吳曉華 龐林 楊利

(東方地球物理公司西南物探分公司，四川 成都 610213)

0 引言

近年來，為響應(yīng)節(jié)能減排和碳中和方面的要求，社會對頁巖氣等綠色清潔能源的需求量不斷提高。但由于我國頁巖氣開發(fā)起步較晚，對頁巖氣管道的腐蝕問題研究較少。據(jù)相關(guān)調(diào)查表明，隨著氣田開采時間的增加，國內(nèi)涪陵、威遠、長寧等頁巖氣田集輸管線或井筒陸續(xù)出現(xiàn)不同程度的內(nèi)腐蝕[1-4]。由于腐蝕導(dǎo)致管道泄漏失效，造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，制約了整個油氣田的正常生產(chǎn)和運營。

目前，國內(nèi)外學(xué)者通過不同的方法對于管道泄漏失效進行了大量的研究。如使用故障樹[5-8]、層次分析法[9-10]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[11-12]、模糊邏輯方法[13-15]等構(gòu)建管道泄漏失效的評價體系，但對泄漏失效因素的整體、系統(tǒng)的評價分析過程較少。

系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics，SD)是系統(tǒng)科學(xué)理論與計算機仿真緊密結(jié)合、研究系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)與行為的一門科學(xué)，是系統(tǒng)科學(xué)與管理科學(xué)的一個重要分支。通過系統(tǒng)動力學(xué)，可以降低實際工程數(shù)據(jù)處理量，簡化模型結(jié)構(gòu)，有效從整體出發(fā)尋求改善系統(tǒng)行為的機會和途徑[16-20]。

基于此，本文通過構(gòu)建頁巖氣管道腐蝕泄漏失效的SD 模型，根據(jù)實際情景繪制頁巖氣管道泄漏致因的因果關(guān)系圖，忽略部分對頁巖氣管道失效影響較小的因素，簡化得到管道泄漏失效致因存量流量圖，設(shè)置相應(yīng)的變量方程和參數(shù)值，根據(jù)仿真結(jié)果分析頁巖氣管道泄漏失效致因的主要影響因素和相互耦合關(guān)系。

1 頁巖氣管道失效影響因子SD模型

1.1 系統(tǒng)邊界的確定

本文使用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim 對頁巖氣管道失效的影響因素進行分析。系統(tǒng)的邊界設(shè)定為某一頁巖氣輸氣管道。

1.2 管道失效因果關(guān)系圖

影響頁巖氣管道失效泄漏的因素有很多，研究表明，頁巖氣管道中介質(zhì)輸送的化學(xué)組分以及輸送介質(zhì)的溫度、壓力、流速、含水量、微生物含量、內(nèi)外防腐措施失效、第三方破壞和管理過失是造成頁巖氣管道泄漏失效事故的主要原因。上述不同的輸送條件和因素會導(dǎo)致頁巖氣管道受內(nèi)腐蝕和外腐蝕的侵蝕。

總體上，本文將泄漏致因分為三個子系統(tǒng)：管道內(nèi)腐蝕系統(tǒng)、管道外腐蝕系統(tǒng)和管理過失系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)系復(fù)雜，子系統(tǒng)之間和子系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間相互耦合，使得頁巖氣管道泄漏失效系統(tǒng)處在動態(tài)發(fā)展的過程中。

本文根據(jù)上述泄漏致因的三個子系統(tǒng)及子系統(tǒng)間的相互關(guān)系，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)原理得出，頁巖氣管道的泄漏失效的因果關(guān)系由內(nèi)腐蝕、外腐蝕和管理過失三個一級影響因素和46 個二級因素相互耦合，各因素間聯(lián)系密切，共同決定頁巖氣管道泄漏失效程度。

