中俄东线天然气管道智能化关键技术创新与思考

中俄东线天然气管道是中国第三代长距离、大输量天然气管道标志性工程,是全球单体规模最大的输气管道,在中国乃至世界管道建设史上创下了多项新纪录。以该管道为试点,打造了中国首个智能管道样板工程。系统阐释了智能管道与智慧管网的基本内涵与关键技术,梳理了支撑管道"全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理"的关键技术及阶段性成果,为持续推进中国管道智能化建设、助力打造智慧互联大管网提供了重要指引。同时,从认识与技术等层面,就管道智能化的技术本质、管道数字基建、管道瓶颈技术攻关、管网智慧大脑等问题,给出了进一步思考与建议。(图1,参23)     

中俄东线天然气管道焊接消磁技术试验

长输管道在建设、改线或维抢修作业时,常会遇到管道对口处有磁偏吹现象,使得在焊接施工时,电弧发生偏离,导致焊接缺陷甚至无法焊接施工,严重影响了工程进度及管道的本质安全。中俄东线天然气管道工程采用1 422 mm口径、X80钢级管道,以往所采用的消磁方法和消磁设备已无法满足其大口径、高钢级管道的消磁作业。通过分析管道剩磁的产生机理和影响因素,得到不同消磁方法对中俄东线管道的适用性。通过现场试验验证直流消磁法,分析直流消磁和直流焊机消磁的优缺点及工作参数,提出可行性建议。(图3,表4,参25)     

中俄东线天然气管道运行保障关键技术

在中俄东线天然气管道投产后的运行阶段,因其高钢级、大口径、高压力、大输量的特点,且沿线途经高寒冻土区,故管道运行的不确定性因素多、风险高、维护与安全保障难度大。系统分析了中俄东线天然气管道在运行工艺方面面临的管网优化运行、冬季调峰、冰堵防治及放空回收等问题;在完整性管理方面面临的大口径管道内检测、高钢级管道安全状态评估等问题;在线路风险防控方面面临的天然气管道泄漏与安全状态监测、腐蚀、冻涨融沉防治等问题;在维抢修方面面临的管径1 422 mm管道的切割、退磁、修复等系列技术难题。归纳总结了国内外相关技术现状,提出解决问题的技术思路,总结了中俄东线天然气管道工程目前已取得的部分技术成果,以期为未来油气管道的建设与运营提供参考。(参52)     

中俄东线天然气管道工程管理与技术创新

中俄东线天然气管道工程是重要的民生工程,是发展新时代中俄全面战略协作伙伴关系的重要成果,对于保障国家能源安全、优化能源消费结构、助力地区经济发展意义重大。中俄东线天然气管道工程的综合设计指标以及信息化、智能化水平全球领先,代表了当前油气管道建设运营的最高水平。管道建设过程中,面对冬季最低气温-40℃、夏季大面积沼泽湿地、社会依托差、有效工期紧等重重挑战,大力实施管理创新与技术革新,一方面,借助"互联网+"等手段,优化完善管理模式与运作机制,发挥党建引领作用,实现工期、质量、安全、环保、投资的全面受控;另一方面,以智能化为抓手,创新搭建"智能工地",打造"智能管道样板工程",实现核心技术与关键装备提档升级、全面国产化,有力保障了中俄东线天然气管道工程高质量建成、高水平投产。通过总结经验、梳理成果,为今后油气管道工程建设提供参考与指导。     

中俄东线天然气管道动态退磁实验

油气长输管道施工、检测过程中的剩磁会引发焊接电弧的磁偏吹,可能影响管道焊接作业的施工进度和质量,进而威胁管道本质安全.中俄东线天然气管道工程由于采用大口径、高钢级管道,具有较高的管道剩磁水平,对现有退磁技术与退磁设备的能力提出了更大的挑战.为此,引入永磁铁退磁技术,开展基于响应面法设计的中俄东线天然气管道动态退磁实验,...     

