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油氣管道發(fā)展的可持續性探討

來(lái)源:《管道保護》雜志 作者:張圣柱;程玉峰 時(shí)間:2020-1-21 閱讀:

張圣柱1,2 程玉峰1

1.加拿大卡爾加里大學(xué)機械工程系; 2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院危險化學(xué)品安全技術(shù)研究所

 

 

管道是油氣運輸最有效、最經(jīng)濟和最安全的方式。從世界范圍來(lái)看,油氣管道的建設及運行已歷經(jīng)一個(gè)世紀有余。管道工業(yè)對于國民經(jīng)濟、社會(huì )就業(yè)、能源供給等起著(zhù)至關(guān)重要的作用,這一態(tài)勢在亞太、歐洲、北美等地區尤其明顯。另一方面,每一次管道失效而導致的油氣泄漏甚至人身傷亡事件,都會(huì )引發(fā)社會(huì )大眾對管道影響環(huán)境、生態(tài)、氣候與社區安全的疑慮,關(guān)于油氣管道發(fā)展可持續性的討論從未間斷。

管道發(fā)展的可持續性問(wèn)題涵蓋的內容十分廣泛,除了管道設計、施工、運行、維護、檢/監測、安全評估、失效預測、應急響應、后果分析等主題外,還涉及到經(jīng)濟發(fā)展、環(huán)境與生態(tài)保護、社會(huì )影響等多個(gè)方面,本文力圖從這些方面入手,分析、探討管道工業(yè)發(fā)展的可持續性。

1 管道經(jīng)濟學(xué)

分析表明,相同距離通過(guò)管道運輸1桶石油的平均運費為5美元,而用火車(chē)和公路貨運的方式分別為10~15美元和20美元。換個(gè)角度來(lái)看,當花費1美元輸送1噸原油時(shí),公路貨車(chē)只能運送30公里,火車(chē)與輪船分別可以運送72公里和322公里,而管道則能輸送383公里。此外,管道能夠不間斷地將石油、天然氣及石化產(chǎn)品從油氣田或煉化工廠(chǎng)送達消費者;具有最低的單位容積失效率(例如,加拿大2017年石油與天然氣的泄漏量分別僅占總輸送量的0.000 004 % 和0.000 049 %);運送的油氣以及相關(guān)產(chǎn)品在運輸過(guò)程中不會(huì )受到污染而影響其質(zhì)量;管道運輸不受氣候、路況等外部條件的影響。在加拿大,每天有超過(guò)380萬(wàn)桶原油和440萬(wàn)立方米天然氣通過(guò)管道運往各地,如果這些資源不使用管道運輸而改用貨運,大量車(chē)輛每天行駛在高速公路上,勢必造成公共安全、路況、噪音以及氣體排放等多方面負面影響。由此可見(jiàn)管道運輸優(yōu)勢。

同時(shí),管道工業(yè)本身對國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了重要貢獻。據統計,加拿大管道工業(yè)直接雇傭的全職專(zhuān)業(yè)工作人員超過(guò)34 000名,每年凈收入約30億加元。2015―2016年美國管道建設及運行為國民生產(chǎn)總值(GDP)貢獻了470億美元。管道數量的不足以及由此導致的油氣運輸能力的限制也會(huì )顯著(zhù)影響國家的經(jīng)濟發(fā)展。近十年來(lái),加拿大的管道建設由于種種原因進(jìn)展緩慢,數條關(guān)乎國民經(jīng)濟發(fā)展的管道項目或被推遲、或被否決。在2013―2017年間,由于管道運輸能力不足而導致加拿大油氣工業(yè)(不包括管道工業(yè))207億加元的收入損失(扣除運輸成本之后)。據估計,由于管道運輸能力的限制,加拿大油氣工業(yè)2018年的總收入減少158億加元,許多專(zhuān)業(yè)人員還因此失業(yè)。

