何 莎，賈錦秀，駱吉慶，劉顯鋒，解正一，劉映雪，陳秋竹

（1.川慶安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.四川科特檢測技術(shù)有限公司，四川 廣漢 618300；3.中國石油東方地球物理公司西南物探分公司，四川 成都 610213；4.中國石油塔里木油田分公司應(yīng)急中心，新疆 庫爾勒 841000；5.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500）

近年來，為響應(yīng)節(jié)能減排和碳中和方面的要求，社會(huì)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(shí)間的增加，國內(nèi)涪陵、威遠(yuǎn)、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]。由于腐蝕導(dǎo)致管道泄漏失效，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，制約了整個(gè)油氣田的正常生產(chǎn)和運(yùn)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(jìn)行了大量的研究。如使用故障樹[2]、層次分析法[3]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[4]等構(gòu)建管道泄漏失效的評價(jià)體系。但對泄漏失效因素的整體、系統(tǒng)的評價(jià)分析過程較少。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（System Dynamics，SD）是系統(tǒng)科學(xué)理論與計(jì)算機(jī)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(gè)重要分支。通過系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，可以降低實(shí)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(jī)會(huì)和途徑[5]。

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(shí)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

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)認(rèn)為，系統(tǒng)的行為模式與特性主要取決于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。它定義系統(tǒng)為一個(gè)由相互區(qū)別、相互聯(lián)系的諸單元有機(jī)地聯(lián)系在一起，且具有某種功能的集合體。通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能分析與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合，可以形象地描述復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，考察系統(tǒng)在不同條件下的系統(tǒng)演變行為和趨勢，實(shí)現(xiàn)科學(xué)定量研究。

1.1 系統(tǒng)邊界的確定

本文使用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim 對頁巖氣管道失效的影響因素進(jìn)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、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導(dǎo)致頁巖氣管道受內(nèi)腐蝕和外腐蝕的侵蝕?？傮w上將其分為三個(gè)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(dòng)態(tài)發(fā)展的過程中。

根據(jù)上述泄漏致因的三個(gè)子系統(tǒng)及子系統(tǒng)間的相互關(guān)系，結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，繪制頁巖氣管道泄漏失效的因果關(guān)系圖，如圖1 所示。其中“+”表示因素間具有正反饋關(guān)系，“-”表示因素間具有負(fù)反饋關(guān)系。

由圖1 可知，頁巖氣管道的泄漏失效的因果關(guān)系圖由內(nèi)腐蝕、外腐蝕和管理過失三個(gè)一級影響因素和46個(gè)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

根據(jù)圖1 各因素間的因果關(guān)系圖，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(jìn)行綜合耦合和分析，使用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)語言加以表示。對各個(gè)二級因素進(jìn)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(dòng)力學(xué)的腐蝕泄漏失效存量流量圖。簡化的存量流量圖如圖2 所示。

圖1 頁巖氣管道失效因果關(guān)系圖

圖2 簡化的管道失效存量流量圖

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(shí)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。

HCO3-含量增加、CO2含量增加、Cl-含量增加、微生物含量增加、含水量增加、溫度升高、介質(zhì)流速增加、pH 降低、礦化度增加均會(huì)促進(jìn)內(nèi)腐蝕環(huán)境的改變，其中礦化度、pH 值、微生物含量、Cl-含量會(huì)隨著管道使用時(shí)間的增加而改變。CO2含量增加、Cl-含量增加、含水量增加、溫度升高、pH 降低又會(huì)促進(jìn)微生物含量的提高。

緩蝕劑效果差、殺菌劑效果差和清管效果差會(huì)促進(jìn)內(nèi)防腐措施的失效；同時(shí)管材抗蝕性能差、內(nèi)防腐層損傷、焊縫缺陷和加工質(zhì)量差等管道材料缺陷會(huì)間接促進(jìn)內(nèi)防腐層的失效。

管道失效的存量流量圖中包含1 個(gè)狀態(tài)變量，1 個(gè)速度變量，5 個(gè)時(shí)間變量，3 個(gè)輔助變量，12 個(gè)常量，共計(jì)22 個(gè)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，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。根據(jù)上述頁巖氣管道運(yùn)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。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(shí)間變量方程，如表2 所示。

表2 管道泄漏失效SD 模型時(shí)間變量方程

使用極端條件檢驗(yàn)法檢驗(yàn)SD 模型有效性，將上述的常量和時(shí)間變量假設(shè)取值為0，即頁巖氣管道運(yùn)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。進(jìn)行仿真計(jì)算，得出頁巖氣管道內(nèi)腐蝕發(fā)生概率為0，與實(shí)踐情況相符合，得以驗(yàn)證該管道泄漏失效SD 模型有效。

2.2 管道泄漏失效敏感節(jié)點(diǎn)分析

敏感節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)分析的主要依據(jù)，敏感節(jié)點(diǎn)對頁巖氣管道泄漏失效具有顯著的影響作用，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(xì)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(jìn)程具有協(xié)同促進(jìn)作用[4]。選擇上述對頁巖氣管道失效影響最大的幾個(gè)敏感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行著重分析，并繪制影響因素SD 仿真結(jié)果圖。如圖3 所示。

由圖3 可知，由于實(shí)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(shí)，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。

圖3 各二級影響因素的SD 仿真結(jié)果

其中，由于礦化度隨生產(chǎn)時(shí)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(yán)重，但是當(dāng)Cl-濃度達(dá)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?yàn)椋汉浚緶囟龋緋H 值＞Cl-含量。通過對敏感節(jié)點(diǎn)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，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。

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(diǎn)。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4 所示。

圖4 低、中、高含量微生物的管道失效可能性圖

由圖4 可知，微生物含量的變化對管道失效可能性的影響巨大。當(dāng)微生物含量降低時(shí)，管道的失效可能性也會(huì)降低，且隨著服役時(shí)間的推移，這種影響在不斷地加強(qiáng)。當(dāng)微生物含量增加時(shí)，管道的失效可能性急劇增加，嚴(yán)重影響頁巖氣管道的正常運(yùn)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(shí)，SRB 生長代謝活動(dòng)旺盛。溫度為30～35℃及55～60℃的環(huán)境下SRB 適宜繁殖。因此設(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5 所示。

圖5 不同繁殖環(huán)境下的管道失效可能性圖

根據(jù)圖5 可知，在適宜條件下，微生物對管道泄漏失效影響將會(huì)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，首先應(yīng)加強(qiáng)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(shí)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(shí)，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(shí)際的情況。

（2）在管道服役期未滿40 a 時(shí)，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。可通過敏感節(jié)點(diǎn)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(dāng)微生物含量降低時(shí)，管道的失效概率也會(huì)降低，且隨著服役時(shí)間的推移，這種影響在不斷地加強(qiáng)。當(dāng)微生物含量增加時(shí)，管道的失效概率急劇增加，嚴(yán)重影響頁巖氣管道的正常運(yùn)行安全。