基于系统动力学的页岩气管道泄漏失效仿真分析

吴晓华 庞林 杨利

(东方地球物理公司西南物探分公司，四川 成都 610213)

0 引言

近年来，为响应节能减排和碳中和方面的要求，社会对页岩气等绿色清洁能源的需求量不断提高。但由于我国页岩气开发起步较晚，对页岩气管道的腐蚀问题研究较少。据相关调查表明，随着气田开采时间的增加，国内涪陵、威远、长宁等页岩气田集输管线或井筒陆续出现不同程度的内腐蚀[1-4]。由于腐蚀导致管道泄漏失效，造成了巨大的经济损失和人员伤亡，制约了整个油气田的正常生产和运营。

目前，国内外学者通过不同的方法对于管道泄漏失效进行了大量的研究。如使用故障树[5-8]、层次分析法[9-10]、贝叶斯网络[11-12]、模糊逻辑方法[13-15]等构建管道泄漏失效的评价体系，但对泄漏失效因素的整体、系统的评价分析过程较少。

系统动力学(System Dynamics，SD)是系统科学理论与计算机仿真紧密结合、研究系统反馈结构与行为的一门科学，是系统科学与管理科学的一个重要分支。通过系统动力学，可以降低实际工程数据处理量，简化模型结构，有效从整体出发寻求改善系统行为的机会和途径[16-20]。

基于此，本文通过构建页岩气管道腐蚀泄漏失效的SD 模型，根据实际情景绘制页岩气管道泄漏致因的因果关系图，忽略部分对页岩气管道失效影响较小的因素，简化得到管道泄漏失效致因存量流量图，设置相应的变量方程和参数值，根据仿真结果分析页岩气管道泄漏失效致因的主要影响因素和相互耦合关系。

1 页岩气管道失效影响因子SD模型

1.1 系统边界的确定

本文使用系统动力学软件Vensim 对页岩气管道失效的影响因素进行分析。系统的边界设定为某一页岩气输气管道。

1.2 管道失效因果关系图

影响页岩气管道失效泄漏的因素有很多，研究表明，页岩气管道中介质输送的化学组分以及输送介质的温度、压力、流速、含水量、微生物含量、内外防腐措施失效、第三方破坏和管理过失是造成页岩气管道泄漏失效事故的主要原因。上述不同的输送条件和因素会导致页岩气管道受内腐蚀和外腐蚀的侵蚀。

总体上，本文将泄漏致因分为三个子系统：管道内腐蚀系统、管道外腐蚀系统和管理过失系统。系统内部的关系复杂，子系统之间和子系统内部各因素之间相互耦合，使得页岩气管道泄漏失效系统处在动态发展的过程中。

本文根据上述泄漏致因的三个子系统及子系统间的相互关系，结合系统动力学原理得出，页岩气管道的泄漏失效的因果关系由内腐蚀、外腐蚀和管理过失三个一级影响因素和46 个二级因素相互耦合，各因素间联系密切，共同决定页岩气管道泄漏失效程度。

1.3 管道失效存量流量图

本研究将管道内腐蚀系统、外腐蚀系统和管理过失系统进行综合耦合和分析，使用系统动力学语言加以表示。对各个二级因素进行了筛选，忽略部分对页岩气管道失效影响较小的因素，简化得出基于系统动力学的腐蚀泄漏失效存量流量图。“简化的存量流量图”如图1 所示。

在本研究中，设置管道失效为状态变量，内腐蚀发生概率为速度变量，设置焊缝泄漏缺陷、内防腐涂层损伤、Cl—含量增加、矿化度增加、腐生菌含量增加为时间变量，设置内防腐措施失效、内腐蚀环境改变等为辅助变量，设置CO2含量增加、含水量增加、缓蚀剂效果差和加工质量差等为常量。管道失效的存量流量图中包含1 个状态变量，1 个速度变量，5 个时间按变量，3 个辅助变量，12 个常量，共计22 个变量。

2 页岩气管道泄漏失效SD仿真分析

2.1 页岩气管道泄漏失效情景设置

根据以往的数据及案例，本研究设置仿真对象为某页岩气管道，基础设施完善，地质特征稳定。同时，根据上述页岩气管道运行环境背景，设置管道泄漏失效SD 模型常量具体参数，如表1 所示。

表1 管道泄漏失效SD模型常量参数表

页岩气管道的服役年限将直接影响管道的腐蚀。本研究设置仿真的服役年限为1～100 a，设置管道泄漏失效SD 模型时间变量方程，如表2 所示。

表2 管道泄漏失效SD模型时间变量方程

在本研究中，使用极端条件检验法检验SD 模型有效性，将上述的常量和时间变量假设取值为0，即页岩气管道运行环境中不存在腐蚀环境条件和内防腐措施失效等情况。通过进行仿真计算，得出页岩气管道内腐蚀发生概率为0，与实践情况相符合，得以验证该管道泄漏失效SD 模型有效。

