國內典型城市燃氣管道失效調查與分析

摘 要

摘要：調查了國內6個典型城市燃氣管道的失效記錄，進行了對比分析。我國燃氣管道失效頻率高，不同城市間失效頻率差別很大。腐蝕是燃氣管道失效的主要原因，其中防腐層的完整性、燃
摘要：調查了國內6個典型城市燃氣管道的失效記錄，進行了對比分析。我國燃氣管道失效頻率高，不同城市間失效頻率差別很大。腐蝕是燃氣管道失效的主要原因，其中防腐層的完整性、燃氣氣質對腐蝕的影響最大。第三方破壞是燃氣管道失效的第二大原因，大城市的燃氣管道更容易遭受第三方破壞。引入管是燃氣管道系統最易失效的部件，管道附屬設備閥門和凝水缸是管道系統的薄弱環節。
關鍵詞：燃氣管道；失效調查；失效分析；失效頻率；腐蝕失效；第三方破壞
Investigation and Analysis on Failure of Gas Pipeline in Typical Domestic Cities
HUANG Xiao-mei，PENG Shi-ni，YANG Jun-jie，WANG Shu-miao
Abstract：The failure records of gas pipeline in six typical domestic cities are investigated，and a comparative analysis is conducted. The failure frequency of gas pipeline is high in China，the difference of failure frequency among different cities is large. The corrosion is the main reason for gas pipeline failure，and the integrity of anticorrosion coating and the gas purity have the greatest impact on corrosion. The third party damage is the second reason for gas pipeline failure，and the gas pipeline in large cities is more vulnerable to the third party damage. The service pipe is most likely to fail in the gas pipeline system. Pipeline ancillary equipments such as valves and condensate tank are weak links in pipeline system.
Key words：gas pipeline；failure investigation；failure analysis；failure frequency；    corrosion failure；third party damage
    燃氣管道的安全問題是燃氣經營企業、城市居民和政府部門最為關注的問題之一。我國城市燃氣氣源種類多，有的城市還經過了幾種不同燃氣的轉換，不同城市、不同時期燃氣管道選材、防腐方法等有所不同，各城市的土壤腐蝕性差異很大，再加上燃氣企業的經營管理水平差異較大，這些因素導致我國各城市燃氣管道失效的特征、失效頻率以及失效的后果都有很大差別。我國缺乏專門針對燃氣管道失效和事故的報告制度，各城市的燃氣經營者大多未保留完整的管道失效資料，關于此類資料不同城市之間缺乏交流。業內學者一般僅針對個別城市的燃氣管道失效進行統計分析[1～4]，而沒有進行多城市的對比分析，因而很難全面了解我國燃氣管道失效的特征。
1 燃氣管道系統失效調查
    為全面了解全國范圍內的燃氣管道失效和事故的特點，本文根據城市規模、地理位置、地形地貌、燃氣種類、主要管材及附屬設備、管道系統運行時間、壓力級制、防腐方式等因素，選擇了6個城市采用實地調研、訪談、調查問卷、收集故障資料等形式進行了管道失效和事故調查，這6個城市的管網基本情況見表1。
表1 6個城市管網的基本情況
城市
城市規模
地理位置
地形地貌
燃氣種類
主要管材及附屬設備
運行時間
壓力級制
防腐方式
A
特大城市
西南地區
山地
天然氣
絕大部分為鋼管，少量PE管；附屬設備主要為閥門。
逾30年
次高-中-低壓三級管
網，中壓進小區，樓棟調壓，低壓入戶。
