天然气管道技术现状及发展趋势 徐鸣

天然气管道技术现状及发展趋势德州管理处安平站：徐鸣自20世纪70年代以来，世界上新开发的大型气田多远离消费中心。同时，国际天然气贸易量的增加，促使全球输气管道的建设向长运距、大管径和高压力方向发展。1990年，前苏联的天然气管道的平均运距达到2698km。世界大型输气管道的直径大都在1000mm以上。到1993年，俄罗斯直径1000mm以上的管道约占63%，其中最大直径为1420mm的管道占34.7%。西欧国家管道最大直径为1219mm，如著名的阿意管道等。干线输气管道的压力等级20世纪70年代为6～8MPa；80年代为8～10MPa；90年代为10～12MPa。2000年建成的Alliance管道压力为12MPa、管径为914mm、长度为3000km，采用富气输送工艺，是一条公认的代表当代水平的输气管道一、事例随着世界对天然气这种优质清洁能源和燃料需求量的不断增长和大批边远气田的开发,20世纪70年代以来,世界天然气长输管道得到了迅速发展,天然气长输技术水平得到了很大提高。近20多年来,我国天然气长输技术也有很大的发展,有的已达到了世界先进水平,但很多方面与世界先进水平还存在不同程度的差距。“西气东输”工程建设是我国实施西部大开发的重大举措,它为进一步发展我国的天然气长输管道和进一步提高我国的天然气长输技术水平提供了新的机遇和挑战。了解当前世界天然气长输技术水平及其发展趋势,对高质量高水平建设好“西气东输”工程,使我国天然气长输技术全面赶超世界先进水平,无疑是大有裨益的。国外油气管道的建设速度越来越快,经济效益越来越高,尤以前苏联最为突出。前苏联1950-1990年的40年间,输气管道总长度增加了近100倍,70、80年代共建输气管道14万km。80年模块化施工技术。至90年代初,油气田地面设施的模块化施工程度已达到100%;各类装置模块化设计全部实现通用化、标准化和系列化。闪光对焊工艺。这是在大口径管子焊接领域中独一无二的创举,也是金属焊接工艺的一次飞跃。在恶劣的气候条件下,一道直径为1420mm、壁厚19mm的管口,不需要任何填充材料就可以在3min内确保质量地焊接成功。这是以前任何焊接方法都无法实现的。先进的移动式预制厂。这种预制厂可以在施工现场对管子进行防腐绝缘加工和管子进行双连焊、三连焊加工,使施工速度大大提高。美国在阿拉斯加管道和伊朗一条沙漠输气管建设中,也采用了这种施工工艺。先进机械化施工装备。包括高速焊接机组、系列挖沟机、系列冷弯弯管机、系列吊管机、特重型运管机、履带式越野沼泽运输车等，这些也仅仅是在八十年代带的时候。80代,年均铺管近1万km,占世界年铺管总长度的1/3,而主要是1220-1420mm直径的输气管道。1988年,实际建成的天然气管道达111万km。如果把管道长度按输送能力折算成可比条件,前苏联一年建成的管道相当于美国的2-3倍,约等于全世界(苏联除外)的总和。二、国外天然气管道在计量技术、泄漏检测和储存技术等方面取得了一些新进展（1）天然气的热值计量技术20世纪80年代以后，热值计量技术的应用在西欧和北美日益普遍，已成为当今天然气计量技术的发展方向。天然气热值计量比体积和质量计量更为科学和公平，由于天然气成分比较稳定，按热值计价可以体现优质优价。天然气热值的测定方法有两种：直接测定法和间接计算法。近几年，天然气热值的直接测量技术发展较快，特别是在自动化、连续性、精确度等方面有了很大提高。（2）天然气管道泄漏检测技术—红外辐射探测器目前，美国天然气研究所（GRI）正在进行以激光为基础的遥感检漏技术研究，该方法是利用红外光谱（IR）吸收甲烷的特性来探测天然气的泄漏。该遥感系统由红外光谱接收器和车载式检测器组成，能在远距离对气体泄漏的热柱进行大面积快速扫描。现场试验表明，检漏效率比旧方法提高50%以上，且费用大幅度下降。