中俄东线天然气管道工程前期工作关键点及创新成果

中俄东线天然气管道工程是"一带一路"倡议下中俄两国深化合作的成功典范,作为跨境输气管道的代表性项目,前期工作特征与经验具有重要的参考借鉴价值。阐述了中俄东线天然气管道工程项目的背景与意义,梳理了其商业谈判、预可行性研究、可行性研究、项目申请报告编制及核准等前期工作,介绍了针对中俄东线天然气管道工程复杂技术经济工况的专题研究过程,总结了中俄东线天然气管道工程前期工作的创新成果。研究表明:中俄东线天然气管道工程这类大型跨境能源管道项目,其前期工作涉及外交、商业、技术、经济等多层次问题,需要投入更多的人力、研究资源及更充裕的时间,以保障项目的顺利实施。(图1,参25)     

中俄东线天然气管道工程管理与技术创新北大核心

中俄东线天然气管道工程是重要的民生工程,是发展新时代中俄全面战略协作伙伴关系的重要成果,对于保障国家能源安全、优化能源消费结构、助力地区经济发展意义重大。中俄东线天然气管道工程的综合设计指标以及信息化、智能化水平全球领先,代表了当前油气管道建设运营的最高水平。管道建设过程中,面对冬季最低气温-40℃、夏季大面积沼泽湿地、社会依托差、有效工期紧等重重挑战,大力实施管理创新与技术革新,一方面,借助"互联网+"等手段,优化完善管理模式与运作机制,发挥党建引领作用,实现工期、质量、安全、环保、投资的全面受控;另一方面,以智能化为抓手,创新搭建"智能工地",打造"智能管道样板工程",实现核心技术与关键装备提档升级、全面国产化,有力保障了中俄东线天然气管道工程高质量建成、高水平投产。通过总结经验、梳理成果,为今后油气管道工程建设提供参考与指导。     

中俄东线天然气管道投产初期水合物预测及防治模拟

中俄东线天然气管道管径大、压力高、北段处于寒区,投产运行初期高压、低温条件使管道存在水合物生成风险。基于多相流理论和CSMHyK水合物生成动力学模型,针对该管道投产第一年冬季运行工况下水合物的生成区域、生成量,水合物在管道中的堆积程度以及水合物的防治方法开展研究。结果表明:当管输天然气含水量大于150 mg/kg时,管道存在水合物生成风险;管道中生成的水合物主要聚集在低洼管段下游,管段高差越大,水合物聚集量越多,且管道中水合物的堆积程度不仅与低洼管段上升段的高差有关,还与下坡段管道的高差及坡度有关;当选择乙二醇作为水合物抑制剂且其注入质量分数达到50%时,可以有效防止中俄东线天然气管道生成水合物。(图6,表4,参22)     

中俄东线天然气管道贸易交接点仿真软件研发

为了满足中国和俄罗斯双方对中俄东线天然气管道工程管输天然气的贸易需求,有效模拟管道过境段贸易交接点的管道特性参数及其变化趋势,实现日平均交接点压力及日最低交接点压力的计算与判定功能,根据两国协议拟定的水力、热力计算基本公式及气体状态方程,建立数学模型,利用牛顿迭代法对管道粗糙度及环境换热系数进行自适应校正,中国研发了具有自主知识产权的交接点压力与温度仿真计算软件。将软件仿真结果与俄罗斯软件仿真结果进行对比,结果表明:软件计算精度满足中俄东线天然气管道工程相关协议要求,证明了软件计算结果的可靠性,因而实现了中俄东线天然气管道工程贸易交接点工艺参数的仿真计算,可对中俄东线的天然气贸易交接进行监督与管控。(图3,表1,参21)     

中俄东线天然气管道弯曲变形识别与评价

管道在外部载荷的作用下会发生局部位移及弯曲变形,当与管体腐蚀、制造或焊缝等缺陷叠加时,在应力集中点将引起管体失效,严重威胁人员安全、造成环境污染及经济损失。基于惯性测绘的内检测技术是一种准确识别管道弯曲变形及检测弯曲应变的有效方法,在对管道全线实施检测的同时以弯曲应变的形式反映管道在外部载荷作用下的弯曲状态。中俄东线天然气管道境内段途经沼泽、高寒冻融等地质不稳定区域,洪水、地震等自然灾害引起土体移动也会对管体施加外部载荷,在外力作用下管体发生弯曲的可能性较大,易因局部应力集中形成高风险点,通过分析管道弯曲应变数据,结合几何/漏磁内检测发现的管体缺陷,可以更加精确地识别定位对管道安全运行构成潜在威胁的高风险点,有针对性地制定监测、修复计划,为中俄东线天然气管道的安全运行提供有效保障。(图7,参21)     