2 管道與環(huán)境

管道建設與運行對環(huán)境的影響程度取決于多種因素,包括運輸的介質(zhì)、運行壓力、管道路徑選擇、管道周?chē)h(huán)境(如河流、水源、植被)等。一般來(lái)說(shuō),液體物質(zhì)(例如原油、成品油等)泄漏對環(huán)境的危害比天然氣的泄漏更加嚴重,石油中的有害、有毒組分能夠長(cháng)期污染環(huán)境。微小泄漏的危害也不容輕視,由于微小泄漏不會(huì )產(chǎn)生明顯的壓力與流量變化,當人們發(fā)現這些泄漏時(shí),可能已經(jīng)有相當容量的石油進(jìn)入到環(huán)境中了。據加拿大能源部分析, 1992―2011年間, 長(cháng)輸管道由于微小泄漏而流失到土壤、河水中的石油體積超過(guò)3 000立方米。有些管道毗鄰或穿過(guò)環(huán)境保護區,即使發(fā)生小容量的石油泄漏也將造成嚴重后果,環(huán)境恢復將非常緩慢。

(1)土壤。當石油泄漏進(jìn)入土壤時(shí),土壤結構與顆粒的分散性將受到破壞,使得土壤的水滲透性降低。石油中的基團與土壤中無(wú)機氮、磷等反應,使得土壤中的氮、磷含量降低,土壤氮化能力被破壞。石油中的多環(huán)芳烴的危害性更大,他們在通過(guò)食物鏈被動(dòng)物、植物吸收后會(huì )導致癌變,甚至基因突變。

(2)水體。石油泄漏進(jìn)入水體后造成的環(huán)境損害比土壤污染更為嚴重。石油在水的表面形成一層厚度不一的油膜,降低水中的溶解氧含量,從而影響水體的自?xún)艋芰,使得水質(zhì)變差,有異味產(chǎn)生。油膜或油滴也能夠附著(zhù)在水中的固體顆;蛩锉砻,迅速在水面擴展,或者滲透到水體深處。隨著(zhù)污染范圍的擴大,水體的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。水污染能夠直接導致水生動(dòng)物死亡,漁業(yè)減產(chǎn)。另一方面,水中的石油污染物可通過(guò)水生動(dòng)物的呼吸、飼養過(guò)程進(jìn)入體內,一旦人類(lèi)吃了受到石油污染的水產(chǎn)品后,人體的健康與生命安全將受到極大威脅。

(3)空氣。管道泄漏發(fā)生后,天然氣或石油產(chǎn)品產(chǎn)生的氣體揮發(fā)物會(huì )擴散到周?chē)諝庵,這些有害氣體在太陽(yáng)的紫外線(xiàn)輻射下發(fā)生物理或化學(xué)反應,一旦燃燒還會(huì )產(chǎn)生含有化學(xué)組分的煙霧或致癌物質(zhì),引起溫室效應,破壞臭氧層。甲烷是天然氣的主要成分,其導致的溫室效應比二氧化碳大的多,是一種更強的溫室氣體。除了管道泄漏,油氣燃燒用來(lái)驅動(dòng)泵站產(chǎn)生排放,其中二氧化碳和甲烷是溫室氣體,氮氧化合物和二氧化硫能夠導致酸雨,多環(huán)芳烴和有機碳化物可以參與空氣的光化學(xué)反應而導致鹽霧和霧霾。

3 管道與生態(tài)

(1)地表擾動(dòng)。當管道建設時(shí),植被清理以及施工過(guò)程中的設備存儲空間與道路建設等都會(huì )造成地表擾動(dòng)。車(chē)輛行駛會(huì )破壞植被,導致土壤結構改變(被壓實(shí))。一塊土地恢復到其先前狀態(tài)所需的時(shí)間長(cháng)短取決于多種因素,包括土地擾動(dòng)方式、設備運輸方法、道路修筑時(shí)間以及土壤性質(zhì)等。有時(shí),管道設施可能會(huì )在使用數十年后才開(kāi)始實(shí)施土地恢復措施;有時(shí),在特定區域進(jìn)行的勘探和建設活動(dòng)會(huì )反復進(jìn)行,從而使得土地遭受累積性影響,這樣造成的地面擾動(dòng)效應特別大,而完全恢復到初始狀態(tài)的難度相應增大,所需時(shí)間也顯著(zhù)增加。