早期主要采用石油瀝青，近期主要采用聚乙烯黏膠帶和3層PE復合結構。
B
大城市
華中地區
丘陵
原為人工煤氣，現轉換為天然氣。
多數為鑄鐵管，少數為鋼管；附屬設備有閥門和凝水缸。
逾20年
中-低壓二級管網，區
域調壓。
主要為環氧煤瀝青。
C
中等城市
華北地區
平原
天然氣
基本上為鋼管；附屬設備有閥門和凝水缸。
15年
中-低壓二級管網，區域調壓。
最早采用玻璃鋼，后采用環氧煤瀝青，近期主要采用2層PE復合結構。
D
中等城市
東北地區
海濱
天然氣
基本上為鋼管；附屬設備有閥門和凝水缸。
10年
中-低壓二級管網，區域調壓。
早期采用環氧煤瀝青，近期主要采用2層PE復合結構。
E
中等城市
華東地區
平原
人工煤氣、天然氣
多數為鑄鐵管，少數為鋼管；附屬設備有閥門和凝水缸。
逾20年
中-低壓二級管網，區域調壓。
早期采用石油瀝青，近期主要為3層PE復合結構。
F
中等城市
華南地區
平原
液化石油氣
多數為鋼管，少數為PE管；附屬設備有閥門和凝水缸。
近20年
中-低壓二級管網，區域調壓。
主要采用3層PE復合結構。
這幾個城市覆蓋了我國的主要地形地貌、燃氣類型、管材類型、防腐方法、壓力級制等，因此對這幾個城市的管道失效進行統計分析，對全國范圍內的燃氣管道失效特征的估計有很好的參考意義。各城市的燃氣管網失效記錄統計見表2。
2 燃氣管網各組成部分的失效分析
2.1 城市配氣管道
① 失效原因分析
城市配氣管道幾乎都是埋地管道，將表2中6個城市的管道失效情況用單位長度管道失效頻率進行統計，可知城市配氣管道失效的最主要原因是腐蝕，約占總失效原因的68%；其次是第三方破壞，約占18%；第三是連接接頭失效，約占9%，連接接頭失效主要發生在鑄鐵管機械連接接頭上；管道質量缺陷和地面運動共占約5%。
a. 外腐蝕
外腐蝕主要發生在埋地鋼管上，腐蝕之處的外防腐層一般都嚴重破損，有些是因年久整體老化，有些則是施工活動破壞了防腐層，但防腐層破損處或整體老化處未必發生嚴重的外腐蝕，防腐層破損且管道埋設于腐殖土中時外腐蝕才最為嚴重。防腐層失效與管道回填質量、防腐層類型和服役時間有密切關系，其中施工質量對防腐層有決定性影響；一般服役時間越長，防腐層失效概率增加，但從防腐層種類來看，環氧煤瀝青比石油瀝青更容易整體失效。此外，施工損壞防腐層也是常見的防腐層失效原因。鑄鐵管外表面也可見銹跡或較淺的均勻蝕坑，但很少遭受嚴重的外腐蝕。
    b. 內腐蝕
    調查發現輸送天然氣的管道幾乎都不曾發生內腐蝕，內腐蝕主要發生在輸送人工煤氣的管道上。內腐蝕失效的情況取決于燃氣氣質，如E市由于燥氣氣質較好，管道內腐蝕頻率很低，而B市由于長期使用凈化不合格的人工煤氣，燃氣中含有大量的水、硫化氫、萘、灰塵等雜質，使得管道內腐蝕失效頻率很高。輸送氣質不合格的燃氣，無論是鋼管還是鑄鐵管都會發生嚴重的腐蝕穿孔現象，且鋼管腐蝕程度更高。
表2 被調查城市的燃氣管網失效記錄統計
城市
A
B
C
D
E
F
統計時間/a
2
3
3
6
1
2
統計的城市配氣管道長度/km
2000
600
520
480
800
400
失效數量/次
城市配氣管道
腐蝕
292
308
114
16
7
2
第三方破壞
施工破壞車輛沖擊
128
45
1
4
8
6
0
0
0
6
1
管道質量缺陷
管材質量缺陷
36
0
4
0
0
0
焊縫缺陷
2
3
0
0
地面運動
地基下沉
0
0
0
1
1
滑坡
5
0
0
0
0
連接接頭失效
車輛沖擊
0
76
0
0
1
0
地基下沉
7
墊圈老化
5
干氣不適應
12
城市配氣管道合計
456
436
119
23
47
10
用戶引入管
腐蝕
345
251
0
0
44
0
地基下沉
0
0
0
0
4
0
活接頭泄漏
7
67
干氣不適應
0
13
車輛沖擊
1
0
閥門
腐蝕
20
86
0
0
0
0
第三方破壞
0
0
 
閥體結構破壞
2
1
連接失效
0
1
凝水缸
腐蝕
0
122
0
13
8
0
施工破壞
0
2
0
0
9
0
其他
0
6
0
0
0
0
城市配氣管道平均失效頻率(次·km-1·a-1)
0.114
0.242
0.076
0.008
0.059
0.013
   c. 第三方破壞