中俄东线天然气管道黑河—长岭段环焊缝焊接工艺

针对中俄东线天然气管道北段(黑河—长岭段)高钢级、大口径、高压力、大输量、环境温度低等特点,介绍了其环焊缝焊接工艺。从L555M钢管的焊接性、环焊接头性能指标、环焊工艺及质量管控等方面,总结了管径1 422 mm的L555M天然气管道的焊接施工特点,阐述了环焊接头强度、韧性、硬度、塑性等指标要求的意义及试验检验方法,分析了焊接方法、焊接材料、焊接坡口等工艺参数的选择原则和实际应用,说明了坡口尺寸与组对精度、预热温度与道间温度、无损检测技术对焊接质量控制的影响。上述成果作为工程建设的经验性总结,可为后续油气管道工程建设的焊接施工管理提供经验。(图3,表4,参20)     

中俄东线天然气管道长江盾构隧道管片接头抗弯性能

油气管道水下盾构隧道处于高水压、大埋深的特殊环境,其管片接头的力学性能与常规盾构隧道差异较大。以中俄东线天然气管道长江盾构隧道工程为例,基于有限元软件ABAQUS建立了管片接头三维精细化模型,对接头变形特征、螺栓应力应变以及抗弯刚度变化进行分析,重点研究了接头抗弯性能变化的整体力学响应特性。结果表明：在管片接头压弯状态下,依据接头竖向位移、张开量以及螺栓应力应变情况,接头的受力状态可分为接缝缓慢张开、接缝张开螺栓受力以及接头失稳螺栓屈服3个阶段;在接缝缓慢张开阶段,轴力约束越强,螺栓开始分担压弯作用的时机越迟;接头张开量对于轴力大小有较强敏感性,随轴力增加,张开量增长速率的“减缓段”占接头压弯过程比例逐渐减小;对于大埋深、高水压的小断面盾构隧道,管片接头分别在正、负弯矩的作用下,其变形特征对比不明显,但同等轴力水平下正弯矩对接头螺栓变形的影响较大。中俄东线天然气管道长江盾构隧道接头的抗弯性能集中体现了油气管道盾构隧道接头受力特征,可为盾构隧道管片结构设计提供参考。（图9,表1,参22）     

中俄东线天然气管道黑河—长岭段环焊缝焊接工艺北大核心

针对中俄东线天然气管道北段(黑河—长岭段)高钢级、大口径、高压力、大输量、环境温度低等特点,介绍了其环焊缝焊接工艺。从L555M钢管的焊接性、环焊接头性能指标、环焊工艺及质量管控等方面,总结了管径1422 mm的L555M天然气管道的焊接施工特点,阐述了环焊接头强度、韧性、硬度、塑性等指标要求的意义及试验检验方法,分析了焊接方法、焊接材料、焊接坡口等工艺参数的选择原则和实际应用,说明了坡口尺寸与组对精度、预热温度与道间温度、无损检测技术对焊接质量控制的影响。上述成果作为工程建设的经验性总结,可为后续油气管道工程建设的焊接施工管理提供经验。(图3,表4,参20)     

中俄东线天然气管道工程DR设备校验方法

为了有效控制管道环焊缝的焊接质量,并满足智慧管道的建设需要,在中俄东线天然气管道工程中采用X射线数字成像(Digital Radiography,DR)检测设备进行环焊缝焊接质量的检测。管道DR设备主要由带X射线机的爬行器、探测器、计算机、检查软件、检测工装等组成,其可靠性直接关系到管道环焊缝的检测质量。目前国内外仅针对DR设备各个组成部分提出了相应的技术指标,尚无针对整套设备系统的校验方法及校验标准,故研究制定了中俄东线DR设备校验程序,主要校验内容除相关标准规定的探测器坏像素、基本空间分辨率、最小许可灰度幅值、对比度灵敏度外,还增加了DR设备成像均匀度、缺陷检出率及可靠性测试,为中俄东线天然气管道工程高质量建设提供了技术保障。(图8,表1,参22)     

中俄东线天然气管道工程SCADA系统的设计与实现

长输油气管道的自动化控制水平直接关系着其生产运行安全与效率,中俄东线天然气管道工程通过创新实践开启了中国长输油气管道自动化控制技术的新篇章。以自动化控制系统的技术特点为主线,以具有代表性的油气长输管道控制系统为依托,回顾了中国长输油气管道控制系统关键技术的发展历程,介绍了长输油气管道自动化控制技术发展现状,并结合智慧化管道建设,展望了长输油气管道自动化控制技术的发展前景。中俄东线天然气管道工程北段各项设计指标均处于全球领先水平,从SCADA系统组成、结构、功能等的创新成果来看,其自动化控制系统代表了目前中国长输油气管道自动化控制技术的最高水平。(图8,参17)     

