天然气管道技术现状及开展趋势
德州管理处安平站：徐鸣
自20 世纪70 年代以来，世界上新开发大型气田多远离消费中心。同时，国际天然气贸易量增加，促使全球输气管道建立向长运距、大管径与高压力方向开展。1990 年，前苏联天然气管道平均运距到达2 698 km。世界大型输气管道直径大都在1 000 mm 以上。到1993 年，俄罗斯直径1 000 mm以上管道约占63%，其中最大直径为1 420 mm 管道占34.7%。西欧国家管道最大直径为1 219 mm，如著名阿意管道等。
干线输气管道压力等级20 世纪70 年代为6～8 MPa；80 年代为8～10 MPa；90 年代为10～12MPa。
2000 年建成Alliance 管道压力为12 MPa、管径为914 mm、长度为3 000 km，采用富气输送工艺，是一条公认代表当代水平输气管道
一、事例
随着世界对天然气这种优质清洁能源与燃料需求量不断增长与大批遥远气田开发 ,2 0世纪 70年代以来 ,世界天然气长输管道得到了迅速开展 ,天然气长输技术水平得到了很大提高。近 2 0多年来 ,我国天然气长输技术也有很大开展 ,有已到达了世界先进水平 ,但很多方面与世界先进水平还存在不同程度差距。“西气东输〞工程建立是我国实施西部大开发重大举措 ,它为进一步开展我国天然气长输管道与进一步提高我国天然气长输技术水平提供了新机遇与挑战。了解当前世界天然气长输技术水平及其开展趋势 ,对高质量高水平建立好“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
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裨益。
国外油气管道建立速度越来越快,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,油气田地面设施模块化施工程度已到达100%;各类装置模块化设计全部实现通用化、标准化与系列化。
闪光对焊工艺。这是在大口径管子焊接领域中独一无二创举,也是金属焊接工艺一次飞跃。在恶劣气候条件下,一道直径为1420mm、壁厚19mm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。
先进移动式预制厂。这种预制厂可以在施工现场对管子进展防腐绝缘加工与管子进展双连焊、三连焊加工,使施工速度大大提高。美国在阿拉斯加管道与伊朗一条沙漠输气管建立中,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时候。
80代,年均铺管近1万km,占世界年铺管总长度1/3,而主要是1220-1420mm直径输气管道。1988年,实际建成天然气管道达111万km。如果把管道长度按输送能力折算成可比条件,前苏联一年建成管道相当于美国2-3倍,约等于全世界(苏联除外)总与。
二、国外天然气管道在计量技术、泄漏检测与储存技术等方面取得了一些新进展
〔1〕天然气热值计量技术
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20 世纪80 年代以后，热值计量技术应用在西欧与北美日益普遍，已成为当今天然气计量技术开展方向。天然气热值计量比体积与质量计量更为科学与公平，由于天然气成分比拟稳定，按热值计价可以表达优质优价。天然气热值测定方法有两种：直接测定法与间接计算法。近几年，天然气热值直接测量技术开展较快，特别是在自动化、连续性、准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〕正在进展以激光为根底遥感检漏技术研究，该方法是利用红外光谱〔IR〕吸收甲烷特性来探测天然气泄漏。该遥感系统由红外光谱接收器与车载式检测器组成，能在远距离对气体泄漏热柱进展大面积快速扫描。现场试验说明，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〕研究应用
美国Chevron 石油技术公司〔 ChevronPetroleum Technology Co〕在墨西哥湾一条长8 km、.152mm 输气管道上进展了天然气减阻剂〔DRA〕现场试验。结果说明，可提高输量10%～15%，最高压力下降达20%。这种减阻剂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，减阻剂可在管道内外表形成一种光滑保护膜；这层薄膜能够显著降低输送摩阻，同时还有一定防腐作用。
〔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技术研究。目前，正在研究应用一种低挥发性且廉价气体作为“工作气体〞来充当储气库垫底气。
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〔5〕管道运行仿真技术
管道在线仿真系统应用可有效地提高管道运行平安性与经济性。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与天然气运销集成控制系统。仿真技术在长输管道上应用不仅优化了管道设计、运行管理，而且为管输企业带来巨大经济效益。目前，国外长输管道仿真系统主要分为3 种类型：一是用于油气管道优化设计、方案优选；二是用于运行操作人员培训；三是管道在线运营管理。如美国最大天然气管道公司之一Williams 管道公司，采用计算机仿真培训系统在不影响正常工作情况下即可完成对一线工人上岗培训，大大缩短了培训时间，节约大量费用，比传统培训方式提高效率约50%。
〔6〕GIS 技术在管道中应用
随着管道工业自动化开展，GIS〔地理信息系统〕在长输管道中得到了日益广泛应用。它融合了管道原有SCADA 系统自动控制功能，美国、挪威、丹麦等国家管道普遍使用GIS 技术。目前，该技术已实现地理信息、数据采集、传输、储存与作图统一作业，可为管道勘测、设计、施工、投产运行、管理监测、防腐等各阶段提供资料。
三、技术开展趋势
〔1〕高压力输气与高强度、超高强度管材组合是新建管道开展最主要趋势
高压气管道是指运行压力在10～15 MPa 之间陆上天然气管道。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本钱。当运输距离为5 000 km、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本钱20%～