图1 简化的管道失效存量流量图

2.2 管道泄漏失效敏感节点分析

图2 各二级影响因素的SD 仿真结果

敏感节点是系统分析的主要依据，敏感节点对页岩气管道泄漏失效具有显著的影响作用，对于责任单位而言，应该在之后的安全管理及控制中予以重视关注。

页岩气管道在未全面防腐之前均有大量的硫酸盐还原菌（SRB）与铁细菌，存在发生微生物腐蚀的条件。影响页岩气管道腐蚀的决定性因素为硫酸盐还原菌（SRB）腐蚀，含水量、温度、pH 值、矿化度、CO2含量和Cl—含量对腐蚀和SRB 的生长进程具有协同促进作用[4]。本研究选择上述对页岩气管道失效影响最大的几个敏感节点进行了着重分析，并绘制了影响因素SD 仿真结果图。如图2 所示。

由图2 可知，由于实际工况下的管道环境十分利于微生物的生长繁殖，因此影响页岩气管道腐蚀的决定性因素为微生物的腐蚀。在管道服役期未满40 a时，微生物的影响占比增长缓慢，但仍是影响内腐蚀环境改变的主要因素。在服役满40 a 之后，微生物的影响作用显著增加，成为内腐蚀环境改变的主导影响因素。

其中，由于矿化度随生产时间的增加将上升，矿化度对页岩气管道的影响作用将不断增加。Cl—可以直接参与到材料的阳极溶解过程，加速材料的阳极溶解，随着Cl—浓度的增加，金属基体局部腐蚀严重，但是当Cl—浓度达到一定数值后，对管道的影响作用将维持稳定。至于其他敏感影响因素，影响作用顺序为：含水量＞温度＞pH 值＞Cl—含量。通过对敏感节点的有效管理和防治可以降低页岩气发生腐蚀泄漏的失效可能性。为避免页岩气管道泄漏事故的产生，责任单位应注重对微生物、含水量、温度、pH 值、矿化度和Cl—含量的控制。

图3 低、中、高含量微生物的管道失效可能性图

2.3 微生物含量控制分析

微生物含量是影响页岩气泄漏失效的最主要失效敏感节点。本研究通过分别增加和减少微生物的含量，得到页岩气管道泄漏失效可能性，如图3 所示。

图4 不同繁殖环境下的管道失效可能性图

由图3 可知，微生物含量的变化对管道失效可能性的影响巨大。当微生物含量降低时，管道的失效可能性也会降低，且随着服役时间的推移，这种影响在不断地加强。当微生物含量增加时，管道的失效可能性急剧增加，严重影响页岩气管道的正常运行安全。

微生物的生长与诸多环境工况有关。如，pH 值能间接影响SRB 的生长繁殖从而间接影响页岩气管道的腐蚀，最适宜生长的pH 值范围为7.0～7.5。Cl—浓度为30 g/L 时，SRB 生长代谢活动旺盛。温度为30 ℃～35 ℃及55 ℃～60 ℃的环境下SRB适宜繁殖。因此,本研究通过设置微生物在最适宜环境工况下繁殖，得到不同环境工况下页岩气管道泄漏失效可能性，如图4 所示。

根据图4 可知，在适宜条件下，微生物对管道泄漏失效影响将会增大。pH 值、Cl—浓度、温度等因素既直接影响管道的泄漏失效，又间接通过影响微生物的繁殖来作用于管道。因此，在页岩气管道的管理中，对于责任单位而言，首先应加强对微生物含量的管理与控制，然后营造不利于微生物繁殖且能直接降低管道失效可能性的环境，以避免因内腐蚀所造成的页岩气管道泄漏失效，最终防止事故的发生。

3 结论

1）随着服役时间的增加，页岩气管道泄漏失效概率将逐渐增大。服役期超过40 a 的页岩气管道的失效概率的增加率将显著提高。在服役期40 a 之前时，由内腐蚀环境改变造成的管道泄漏失效概率高于内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长缓慢。而服役超过40 a 后，内防腐措施失效对管道失效的影响作用显著，符合实际的情况。

2）在管道服役期未满40 a 时，微生物的影响占比增长缓慢，但仍是影响内腐蚀环境改变的主要因素。在服役满40 a 之后，微生物的影响作用显著增加，成为内腐蚀环境改变的主导影响因素。其他影响因素显著程度分别为：含水量增加＞温度升高＞pH 值降低＞Cl—含量增加。责任单位可通过敏感节点的管理降低页岩气管道的泄漏失效概率。

3）微生物含量的变化对管道失效概率的影响巨大。当微生物含量降低时，管道的失效概率也会降低，且随着服役时间的推移，这种影响在不断地加强。当微生物含量增加时，管道的失效概率急剧增加，严重影响页岩气管道的正常运行安全。