(2)野生生物。管道的建設和運行會(huì )影響野生生物的活動(dòng),導致施工區域及其周邊生物物種減少。泵站發(fā)動(dòng)機的運行和管道排污操作產(chǎn)生的噪音會(huì )干擾野生生物,道路建設可能破壞野生動(dòng)物棲息地。此外,油氣管道的泄漏會(huì )導致生物種群的減少。對于海洋或河流穿越油氣管道而言,近海施工(如挖溝)會(huì )破壞水生環(huán)境,導致沉積物向下游流動(dòng)而造成進(jìn)一步的沉積現象。在溪流或河床的底部挖溝時(shí),魚(yú)類(lèi)的棲息地也將受到影響。

(3)植被。油氣管道建設勢必會(huì )破壞周邊區域的植被與地貌。由于土地所有權歸屬、環(huán)境與生態(tài)保護、能源運輸效率以及施工便利等情況,油氣管道與高壓電網(wǎng)往往會(huì )共用一條所謂的“能源通道”,在通道建設時(shí),地表植被均被移除,而且,根部很深的樹(shù)木在周?chē)^大的區域不能生長(cháng)(樹(shù)木根部會(huì )干擾管道,引起安全隱患)。植被生長(cháng)、恢復的速度受到許多因素的影響,通常是一個(gè)相當漫長(cháng)的過(guò)程。

(4)土壤流失。在管道建設區域的地表植被被移除后,土壤直接暴露于空氣環(huán)境,在雨水、冰雪以及大風(fēng)影響下,會(huì )發(fā)生嚴重的土壤流失。流失的土壤往往會(huì )在河流、湖泊與小溪處沉積下來(lái),導致淤積,大面積的植被移除區域還可能會(huì )發(fā)生泥石流。另外,管道建設將會(huì )使土壤的密度增加,氧和水在土壤中的擴散更加困難,降低土壤深層的氧濃度和濕度。

4 管道與社區

當管道經(jīng)過(guò)城市、鄉鎮時(shí),社區居民通常都會(huì )產(chǎn)生安全方面的顧慮。因為油氣管道一旦失效,除了造成上述經(jīng)濟損失、環(huán)境與生態(tài)破壞以外,對社區居民的影響也是非常嚴重的。 2010年9月9日,美國一條跨州天然氣管道在加州San Bruno市一個(gè)社區附近發(fā)生開(kāi)裂,釋放出135萬(wàn)立方米天然氣,而后遇火發(fā)生燃 爆,導致8人死亡, 58人受傷,并摧毀38間、損壞70間房屋,造成整個(gè)社區大疏散。同年7月25日,一條原油管道在密歇根州Marshall市失效, 320萬(wàn)升原油泄漏,成為美國歷史上最嚴重的陸地管道泄漏事件。漏出的原油浸泡了周?chē)臐竦毓珗@,流進(jìn)了Talmadge溪和Kalamazoo 河, 56公里長(cháng)的Kalamazoo 河全部被封閉, 50戶(hù)居民被疏散,數百人長(cháng)時(shí)間不能使用當地水源。較重的瀝青和蠟質(zhì)化合物沉入河床,使得清理工作變得極其困難,全部清理工作花了五年時(shí)間才結束。

5 管道發(fā)展的可持續性

在過(guò)去二十年中,為應對全球氣候變化和環(huán)境保護的需要,以風(fēng)能、核能、水力和再生能源為代表的“綠能”的使用逐年增加。然而,多方機構的統計均表明,全世界每年石油、天然氣和燃煤等化石燃料的使用占比都在85 %左右。在可預見(jiàn)的未來(lái),化石能源(尤其是天然氣),仍將主導全球能源使用市場(chǎng)。因此,管道在能源運輸和經(jīng)濟發(fā)展中的作用將越來(lái)越重要。

管道建設與運行本身會(huì )對環(huán)境、生態(tài)產(chǎn)生影響,這種影響存在于管道運行全生命周期的每一個(gè)階段。同時(shí),管道在服役過(guò)程中由于多種因素會(huì )發(fā)生失效,因此,建立完善的油氣管道全生命周期管理系統與完整性管理系統,實(shí)現二者的融合協(xié)調作業(yè),將為管道的安全可持續性發(fā)展奠定堅實(shí)基礎。由于管道完整性管理已在國內外得到廣泛研究與應用,本文重點(diǎn)介紹管道全生命周期管理系統。