中俄东线智能管道数据可视化探索与实践

为了推动油气管道数据可视化及大数据分析技术发展,对中俄东线智能管道数据可视化建设成果进行了总结。从数据可视化角度,论述了中俄东线天然气管道的数据种类、数据现状及各信息系统的数据架构及数据量;从数据传输、数据ETL(Extract-Transform-Load)等方面,探索了数据可视化实现的做法和实践。通过中俄东线智能管道可视化交互系统的探索和实践,实现了建设期和运营期多源动静态数据的集成展示,提出需数据中心建设和应用层解决方案作为技术支撑的建议,对推进管道数据可视化、大数据分析有一定指导意义。     

中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考

随着数字化、智能化等技术的发展,油气管道运行管理模式将发生根本性转变,形成以智能管道、智慧管网为核心的发展理念。从管道运行工艺角度对中国智能管道建设的基础及实现条件进行了分析:①从智能管道的定义、国内外智能管道的发展现状以及油气管道智能运行的物联网基础与技术准备3个方面论述了智能管道建设的基础及所需实现的功能,指出智能管道在油气生产过程中的应用性是智能管道建设的核心问题;②探讨了天然气管网数据、建模及计算复杂性的根源,明确了智能管道、智慧管网的建设思路;③以中俄东线天然气管道为例,阐述了中俄东线智能运行的目标、基础以及工艺运行智能化组成的设想,其中工艺运行智能化组成包括管道工艺仿真系统建设、基于管道数据的数字孪生体构建以及综合运行调度和可靠性评价。最后,针对智能管道技术发展与应用面临的形势与挑战,给出几点认识及建议。     

中俄东线水平连续冷弯管管道沉管下沟的可行性

为了保证全自动焊机的通过性,实现全自动连续焊接作业,采用连续冷弯管替代热煨弯管以达到等效转向效果,将直管道和冷弯管在沟上焊接完成后进行整体沉管下沟作业。管道在沉管下沟过程中会经历高应力状态,尤其对于带有水平连续冷弯管的管道,整体沉管下沟过程中的应力状态更加复杂,尚无施工先例。采用有限元方法分析了带水平连续冷弯管管道双侧单向沉管下沟的基本规律,分析了水平连续冷弯管管道沉管下沟后残余应力存在的原因、分布情况及影响因素,提出了水平连续冷弯管管道沉管下沟的可行性评判标准,并将其应用于中俄东线天然气管道进行论证。研究结果表明:中俄东线1 422 mm×21.4 mm、1 422 mm×25.7 mm、1 422 mm×30.8 mm管道规格的水平连续冷弯管管道整体沉管下沟的施工方案可行。     

保障中俄东线天然气管道长期安全运行的若干技术思考

针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,分析了土壤运动(冻胀与解冻沉降)对管道结构完整性的影响以及基于管体结构-土壤弹簧模型在确定管-土交互作用方面的局限性,即非线性、大应变与多轴加载评估的保守性、土壤本构模拟与真实状况的偏离,建议发展新型多模块耦合集成技术确定土壤运动产生的机械效应。明确了X80高强管线钢在服役条件下发生应变时效及其导致管线钢(尤其是焊缝区)材料韧性和止裂能力的降低,建议使用时效活化能与等效时效时间模拟、评估管线钢在漫长服役过程中发生应变时效的敏感性,并建立相应的理论基础。此外,详细分析3种常见的管道缺陷(机械损伤、腐蚀缺陷、裂纹)对管道完整性影响的评估技术现状。针对高压、大口径、高强钢天然气管道(特别是焊接金属与热影响区)在地质不稳定地区的材料韧性、裂纹扩展以及止裂能力开展实验与评价技术,建立精确的多物理场协同作用下的管道缺陷评估模型,是当前的国际性技术难题,这些问题的解决将有力保障中俄东线天然气管道以及相关油气管道的长期安全运行。(参29)     

外径1422 mm X80管道低温整体式绝缘接头设计与制造关键技术

为了满足能源战略的需要,在中俄东线天然气管道工程中采用大口径(外径1 422 mm)、高压力(12 MPa)、高钢级(X80)管道进行超大输量天然气输送。随着管径、输送压力、钢级、设计系数的不断提高及环境温度的降低,管道整体式绝缘接头的设计制造难点成为研究重点。为此,通过对外径1 422 mm X80管道整体式绝缘接头的研制、高寒地区整体式绝缘接头关键技术的研究及大型水压+弯矩试验装置建造等技术创新,填补了国内空白,形成了外径1 422 mm X80管道低温整体式绝缘接头设计与制造成套技术与装备,对中俄东线天然气管道工程建设具有重要意义。(图5,表3,参20)