元坝气田酸气管道硫化氢泄漏防控技术研究与评价

（中石化西南油气分公司采气二厂，四川 阆中 637400）  

摘  要:  针对可能造成酸气管道硫化氢泄漏的风险因素进行识别，引入管道智能检测、分布式光纤预警监测、地质灾害评价与监测、无人机巡线等技术，通过对各项技术措施开展现场试验、性能优化及实际应用，评价每项技术措施在管道硫化氢泄漏防控中的作用，分析存在的不足并提出下步改进方向。

关键词:  酸气管道；智能检测；泄漏监测；无人机 

0 引 言

元坝气田位于四川省广元市、南充市境内，是国内外已发现的埋藏最深的高含硫复杂生物礁气田，天然气中硫化氢平均浓度为5.53%，有剧毒和强腐蚀性。截止2021年，气田集输管网累计140.79km。在日常运行过程中，存在因地质滑坡、腐蚀穿孔及第三方破坏导致管道含硫化氢天然气泄漏的安全风险，硫化氢泄漏极易造成周边人员中毒死亡，后果严重。本文对可能造成管道硫化氢泄漏的风险因素进行识别，对酸气管道智能检测、分布式光纤预警监测、地质灾害评价与监测、无人机巡检的系统性管控技术进行了应用效果评价。

1 管道泄漏风险因素识别

1.1 地质灾害导致管道断裂风险

元坝气田集输管网位于四川东北地区，集输管网东西走向长70公里，根据四川省国土资源厅统计，全省地质灾害占全国的15.7%，其中川东北占比44.2%，每年6-10月是地质灾害的高风险期，年均降雨量1000毫米。滑坡等地质灾害易引发管道挤压受损、应力集中甚至断裂。

1.2 湿硫化氢腐蚀导致管道穿孔风险

元坝气田集输管网海拔高差超过500m，部分管道内气体实际流速低于3m/s设计值。饱和水凝析及管道低洼点的积液，使得湿硫化氢对管道造成腐蚀。一般认为，湿的硫化氢引起的钢材开裂主要有四种类型：氢鼓泡、氢致开裂、应力腐蚀开裂及应力导向氢致开裂。同时，研究表明，含有其他腐蚀性介质，如氯离子、二氧化碳、二氧化硫时，能促进硫化氢的腐蚀效果，增加钢材应力腐蚀开裂的可能性。

1.3 第三方施工导致管线破损风险

元坝气田集输管网途径山地、农田、道路，地域范围广，面临着第三方施工破坏的安全风险。

2 管道泄漏防控措施

元坝气田酸气管道采用“抗硫管材（L360QS）＋缓蚀剂＋腐蚀监测+智能检测+阴极保护”的联合防腐工艺，结合每段酸气管道的实际工况，按30-45天的周期开展缓蚀剂批处理。

2.1 酸气管道智能检测技术

智能检测（内检测）是发现管道内外壁腐蚀缺陷和应力损伤最成熟的一种方式，元坝气田酸气管道智能检测工序为：清管→测径→几何检测→漏磁检测→缓蚀剂涂膜。

2.1.1 技术原理       

漏磁检测即通过漏磁检测器，利用永久性磁铁将管道管壁饱和磁化，与被测管壁形成磁回路，利用探头拾取金属损失处的漏磁信号，进而判别金属损失缺陷。当管壁没有缺陷时，磁力线处于管壁之内；当管壁存在缺陷时，磁力线会穿出管壁产生漏磁，显现漏磁信号突变（如图1），根据缺陷信号特征，可分析缺陷长度、宽度及深度。

图 1  元坝101-1H至元坝1-1H段内部金属损失映像图

几何检测即通过几何变形检测器，将探头所检测到管道各点的径向距离（或角度），绘制到按照以里程为横坐标、以传感器分布角度和传感器高度的叠加值为纵坐标的曲线图上。通过观察分析曲线图的变形方式和大小，推算管道实际的变形情况，可检测管道的凹陷、椭圆度变形、阀门、三通、环焊缝、弯头等信息。

2.1.2 应用效果

2019-2021年，对元坝气田酸气管道开展智能检测工作，将检测结果显示金属损失缺陷大于20%的点全部纳入开挖验证范围，在金属损失缺陷密集处选择有代表性的点进行开挖验证。将内腐蚀深度超过25%、内腐蚀缺陷密集且腐蚀面积大、外部缺陷深度超过30%或管道相对变形量大于6%的缺陷损伤管线进行预防性更换。按以上更换原则，通过智能检测明确了16处需进行更换的管段，保证管道本质安全。