油氣管道的全生命周期包括計劃、設計、建造、運行和廢棄五個(gè)階段。

(1)計劃。是管道全生命周期的第一階段,主要進(jìn)行路徑選擇。從環(huán)境和生態(tài)保護的角度看,必須對管道經(jīng)過(guò)或鄰近的地區進(jìn)行充分了解。在不可能繞道的情況下,需要在計劃階段就制定如何恢復由于管道建設而受到影響的環(huán)境和生態(tài),施工程序遵守相關(guān)法令和規定,利用已經(jīng)存在的能源通道鋪設新的管道,將管道建設給環(huán)境、生態(tài)、社區帶來(lái)的風(fēng)險列為路徑選擇設計時(shí)優(yōu)先考慮的因素,盡量避免穿過(guò)甚至接近敏感、被保護的地區。

(2)設計。這一階段所有影響環(huán)境、生態(tài)、社區安全以及管道完整性的因素都需要充分考慮。所選擇的管線(xiàn)鋼材料以及防腐技術(shù)必須與管道運行參數和環(huán)境條件相適應,管道系統采用的泵、壓縮機、閥門(mén)等設備必須符合管線(xiàn)運行的要求,在地質(zhì)活躍地區采取降低土壤運動(dòng)對管道影響的措施,設置有利于野生動(dòng)物活動(dòng)和遷移的通道和護欄,采用最新的自動(dòng)運行控制系統進(jìn)行工藝狀況參數在線(xiàn)采集和泄漏監測等。

(3)建造。管道施工對環(huán)境和生態(tài)影響最為嚴重,應該盡量采用破壞性小、影響低的施工技術(shù)?梢匝赜靡延械墓坊蚺R時(shí)路徑,或修建臨時(shí)公路,但避免建成永久性公路。在穿越河流時(shí),非開(kāi)挖的水平定向穿越技術(shù)可以有效降低環(huán)境影響。在野生動(dòng)物出沒(méi)的地區,修建有利于動(dòng)物活動(dòng)與遷移的設施。在管道建成之后,應該盡快將地貌和環(huán)境恢復原狀。國外(例如加拿大)推薦的一些施工經(jīng)驗包括:盡量在冬季施工,此時(shí)路面冰凍,不需要修路;盡可能減小管道施工活動(dòng)的面積和影響的范圍;避免在野生動(dòng)物遷移和繁殖期進(jìn)行施工等。

(4)運行。是管道全生命周期中最長(cháng)的階段,通常會(huì )持續幾十年。各種在線(xiàn)監測技術(shù)不僅提供管道服役狀況信息,而且有利于確定管道對環(huán)境和生態(tài)的影響,包括周期性在線(xiàn)內檢測、自動(dòng)控制系統、泄漏檢測系統、應急響應系統等。此外,人工并結合直升機與無(wú)人機巡航,能夠有效發(fā)現并防止第三方損壞與偷竊行為。在地質(zhì)不穩定地區(如山區、近北極地區等)建立土壤運動(dòng)檢測系統和氣候預報系統,防止自然災害對管道的影響。

(5)廢棄。管道廢棄是保障環(huán)境和生態(tài)完整性的重要階段。在管道服役期結束時(shí),管道內必須得到充分清洗,為防止廢棄管道塌陷,有些用混凝土進(jìn)行填充。目前,加拿大管道工業(yè)界正與卡爾加里大學(xué)合作,開(kāi)展廢棄管道的研發(fā),如研究長(cháng)期腐蝕生長(cháng)速率定量預測模型;建立廢棄管道在土壤應力、地表載荷與腐蝕的協(xié)同作用下,管道結構完整性破壞預測模型;廢棄管道在局部或大面積坍塌情況下土壤沉降預測模型等,提供可靠的廢棄管道所導致的風(fēng)險預測技術(shù)。

 

 

作者:張圣柱,中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院高級工程師,加拿大卡爾加里大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者。主要從事油氣管道失效風(fēng)險評估、后果分析與管道安全區域界定等方面研究。程玉峰,歐盟科學(xué)院院士,管道工程領(lǐng)域加拿大首席科學(xué)家,加拿大杰出材料科學(xué)家,卡爾加里大學(xué)終身教授。主要從事油氣田與管道腐蝕防護,油氣管道安全評估、失效預測與完整性管理研究。

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