1.3 管道失效存量流量圖

本研究將管道內(nèi)腐蝕系統(tǒng)、外腐蝕系統(tǒng)和管理過失系統(tǒng)進行綜合耦合和分析，使用系統(tǒng)動力學(xué)語言加以表示。對各個二級因素進行了篩選，忽略部分對頁巖氣管道失效影響較小的因素，簡化得出基于系統(tǒng)動力學(xué)的腐蝕泄漏失效存量流量圖?！昂喕拇媪苛髁繄D”如圖1 所示。

在本研究中，設(shè)置管道失效為狀態(tài)變量，內(nèi)腐蝕發(fā)生概率為速度變量，設(shè)置焊縫泄漏缺陷、內(nèi)防腐涂層損傷、Cl—含量增加、礦化度增加、腐生菌含量增加為時間變量，設(shè)置內(nèi)防腐措施失效、內(nèi)腐蝕環(huán)境改變等為輔助變量，設(shè)置CO2含量增加、含水量增加、緩蝕劑效果差和加工質(zhì)量差等為常量。管道失效的存量流量圖中包含1 個狀態(tài)變量，1 個速度變量，5 個時間按變量，3 個輔助變量，12 個常量，共計22 個變量。

2 頁巖氣管道泄漏失效SD仿真分析

2.1 頁巖氣管道泄漏失效情景設(shè)置

根據(jù)以往的數(shù)據(jù)及案例，本研究設(shè)置仿真對象為某頁巖氣管道，基礎(chǔ)設(shè)施完善，地質(zhì)特征穩(wěn)定。同時，根據(jù)上述頁巖氣管道運行環(huán)境背景，設(shè)置管道泄漏失效SD 模型常量具體參數(shù)，如表1 所示。

表1 管道泄漏失效SD模型常量參數(shù)表

頁巖氣管道的服役年限將直接影響管道的腐蝕。本研究設(shè)置仿真的服役年限為1～100 a，設(shè)置管道泄漏失效SD 模型時間變量方程，如表2 所示。

表2 管道泄漏失效SD模型時間變量方程

在本研究中，使用極端條件檢驗法檢驗SD 模型有效性，將上述的常量和時間變量假設(shè)取值為0，即頁巖氣管道運行環(huán)境中不存在腐蝕環(huán)境條件和內(nèi)防腐措施失效等情況。通過進行仿真計算，得出頁巖氣管道內(nèi)腐蝕發(fā)生概率為0，與實踐情況相符合，得以驗證該管道泄漏失效SD 模型有效。

圖1 簡化的管道失效存量流量圖

2.2 管道泄漏失效敏感節(jié)點分析

圖2 各二級影響因素的SD 仿真結(jié)果

敏感節(jié)點是系統(tǒng)分析的主要依據(jù)，敏感節(jié)點對頁巖氣管道泄漏失效具有顯著的影響作用，對于責(zé)任單位而言，應(yīng)該在之后的安全管理及控制中予以重視關(guān)注。

頁巖氣管道在未全面防腐之前均有大量的硫酸鹽還原菌（SRB）與鐵細菌，存在發(fā)生微生物腐蝕的條件。影響頁巖氣管道腐蝕的決定性因素為硫酸鹽還原菌（SRB）腐蝕，含水量、溫度、pH 值、礦化度、CO2含量和Cl—含量對腐蝕和SRB 的生長進程具有協(xié)同促進作用[4]。本研究選擇上述對頁巖氣管道失效影響最大的幾個敏感節(jié)點進行了著重分析，并繪制了影響因素SD 仿真結(jié)果圖。如圖2 所示。

由圖2 可知，由于實際工況下的管道環(huán)境十分利于微生物的生長繁殖，因此影響頁巖氣管道腐蝕的決定性因素為微生物的腐蝕。在管道服役期未滿40 a時，微生物的影響占比增長緩慢，但仍是影響內(nèi)腐蝕環(huán)境改變的主要因素。在服役滿40 a 之后，微生物的影響作用顯著增加，成為內(nèi)腐蝕環(huán)境改變的主導(dǎo)影響因素。