2.2 分布式光纤预警监测技术

为实时监控酸气管道运行情况，及时发现管道周边第三方施工及初期泄漏，引入分布式光纤预警监测系统。

2.2.1 技术原理

分布式光纤声波传感技术（DAS）基于光反射与干涉原理，通过实时监测声波频率、相位和振幅，实现管道泄漏、第三方入侵事件精确定位并及时预警。即：脉冲光信号经过脉冲光放大器放大滤波后经环形器注入光纤，当光纤某部位受到扰动时，该处光波相位会改变。由于干涉作用，光相位变化引起光强度改变，通过对携带扰动信息的光信号进行分析处理，实现对泄漏和入侵精确探测。

2.2.1 应用效果

通过在元坝气田开展2年的现场试验及DAS连续监测，建立监测信号特征数据库，形成管道泄漏、机械挖掘、人工作业、暗流冲击四种预警模式，智能识别不同扰动行为，定位精度小于3米，事件识别准确率大于95%。有效识别了多起现场机械作业、管道上方开挖等施工。

图 2  模拟泄漏测试信号能量瀑布图

2.3 地质灾害评价与监测技术

依据《油气管道地质灾害风险管理技术规范》（SY/T6828）定期开展酸气管道地质灾害评价，确定风险等级（高、较高、中、较低、低）。针对较高及以上风险，通过修建抗滑桩、堡坎、削坡与清除、锚固等地质工程技术手段进行治理。针对中低风险，通过地表位移监测、拉线式位移计监测、降雨量监测、深部位移监测、地下水位监测等手段进行地质灾害监测。已累计投用9处共29套地灾监测设备，对不同类型监测设备设置预警值，达到预警值自动分级推送报警信息，确认险情后，分级开展应急处置。

2.4 无人机巡检与应急处置技术

引入无人机用于元坝气田酸气管道、桁架、地质灾害风险点、巡检困难点的辅助巡检，利用无人机搭载的高倍变焦镜头采集管道沿线的图像、影像、热成像资料，通过对比分析每次巡检数据，及时掌握管道附属设施、地表附着物、地形变化等信息。管道出现山体滑坡地质灾害、第三方破坏或腐蚀穿孔等异常情况时，亦可通过无人机开展侦查及人员搜救工作[5]。

2.4.1 无人机通信链路自组网技术

为解决山区地形起伏对高质量通信的限制，规划建设16个无人机地面基站（气田通信基站与管道沿线场站），实现无人机通信链路全覆盖，达到实时数传、图传，确保无人机低空无障碍飞行。无人机在沿管道巡检飞行时，自动发现通信质量最佳的地面基站进行连接，将视频、数据传输至指挥中心。

2.4.2  无人机定航巡检技术

通过试飞优化无人机飞行路线、飞行高度、机头方向、定位点经纬度坐标、悬停时间、工作任务、重点巡检位置等参数信息。针对140.79km酸气管道规划了11条无人机航线，确保无人机具备航线自动规划、自主和半自主飞行功能。

3  结语

（1）每年雨季前对酸气管道沿线开展地质灾害评价及治理，通过对地质灾害易发点采取相应的工程技术措施进行治理，是防止汛期地质灾害的有效手段。

（2）管道智能检测的几何检测和漏磁检测可有效识别管道金属损失和应力变形缺陷，对比电指纹（FSM）或超声波（UT）在线监测，具有检测全面、数据准确、费用高昂的特点，目前是发现管道腐蚀、受损和应力变形的有效手段。

（3）针对光纤安全预警监测系统已形成的管道泄漏、机械挖掘、人工作业、暗流冲击四种预警模式，后期应根据光纤泄漏监测系统实际报警情况，继续优化识别模型，提高系统识别的精准性。

（4）无人机能弥补人工巡线缺陷，可避免人工巡检无法到达造成的数据遗漏，能提供录像监控画面，实时对比管线周围实物信息，但在雨雪大风等恶劣天气巡护、电池续航方面还有短板。

（5）卫星遥感监测技术具有监测面积大、精度高、实时性强、自动化程度高的特点，可论证卫星遥感监测技术在元坝气田酸气管道上开展地灾监测的可行性。

参考文献

[1]  向利，陈川，杨阳，易亚文，张其俊，朱海，邓勇.大气中硫化氢对钢材腐蚀影响与防护. 装备环境工程，2020，17（8）：78～84.

[2]  张丽，周巍.集输管道分布式光纤声波泄漏监测系统的设计与试验. 电力自控，2021，40（8）：57～64.

[3]  崔省安，李德升，群升，李杰，程凯，赵辉杰. 漏磁式智能检测技术在输气管道上的应用. 科技创新导报，2020，16（6）：16～18.

[4]  付晓东，张永健，戈新锐，任凤，王茜. 靖西二线天然气管道漏磁内检测技术及应用. 储运工程，2019，38（8）：70～74.

[5]  马瑾，李永阳，齐宝军，陈宗宇，韩鹏飞. 浅谈无人机在苏里格气田集输干线巡护中的应用. 中国设备工程，2021，06（下）：25～26.

     来源：化学工程与装备 - 官方网站 - 创刊于1972   2022年第5期   在线投稿  >>