫,造成加热炉内油气爆时,水合物才能形成。炸起火。加热炉操作不当,或发生事故后判断失误,容易造成爆(3)流动条件突变。在满足上述以上两个条件时,水合物的形炸事故成还需要一些辅助条天然气的波动,气体因流向的突变而145电气设施危险有害因素产生搅动,以及晶种的存在等(1)危险区域分级不准确,防爆电气设施等级确定错误1.3设计工艺与施工缺陷因素管线的走向、长短和通过的难易程度对整条管线的投资、施身Q)电气设施防爆性能或等级达不到产品标准要求:电气设施都符合要求,但系统连接后,可能整体防爆性能不能满足工工、运行安全都有很大的影响。设计中还应该注意站场选址及与况要求;对已具有防爆性能的电气设备、照明设备等进行改装、建筑物的布局、消防配套设施维护或修理后未经防爆性能检测就投入使用。工艺流程设置合理,设备选型恰当,系统运行就会平稳运行(3)电气设备发生短路、漏电或过负荷等故障时,将产生电弧、然而设备选型是在水力、热力、压力等计算后得出来的,因此必电火花、高热。须对工艺有相当高的要求(4)电动机使用、维护不良,会引起着火事故。主要原因有:在管线强度计算时,对管线的受力载荷分析不当,强度设计电动机超负荷运行;在检修时,金属物体等杂物混入电动机或绝系数取值有误,将使计算结果及管材、壁厚的选用不当,这在运缘受损、绕组受潮,以及遇高压电将绝缘击穿等:电动机各行过程中非常容易出现泄漏、爆炸等事故吲。处接触不良:三相电动机单相运行:电动机接地不良,电动机外集输管线焊缝处可以产生各种缺陷,常见的有裂纹、夹渣壳可能带电,造成人员触电伤亡事故。未熔透、焊瘤、气孔和咬边等(5)电气线路短路、过载及接触电阻过大都会导致电火花及电钢管在现场焊接连接以后,未防腐的焊接部位需要进行补口。弧的产生,从而引发火灾事故。主要原因有:导线接头不牢固、在施工过程中,由于各种原因造成钢管内外表面的防腐层损坏,接触不良,导致发热,引燃导线的可燃物质及周围的可燃物质;特别是外防腐层需要进行补伤。若补口补伤出现问题,将降低管电流超过额定电流值,温度升高,加速导线绝缘材料的老化线腐蚀性能至损坏,从而造成短路产生火花或电弧;电气线路因意外情况导若管沟开挖深度或穿越深度不够,基础不实,回填压实时,致两相相碰而发生短路,产生瞬间放电将会造成管线向下弯曲变形。若是地下水位较高而未及时排水,(6)防雷、防静电装置的位置、连接方法不正确:避雷、除静会使底部悬空,容易造成拱形变形。土质不合理,可能刮伤防腐电装置故障;防雷、防静电装置质量差或维护不当。层。总的来高度、夯实程度。深埋深度,管沟基础不牢1.5安全附件因素等都是应该注意的问题(1)全阀、温度测量仪表、压力表、紧急切断装置等安全附件14集输设备与设施因素存在制造质量问题或出现故障失效14.1管子、管件危险有害因素(2)温度、压力、流量等控制系统硬件设备选型不当、质量存目前,考虑到成本因素,国内输气管线大部分都采用螺旋缝在问题或控制用软件不适合工艺要求,则有可能造成超压、超温埋弧焊钢管。这种钢管焊缝长度较长,焊缝产生缺陷的概率高捍泄漏等事故。缝受力情况复杂,内壁存在较大的拉应力;并且几何尺寸不稳定,1.6人员及安全管理因素装配、焊接后易形成错边、棱角等在运行过程中受压力、热应力1.6.1违章作业等载荷作用,加上管道内部介质和外部土壤的腐蚀,将造成腐蚀违章作业包括违章指挥、违章操作、操作错误等。主要表现或应力腐蚀、疲劳或腐蚀疲劳等失效弯头等管件受介质冲刷、热为:(1)违章动火;(2)违章电操作;(3)违章开关阀门;(4)输送泵胀冷缩产生变形而可能产生事故隐患。因此,在运行过程中,管压缩机组操作违章;(5)检修、抢修操作违章;(6)违章充装。线内外部严重腐蚀;油温或气温突然变化,管线急剧膨胀或收缩:16,2安全管理不规范管线受外力压轧、打击等,都将造成事故主要包括:(1)安全管理制度不完善:(2)安全管理资料不详尽14.2阀门、法兰、垫片及紧固件危险有害因素或资料遗失:(3)安全管理法规的宣传和执行不力;(4)安全意识薄(1)材料、压力等级选用或使用错误。