（3）天然气管道减阻剂（DRA）的研究应用美国Chevron石油技术公司（ChevronPetroleumTechnologyCo）在墨西哥湾一条长8km、.152mm的输气管道上进行了天然气减阻剂（DRA）的现场试验。结果表明，可提高输量10%～15%，最高压力下降达20%。这种减阻剂的主要化学成分是聚酰胺基，通过注入系统，定期地按一定浓度将减阻剂注入到天然气管道中，减阻剂可在管道的内表面形成一种光滑的保护膜；这层薄膜能够显著降低输送摩阻，同时还有一定的防腐作用。（4）天然气储存技术从商业利益考虑，国外管道公司非常重视使大型储气库垫底气最少化的技术研究。目前，正在研究应用一种低挥发性且廉价的气体作为“工作气体”来充当储气库的垫底气。（5）管道运行仿真技术管道在线仿真系统的应用可有效地提高管道运行的安全性和经济性。管道计算机应用表现在3个方面：管道测绘及地理信息系统、管道操作优化管理模型和天然气运销集成控制系统。仿真技术在长输管道上的应用不仅优化了管道的设计、运行管理，而且为管输企业带来巨大的经济效益。目前，国外长输管道仿真系统主要分为3种类型：一是用于油气管道的优化设计、方案优选；二是用于运行操作人员的培训；三是管道的在线运营管理。如美国最大的天然气管道公司之一的Williams管道公司，采用计算机仿真培训系统在不影响正常工作的情况下即可完成对一线工人的上岗培训，大大缩短了培训时间，节约大量费用，比传统的培训方式提高效率约50%。（6）GIS技术在管道中的应用随着管道工业自动化的发展，GIS（地理信息系统）在长输管道中得到了日益广泛的应用。它融合了管道原有的SCADA系统自动控制功能，美国、挪威、丹麦等国家的管道普遍使用GIS技术。目前，该技术已实现地理信息、数据采集、传输、储存和作图统一作业，可为管道的勘测、设计、施工、投产运行、管理监测、防腐等各阶段提供资料。三、技术发展趋势（1）高压力输气与高强度、超高强度管材的组合是新建管道发展的最主要趋势高压气管道是指运行压力在10～15MPa之间的陆上天然气管道。根据专家研究成果，年输量在10亿立方米以上时，采用高压输气可节省运输成本。当运输距离为5000km、年输量在15～30亿立方米之间时，采用高压输气比传统运输方式可节约运输成本20%～35%。采用高压输气可减小管径，通过高钢级管材的开发和应用可减小钢管壁厚，进而减轻钢管的重量，并减少焊接时间，从而降低建设成本。例如采用管材X100比采用X65和X70节约费用约30%，节约管道建设成本10%～12%。目前X100管道钢管已由日本NKK、新日铁、住友金属、欧洲钢管等公司开发出来。另外，复合材料增强管道钢管正在开发，即在高钢级管材外部包敷一层玻璃钢和合成树脂。采用这种管材，可进一步提高输送压力，降低建设成本，同时可增加管输量，增加管道抵抗各种破坏的能力和安全性。当管材钢级超过X120及X125时，单纯依靠提高钢级来减少成本已十分困难，必须采用复合材料增强管道钢管。X100及以上管道钢管目前还未得到商业应用的主要原因是对材料性能、安装技术和现场试验还需进一步验证和更好的了解。（2）高压富气输送技术及断裂控制高压富气输送是指在输送过程中采用高压使输送气体始终保持在临界点上，保证重组分不呈液态析出。采用高压富气输送能取得很大的经济效益，但富气输送时天然气的热值较高，要求管材不但能防止裂纹的启裂，而且还要具有更高的防止延性裂纹扩展的止裂韧性。以Alliance管道为代表的高压富气输送是天然气输送技术的重大创新，其断裂控制是该管道的关键技术之一。深入了解高钢级管道钢管的断裂控制是未来以低成本建设管道的前提。由ECSC、CSM、SNAM和European联合进行的项目，就是研究大口径X100管道在15MPa的高压下的断裂行为。（3）多相混输技术20世纪70年代，各发达国家相继投入了大量资金和人力，进行多相流领域的应用基础与应用技术研究，取得了不少成果。目前，这些成果已在上百条长距离混输管道上得到了应用。