其中，由于礦化度隨生產(chǎn)時間的增加將上升，礦化度對頁巖氣管道的影響作用將不斷增加。Cl—可以直接參與到材料的陽極溶解過程，加速材料的陽極溶解，隨著Cl—濃度的增加，金屬基體局部腐蝕嚴重，但是當Cl—濃度達到一定數(shù)值后，對管道的影響作用將維持穩(wěn)定。至于其他敏感影響因素，影響作用順序為：含水量＞溫度＞pH 值＞Cl—含量。通過對敏感節(jié)點的有效管理和防治可以降低頁巖氣發(fā)生腐蝕泄漏的失效可能性。為避免頁巖氣管道泄漏事故的產(chǎn)生，責(zé)任單位應(yīng)注重對微生物、含水量、溫度、pH 值、礦化度和Cl—含量的控制。

圖3 低、中、高含量微生物的管道失效可能性圖

2.3 微生物含量控制分析

微生物含量是影響頁巖氣泄漏失效的最主要失效敏感節(jié)點。本研究通過分別增加和減少微生物的含量，得到頁巖氣管道泄漏失效可能性，如圖3 所示。

圖4 不同繁殖環(huán)境下的管道失效可能性圖

由圖3 可知，微生物含量的變化對管道失效可能性的影響巨大。當微生物含量降低時，管道的失效可能性也會降低，且隨著服役時間的推移，這種影響在不斷地加強。當微生物含量增加時，管道的失效可能性急劇增加，嚴重影響頁巖氣管道的正常運行安全。

微生物的生長與諸多環(huán)境工況有關(guān)。如，pH 值能間接影響SRB 的生長繁殖從而間接影響頁巖氣管道的腐蝕，最適宜生長的pH 值范圍為7.0～7.5。Cl—濃度為30 g/L 時，SRB 生長代謝活動旺盛。溫度為30 ℃～35 ℃及55 ℃～60 ℃的環(huán)境下SRB適宜繁殖。因此,本研究通過設(shè)置微生物在最適宜環(huán)境工況下繁殖，得到不同環(huán)境工況下頁巖氣管道泄漏失效可能性，如圖4 所示。

根據(jù)圖4 可知，在適宜條件下，微生物對管道泄漏失效影響將會增大。pH 值、Cl—濃度、溫度等因素既直接影響管道的泄漏失效，又間接通過影響微生物的繁殖來作用于管道。因此，在頁巖氣管道的管理中，對于責(zé)任單位而言，首先應(yīng)加強對微生物含量的管理與控制，然后營造不利于微生物繁殖且能直接降低管道失效可能性的環(huán)境，以避免因內(nèi)腐蝕所造成的頁巖氣管道泄漏失效，最終防止事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

1）隨著服役時間的增加，頁巖氣管道泄漏失效概率將逐漸增大。服役期超過40 a 的頁巖氣管道的失效概率的增加率將顯著提高。在服役期40 a 之前時，由內(nèi)腐蝕環(huán)境改變造成的管道泄漏失效概率高于內(nèi)防腐措施失效造成的管道泄漏失效概率，且泄漏失效概率值增長緩慢。而服役超過40 a 后，內(nèi)防腐措施失效對管道失效的影響作用顯著，符合實際的情況。

2）在管道服役期未滿40 a 時，微生物的影響占比增長緩慢，但仍是影響內(nèi)腐蝕環(huán)境改變的主要因素。在服役滿40 a 之后，微生物的影響作用顯著增加，成為內(nèi)腐蝕環(huán)境改變的主導(dǎo)影響因素。其他影響因素顯著程度分別為：含水量增加＞溫度升高＞pH 值降低＞Cl—含量增加。責(zé)任單位可通過敏感節(jié)點的管理降低頁巖氣管道的泄漏失效概率。

3）微生物含量的變化對管道失效概率的影響巨大。當微生物含量降低時，管道的失效概率也會降低，且隨著服役時間的推移，這種影響在不斷地加強。當微生物含量增加時，管道的失效概率急劇增加，嚴重影響頁巖氣管道的正常運行安全。