(2)制造尺寸、精度等不能满足实际要求1.6.3定期检验困难(3)阀门密封失效免或4自动控制等阀门的控制系统失灵,手动操作阀门的阀杆锈设备、手段相对落后:(4)安全状况评定难度大:()检验人员缺乏经验(5)管道布置不合理,造成附加应力或出现振动。1.64职业安全健康因素6)使用过程中阀门误动作、阀门限位开关失灵、阀门故障等,主要包括噪声、高温、低温等。噪声环境中工作缺乏防护措未按要求进行检验、维护等施,可引起听觉疲劳,长期无防护地在强烈噪声环境中持续工作,14.3泵与压缩机危险有害因素听力损失逐渐加重,甚至不能恢复。在高温作业环境下,人体通往复式泵具有效率高、使用前不需要加油、液体黏度对泵的过呼吸、出汗及体表血管的扩张向外散热。若人体产生热量大于工作性能影响不大等优点,但常造成液流波动,这种液流脉动作散热量时,人体产生热蓄积,促使呼吸和心率加快,皮肤表面血用在管道内形成一种不稳定流状态。当系统开(关)阀门或停泵等管的血流量增加。在低温条件下,可以出现痛觉迟钝和嗜睡状态,操作时,这种不稳定液流在管道内产生压力波动,严重时形成水人体长期处于低温环境,还会导致循环血量、白细胞、血小板减击,造成系统超压、管道及设备、设施损坏。离心式泵具有操作简单、液流无波动、工作状况易于调节、引起风湿痛、神经炎以及肢体、面部外露部位的冻伤,影响人体易于自动化等优点。但在泵入口处液体压力过低的情况下,会发肢的操作灵活性。当作业人员接触到设备极低温度部位时,将生汽蚀现象,表现为泵体产生噪声和振动,严重时会使泵叶片遭造成严重的低温冻伤事故受“剥蚀”,导致扬程下降,效率降低,设备基础螺栓松动及管道这些因素将通过对操作人员间接的对设备和管线造成影响,与设备连接处损坏使得管线失效。离心式压缩机效率低,而且偏离工作点越远,效率越低:当中国煤化工流量降至某一数值时会发生喘振现象。喘振发生时机组激烈振并伴随着异常的吼叫声,管道和仪表也随之振动。严重的喘振会CNMHG(下转第83页)破坏压缩机的密封系统,损坏止推轴承,叶轮有可能被打坏,造成严重的事故144加热炉危险有害因素2013年第10期广东化工第40卷总第252期www.gdchem.com2系统存在的问题3改进措施(1)送洗氨废水量不易控制。此工艺将废水自动调节阀安装到(1)稳定洗氨废水量。将废水自动调节阀安装到送酚氰污水处送洗氨的废水管道上,而送酚氰污水处理站的废水用手动调节理站的废水管道上,流量计安装到送洗氨的废水管道上,实现利在进蒸氨塔原料氨水量波动时,经常造成送洗氨的废水量波动用自动调节阀的开度大小来控制送酚氰污水处理站的废水量而稳影响洗氨效果定洗氨的废水流量,达到了送洗氨废水量稳定在35mh的要求。温较低,在冬季通过废水冷却器一段冷却后的废水经均和池配水完热后的废水管道上接旁通引到送酚氰污水处理站的废水管道稀释后,不能满足酚氰污水处理站细菌繁殖所需的温度25-32℃,上,进入冬季生产时将此管道稍开与废水需通过蒸汽加热,不但浪费资源又增大成本消耗。水共同送到酚氰污水处理站,使均和池配水后的温度有2025℃(3)分缩器冷却水经常翻液,温度波动大84-96℃。由于分缩提高到了30-32℃,不但解决了废水温度偏低的现象,且节约了器冷却水退水管道落差大,当冷却水进水量增大时,管道内水发资源又降低了成本消耗。生分缩器经常翻平均每班发生2-3次。(3)加装排汽放散管,解决分缩器翻液。在分缩器原有冷却水管道上加装20m高DN80的放散管(保持常开),解决了退水(4)蒸氨塔顶压力波动大14-30kPa。由于氨气经分缩器冷却管道产生气阻的现象,保证了冷却水退水的畅通,温度可稳定在浓缩后还带有冷凝液,而入氨分解炉的氨气管道有一段U型弯87~90℃,使用6个月以来再未发生过翻液现象冷凝液易积在管道内,造成氨气通行不畅而引起蒸氨塔顶压力波(4)加装水封排液装置,保证入炉氨气管道畅通,解决冷凝液动,波动范围较大在14-30kPa被带入氨分解炉的问题。