近年来，英国、美国、法国及挪威等国相继建成了不同规模的试验环道，采用多种先进测量仪表和计算机数据采集系统，在大量高质量的试验数据基础上进行多相流研究。已有的多相流商业软件中，著名的OLGA软件可以进行多相流稳态和瞬态流动模拟。（4）天然气水合物（NGH）储运技术据专家保守估计，世界上天然气水合物所含天然气的总资源量约为０.０18亿亿立方米～０.０21亿亿立方米，能源总量相当于全世界目前已知煤炭、石油和天然气能源总储量的两倍，被认为是21世纪最理想、最具商业开发前景的新能源。天然气水合物潜在的战略意义和经济效益，已为世界许多国家所重视。目前，世界范围内正在兴起从海底开发天然气水合物新能源的热潮。虽然目前世界上还没有高效开发天然气水合物的技术，但许多国家已制定了勘探和开发天然气水合物的国家计划。美国1998年将天然气水合物作为国家发展的战略能源列入长远计划，准备在2015年试开采。日本、加拿大、印度等国都相继制定了天然气水合物的研究计划。根据目前国外对天然气水合物技术的研究，可以得出几点共识：一是天然气水合物在常压、-15～-5℃的下储存在隔热容器中可长时间保持稳定；二是对于处理海上油田或陆上边远油田的伴生气，该技术的可行性优于液化天然气、甲醇和合成油技术。该技术安全且对环境无污染；三是天然气水合物技术的成本比液化天然气的生产成本约低四分之一；四是采用天然气水合物技术可以对天然气进行长距离运输。四、国内天然气管道技术现状西气东输代表了目前我国天然气管道工程的最高水平。西气东输管道设计输量为120×108m3/a；管道全长3898.5km；管径1016mm；设计压力10MPa；管道钢级L485（X70）；全线共设工艺站场35座，线路阀室137座，压气站10座。目前我国天然气管道的技术水平分析如下：（1）采用的设计和建设标准与国际接轨。（2）采用卫星遥感技术、GPS系统，优化管道线路走向。（3）采用国际上通用的TGNET、SPS、AutoCAD等软件，进行工艺计算、特殊工况模拟分析和设计出图。（4）管材采用高强度、高韧性管道钢，主要有X52、X60、X65和X70，国内有生产大口径螺旋缝埋弧焊钢管和直缝钢管的能力。（5）管理自动化、通信多种方式并用。运营管理采用SCADA系统进行数据采集、在线检测、监控，进行生产管理和电子商务贸易；通信采用微波、卫星和租用地方邮网方式，新建管道将与国际接轨，向光缆通信发展。（6）管道防腐。管道外防腐层主要采用煤焦油瓷漆、单层环氧粉末、双层环氧粉末、聚乙烯防腐层（二层PE）和环氧粉末聚乙烯复合结构（三层PE）。管道内涂层主要采用液体环氧涂料。（7）天然气计量。我国早期建设的管道天然气计量大都采用孔板计量；而近年新建的几条输气管道采用超声波流量计。（8）主要工艺设备。目前国内输气管道输气站主要工艺阀门大都采用气动球阀，今后新建管道将以采用气-液联动球阀为主。国内在役输气管道采用的增压机组有离心式和往复式压缩机，驱动方式有燃驱和电驱；将来我国的长距离输气管道主流机型采用离心式，在有电源保证的条件下采用变频电机驱动为发展方向。（9）管道施工。目前我国的管道建设引进了国际上通行的HSE管理技术，采用了第三方监理的机制；管道专业化施工企业整体水平达到国际水平，装备有先进的施工机具，如：大吨位吊管机、全自动焊机等；掌握了管道大型穿（跨）越工程的施工技术，如水平定向穿越技术、盾构穿越技术。（10）优化运行。目前在役输气管道利用进口或国产软件进行在线或离线不同工况模拟，以确定既能满足供气需求，又使单位输气成本最低的运行操作方案。五、差距分析我国大部分输气管道建于20世纪60～70年代，与国外发达国家和地区完善的供气管网相比有很大的差距，管道少、分布不均、未形成全国性管网；管径小，设计压力低，输量少，不能满足目前增长的市场需求。不过我国的市场前景潜力很大，我们更应该钻研不断研究，不断学习，让我们成为中国中石化天然气分公司的主力军，让我们为世界添上更辉煌的一笔。