高含硫天然气集输管道腐蚀与泄漏定量风险研究

本文结合“大型油气田及煤层气开发”国家科技重大专项“高含硫气藏安全高效开发技术研究”项目(2008ZX05017)所属课题“高含硫气田集输工艺与安全控制技术”,系统开展高含硫天然气集输管道腐蚀与泄漏定量风险研究,通过理论研究、数值计算和计算机仿真,在高含硫天然气集输管道腐蚀因素分析、腐蚀泄漏风险定量预测、腐蚀泄漏预警研究、腐蚀泄漏风险评价指标体系及方法、腐蚀泄漏检测优化等方面取得较大的研究进展。主要研究成果总结如下: 1高含硫天然气集输管道腐蚀因素分析 高含硫天然气集输管道腐蚀影响因素主要为内腐蚀、埋地金属腐蚀和大气腐蚀。内腐蚀影响因素包括产品腐蚀和管道内防护;埋地金属腐蚀包括地下环境、阴极保护和包覆层;大气腐蚀包括大气暴露、大气类型和包裹层等因素。分析流速、压力、温度等管道运行参数对内腐蚀的影响,用灰色关联度方法辨识内腐蚀的主要影响因素为硫化氢含量。并用事故树方法对高含硫天然气集输管道腐蚀因素进行系统分析,得出各因素的结构重要度及导致腐蚀失效发生的最小割集。 2高含硫集输管道腐蚀泄漏风险定量预测 应用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法定量预测高含硫天然气集输管道泄漏后果,构建集气站高含硫天然气泄漏CFD模型,并探讨网格依赖性、风场一致性和模型有效性对CFD模拟的影响。实现对多种工况高含硫天然气泄漏后果的预测。预测结果表明,各种工况下人员中毒风险较大,且明显高于可燃气体燃爆风险。提出复杂山区地形CFD网格生成技术。通过处理待建模地区的GIS数据,获取分别对应于经度、纬度和海拔高度的坐标,确定参考点并转换为平面直角xyz坐标并以此为基础,构建真实地形CFD网格。实现对高含硫天然气复杂山区地形扩散后果的真实预测,并以某泄漏工况为例,预测山区地形高含硫天然气泄漏后30 min内的扩散后果。提出CFD与中毒剂量反应模型结合的人员急性中毒定量评估技术,通过CFD计算泄漏毒气的实时浓度场,根据浓度场和暴露时间确定人员暴露剂量,由剂量反应模型确定人员死亡百分比。对高含硫天然气集气站人员中毒风险进行定量分析,以某泄漏工况为例,评估人员静止不动和在应急撤退过程中的中毒死亡百分比。 3高含硫集输管道腐蚀泄漏预警方法 提出高含硫天然气集输管道腐蚀穿孔预警技术方案,包括集输管道腐蚀风险辨识、腐蚀风险预测预警及腐蚀穿孔应急控制三个阶段,并对各阶段适用的技术方案进行详细分析,可为相关预警及应急提供可靠的决策依据。 建立可用于预警系统的多种腐蚀速率预测数学模型,包括灰色模型、BP神经网络模型、Monte-Carlo模型、灰色神经网络模型,并对各种预测模型的预测精度进行对比,可为腐蚀泄漏预警提供决策参考。 提出基于剩余强度评估的腐蚀降低管道输送能力预警方法,明确腐蚀管道预警事件分级标准及相应预警阈值。 4高含硫集输管道腐蚀泄漏风险评估指标体系 构建高含硫天然气集输管道腐蚀风险评估指标体系,由腐蚀指数评估管道腐蚀相对风险。腐蚀指数包括大气腐蚀指数、内腐蚀指数和埋地金属腐蚀指数三部分,每部分又包括若干二级指标和三级指标。给出各指标的详细评分标准,各项指数累计评分之和即为管道腐蚀相对风险,范围0～100分,分值越高腐蚀风险越小。 为减小评分法的主观不确定因素,引入层次分析法根据各评分专家的知识背景、工作经历、专业特长等因素来确定评分专家对内腐蚀指数、大气腐蚀指数和埋地金属腐蚀指数的评分权重。通过权重与各专家评分值相乘并累计相加得出最后的腐蚀指数评分结果,增加了腐蚀指数评分法的客观性。 探讨管道腐蚀相对风险和绝对风险的关系,建立腐蚀指数相对风险值与腐蚀速率及可能导致腐蚀穿孔失效时间的对应关系,使得腐蚀指数风险评估结果的直观性得以增加。 5高含硫集输管道腐蚀泄漏检测优化 提出基于CFD的高含硫天然气泄漏检测优化方法。以高含硫天然气集气站为例,研究气体检测报警仪的布置优化,构建集气站CFD模型,并将站内气体检测报警仪设置为模型中的监测点,通过对天然气泄漏及扩散过程的数值模拟获得各监测点的甲烷和硫化氢浓度。据此对可燃气体检测报警仪布置高度、可燃及有毒气体检测报警仪探测有效性及反应时间进行了分析,提出了高含硫气田集气站气体检测报警仪布置优化的建议。