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35%。采用高压输气可减小管径，通过高钢级管材开发与应用可减小钢管壁厚，进而减轻钢管重量，并减少焊接时间，从而降低建立本钱。例如采用管材X100 比采用X65 与X70 节约费用约30%，节约管道建立本钱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与合成树脂。采用这种管材，可进一步提高输送压力，降低建立本钱，同时可增加管输量，增加管道抵抗各种破坏能力与平安性。当管材钢级超过X120 及X125 时，单纯依靠提高钢级来减少本钱已十分困难，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主要原因是对材料性能、安装技术与现场试验还需进一步验证与更好了解。
〔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经济效益，但富气输送时天然气热值较高，要求管材不但能防止裂纹启裂，而且还要具有更高防止延性裂纹扩展止裂韧性。以Alliance 管道为代表高压富气输送是天然气输送技术重大创新，其断裂控制是该管道关键技术之一。
深入了解高钢级管道钢管断裂控制是未来以低本钱建立管道前提。由ECSC、CSM、SNAM 与European 联合进展工程，就是研究大口径X100管道在15 MPa 高压下断裂行为。
〔3〕多相混输技术
20 世纪70 年代，各兴旺国家相继投入了大量资金与人力，进展多相流领域应用根底
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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试验环道，采用多种先进测量仪表与计算机数据采集系统，在大量高质量试验数据根底上进展多相流研究。已有多相流商业软件中，著名OLGA 软件可以进展多相流稳态与瞬态流动模拟。
〔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煤炭、石油与天然气能源总储量两倍，被认为是21 世纪最理想、最具商业开发前景新能源。天然气水合物潜在战略意义与经济效益，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热潮。虽然目前世界上还没有高效开发天然气水合物技术，但许多国家已制定了勘探与开发天然气水合物国家方案。美国1998 年将天然气水合物作为国家开展战略能源列入长远方案，准备在2021 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研究方案。
根据目前国外对天然气水合物技术研究，可以得出几点共识：一是天然气水合物在常压、-15～-5℃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遥远油田伴生气，该技术可行性优于液化天然气、甲醇与合成油技术。该技术平安且对环境无污染；三是天然气水合物技术本钱比液化天然气生产本钱约低四分之一；四是采用天然气水合物技术可以对天然气进展长距离运输。
四、国内天然气管道技术现状
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西气东输代表了目前我国天然气管道工程最高水平。西气东输管道设计输量为120×108m3/a；管道全长3 8.5 km；管径1 016 mm；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技术水平分析如下：
〔1〕采用设计与建立标准与国际接轨。
〔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TGNET、SPS、AutoCAD等软件，进展工艺计算、特殊工况模拟分析与设计出图。
〔4〕管材采用高强度、高韧性管道钢，主要有X52、X60、X65 与X70，国内有生产大口径螺旋缝埋弧焊钢管与直缝钢管能力。
〔5〕管理自动化、通信多种方式并用。运营管理采用SCADA 系统进展数据采集、在线检测、监控，进展生产管理与电子商务贸易；通信采用微波、卫星与租用地方邮网方式，新建管道将与国际接轨，向光缆通信开展。
〔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〕与环氧粉末聚乙烯复合构造〔三层PE〕。管道内涂层主要采用液体环氧涂料。
〔7〕天然气计量。我国早期建立管道天然气计量大都采用孔板计量；而近年新建几条输气管道采用超声波流量计。
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〔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增压机组有离心式与往复式压缩机，驱动方式有燃驱与电驱；将来我国长距离输气管道主流机型采用离心式，在有电源保证条件下采用变频电机驱动为开展方向。
〔9〕管道施工。目前我国管道建立引进了国际上通行HSE 管理技术，采用了第三方监理机制；管道专业化施工企业整体水平到达国际水平，装备有先进施工机具，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展在线或离线不同工况模拟，以确定既能满足供气需求，又使单位输气本钱最低运行操作方案。
五、差距分析
我国大局部输气管道建于20 世纪60～70 年代，与国外兴旺国家与地区完善供气管网相比有很大差距，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，不能满足目前增长市场需求。不过我国市场前景潜力很大，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主力军，让我们为世界添上更辉煌一笔。
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