   第三方破壞的主要形式有施工破壞、車輛沖擊和違章占壓。其中，第三方施工對管道的破壞是最常見的破壞形式，在管道失效總原因中所占比例僅次于腐蝕，各調查城市的平均比例為18%。對于腐蝕控制較好的燃氣公司，施工破壞則成為最主要的失效原因，這是由于施工破壞大多是偶然發生的，控制難度較大。從表1和表2可以看出，大城市和特大城市的燃氣管道更容易受到施工破壞的威脅。車輛對地面管道及用戶引入管的破壞也偶有發生，車輛碾壓和違章占壓給管道增加了較大的負荷，但因此直接導致失效的情況很少發生。
   d. 管道質量缺陷
   管道質量缺陷主要包括管材原始質量缺陷(包括制造缺陷和運輸過程中的損傷)和焊接或熔接缺陷。管材原始質量缺陷偶有發現，但直接導致管道失效的情況非常少；焊接質量缺陷導致失效在部分早期施工的管道上常有發生，主要原因是施工質量控制不嚴，焊工無證上崗和盲目趕工期所致。經調查發現，焊縫處的失效大多是腐蝕，這是因為焊縫處的防腐層補口質量遠不如管體的防腐層。
    e. 地面運動
    地面運動主要包括地質性沉降、地基沉降、滑坡、水災沖刷等。此類失效原因發生頻率也是較低的，僅對特定位置有影響，常見的情況是地基沉降導致管道系統機械連接開裂。
   f. 連接接頭失效
   連接接頭失效主要發生在鑄鐵管的機械連接接頭以及管道與附屬設備之間的連接件上。其中，已經由人工煤氣轉換為天然氣的城市，管道接頭由于不適應于氣而導致漏氣的情況最為普遍；其次由于接頭處的墊圈、填料老化漏氣的情況也較多。
   ② 城市配氣管道系統失效頻率分析
   6個城市中，配氣管道失效頻率最高的達到0.242次/(km·a)，而最低僅為0.008次/(km·a)，相差約30倍，6個城市配氣管道失效頻率的平均值約為0.085次/(km·a)。
    由表1和表2可見，運行時間越長的燃氣管道，失效頻率也越高，這說明運行了三四十年的管道已經進入老化階段。但失效頻率并不與運行時間成正比，它還與管道類型、工程質量、氣質質量等多種因素有關，例如B市輸送的燃氣具有強腐蝕性，使得其失效頻率最高；F市與C市的燃氣管道特征參數類似，且都輸送氣質條件較好的干氣，可認為燃氣對失效頻率無影響，但由于F市工程質量控制得較好(如采用了優良的防腐材料，開挖回填、焊接均嚴格遵守了有關規范的要求)，而C市早期施工質量較差，因而F市的失效頻率遠低于C市。
2.2 用戶引入管
   調查發現用戶引入管失效頻率很高，例如A市用戶引入管失效次數占管道系統總次數的42%。用戶引入管易失效有以下原因：用戶引入管的特點是穿越土壤、空氣的交界面，受干濕交替影響頻繁，土壤應力作用明顯；用戶引入管地面部分暴露在大氣環境中，遭受日曬雨淋，防腐層易老化；用戶引入管受到建筑物沉降等作用力的影響；用戶引入管常常不經意地成為建筑物的“接地體”，電流干擾嚴重；用戶引入管的防腐層一般是現場手工施工，質量較差；用戶引入管上管件較多，部分管件易失效，如活接頭；用戶引入管暴露在地面上的部分容易受到第三方干擾，如車輛撞擊。
2.3 閥門和凝水缸
   閥門和凝水缸等管道附屬設備是重要的泄漏源，尤其是埋地的附屬設備，如凝水缸。由于其外表面積較大且多為自制，不容易做防腐處理，因此其腐蝕頻率比普通鋼管高，再加上凝水缸的排水管等部件也較容易失效，使得凝水缸成為管網系統的薄弱環節。
    閥門的失效多為填料、密封失效或閥芯、閥桿損壞，閥門與管道間的法蘭連接滲漏也偶有發生。但由于閥門一般都安裝在閥井中，失效比較容易被巡線人員發現，維修也很方便。
3 結論與建議
    從對國內6個典型城市的燃氣管道失效調查發現，我國燃氣管道失效頻率總體較高，且不同城市之間的失效頻率差別很大。為降低燃氣管道失效頻率，建議應采取以下幾點措施。
    ① 工程設計時，應對管道線路的土壤腐蝕性進行調查，在高腐蝕性區域選擇高等級防腐層，在符合規范的條件下，應優先選用PE管道。
    ② 加強燃氣管道工程質量的控制，尤其應注意在施工過程中保證防腐層的完整性。
    ③ 運行時間較長的管道應定期評估防腐層的質量狀況，檢測防腐層破損點，并及時修復；應為在役埋地鋼管追加陰極保護系統。
    ④ 用戶引入管應做高等級防腐，可采用中間帶有一段PE管的預制用戶引入管。
   ⑤ 應對燃氣氣質進行監測，尤其應控制燃氣中的水分等符合規定。
    ⑥ 閥門和凝水缸是重要的泄漏源，工程設計時設置閥門和凝水缸應謹慎，對于輸送干氣的管道系統，可不設置凝水缸。
參考文獻：
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(本文作者：黃小美1 彭世尼1 楊俊杰2 王書淼2 1.重慶大學城市建設與環境工程學院 重慶 400045；2.新奧(廊坊)燃氣技術研究發展有限公司 河北廊坊 065001)