由于蒸氨塔顶部压力波动范围在1430(5)氨分解炉炉膛温度和催化床温度波动大。氨气经分缩器冷kPa,根据管道水封高度的计算要求,按最大压力30kPa来计算造成入炉氨气量忽大忽小,且带有冷凝水进入氨分解炉,造成催水封高度:30000化床温度波动大750~10℃,为了稳定催化床温度而经常造成煤h气流量调节阀大范围调节,使得炉膛温度也随之波动,氨气平均p×g1000×98每周放散2-4次按工业企业煤气安全规程要求,水封高度为最高工作压力的液进Q轰分解炉到炒热速温热想上或热电包带有5倍,所以取水封高度h=3×1.5=4.5m。水封加装好后,要求班组操作人员加强对水封的操作及维护,每两小时对水封排液情况平均每两月就要更换一次进行检査,确保管道内冷凝液及时排除,保证氨气管道畅通。表12012年6月蒸氨、氨分解数据on data in June 2012项目原料氨水处理蒸氨塔顶部蒸氨塔顶压分缩器顶部废水含挥发氨废水含全氨催化床温量(m3h)温度/℃力/Pa温度/℃mg, L)(mgL)度r平均值7.515045最小值1786最大值100244.64结论全氨达到了小于200mgL以下通过以上措施的实施,取得了明显的效果。满足了洗氨所需废水量的稳定和送酚氰污水处理站废水温度的保证。最为明显的参考文献是分缩器以前每班都发生2-3次的翻液,经改造后半年以来的运[李忠顺.化产工艺学[M]河北:冶金工业出版社,1992行中未发生过翻液现象。由表1中数据可以看出,经对蒸氨、氨[2]张弓,兰州化学工业公司化工学校等合编,化工原理[M]北京:化学分解工艺设备优化改造后蒸氨塔顶部压力可以稳定在17~20kPa工业出版社,1980氨分解炉催化床温度稳定在了940-1080℃,氨气可以完全入炉分3]肖瑞华.炼焦化学产品生产技术问答M]北京:冶金工业出版社,2008解,没有出现过由于温度的异常而放散:氨分解炉炉膛测温热电偶有以前的一个月或两个月就损坏一只,而经改造后运行半年以(本文文献格式:王红领.蒸氨、氨分解工艺设备优化改造[].广来未更换过。通过现场的跟踪经优化改造以来洗氨、蒸氨、氨分东化工,2013,40(10):82-83)解系统运行平稳,氨汽入炉率大于99%以上,送生物脱酚废水含(上接第85页)1.7环境因素原因。针对失效的形式,需要对失效原因进行合理的分析。发现1.7.1自然环境危险有害因素失效的主要因素类别,及时进行处理,以便减少经济损失。主要包括:(1)地震:(2)滑坡、崩塌;(3)地面沉降;(4)台风(5)雷电:(6)低温;(7洪水。这些可以直接怕坏天然气管道的正常稳定状态,从而导致管线直接或者间接地出现损毁,断裂,泄露。参考文献1.7.2社会环境危险有害因素[]刘铁岭,王晗,苗振宝.集输作业人员HSE培训教材M].北京:中国主要包括:(1)无意破坏:在管道附近甚至管道上修建公路石化出版社,2009房屋、建(构)筑物等设施,或进行开挖沟渠、打井等作业,造成[2]杨筱蘅.油气管道安全工程M]北京:中国石化出版社,2005严重占压埋地管道,增加管道的负荷,破坏了管道的恒压状态3]彭春波,薛传华,石油天然气长输管道腐蚀检测修复及防范探讨[长(2)有意破坏:盗、扒管道防腐层、仪器仪表、阀门或附属设施江大学学报,2010,7(2):237-239在管道上开孔盗油、盗气,或者人为蓄意破坏管线设施等。[4]方东晓.影响天然气管道安全的危害因素分析及对策探讨[门上海煤气2结论集输管线失效的形式主要有管线及设备堵塞,使得管输效率文献格式:田甜.天然气集输管线失效原因分析[].广东降低甚至停输;管线泄露爆炸产生火灾,污染环境,直接停产使2013,4其影响是很大的,不仅造成巨大财产损失,而且可能危害到生态中国煤化工环境。所以必须对天然气集输管线进行系统的分析,找出失效的CNMHG