天然氣管道冰堵原因及管理措施分析

王 卓，高雪慧，賀新群，付 豪，周 明，龍小琴

(湖北省天然氣發展有限公司，湖北 武漢 430000)

在運行的過程中，天然氣設備由于溫度、壓力、水分等因素的影響，極易在管道內形成天然氣水合物，造成管道冰堵，輕則導致設備損壞，影響下游居民用戶正常用氣，重則引起安全事故，造成生命財產損失。因此，解決天然氣管道冰堵的問題，不能單從輸送工藝、設備構造出發，要結合實際，綜合考慮冰堵的危害和成因。

1 天然氣管道冰堵的危害

天然氣冰堵是指，在天然氣輸送過程中，由于低溫等因素導致管道、 閥門等設備內部結冰，造成氣體流動受阻或完全中斷的現象[1]。 這種冰堵現象會對其附近位置的流量和壓力造成一定影響，形成局部低溫高壓的外部環境，不僅對天然氣輸送系統造成一系列問題，還會存在著一定的安全隱患。 具體表現形式如下：

1)輸氣中斷。冰堵會導致管道內的天然氣流動受阻，甚至完全中斷。這將導致天然氣輸送系統無法正常運行，造成供氣中斷，影響用戶、工業生產等各個領域的天然氣供應，給社會帶來重大經濟損失。

2)壓力變化。冰堵造成管道的截面積減小，阻力增大，從而導致管道內的氣體壓力升高。這種壓力變化可能會引發管道、設備的破裂或破損，導致天然氣泄漏，進一步增加安全風險。

3)爆炸危險。天然氣是易燃易爆的氣體，一旦發生泄漏，與火源、靜電等可能引發火災或爆炸事故。冰堵會增加管道系統的壓力，加劇管道的老化和破損風險，從而增加了天然氣泄漏、引發火災或爆炸事故的可能性。

4)腐蝕性增加。冰堵會導致管道、設備表面溫度降低，環境溫濕度較大時，易形成露點水，進而導致金屬管道或設備出現腐蝕。腐蝕會降低管道的強度和密封性能，增加管道漏氣的風險。

5)輸氣能力下降。冰堵會導致氣體流動通道狹窄，管道輸氣能力下降。這不僅會導致天然氣輸送效率低下，還會增加供氣系統的負荷，可能導致設備過載工作，出現故障。

綜上所述，天然氣設備冰堵對于天然氣輸送系統和社會帶來的危害是非常嚴重的。本文將針對天然氣設備出現冰堵的原因以及影響因素進行探究，以此提出對于天然氣設備冰堵問題的管理改善方法。

2 天然氣管道冰堵的原因

2.1 低溫環境

隨著季節更替，當天然氣輸送過程中經過的地區氣溫較低時，如在寒冷的冬季或高海拔地區，會使得天然氣輸送系統的管道表面溫度降低，導致管道內部的水蒸氣凝結成冰，堵塞管道，進而引起壓力的變化，使得天然氣管道內部出現冰堵現象[2]。例如，2016年哈爾濱天然氣管道凍堵事故，就是由于環境溫度太低引起的管道內水分凝結結冰所致。

2.2 水分存在

在施工過程中，可能存在多種因素導致管道內殘留一定量的水。比如，在管道試壓時采用了注水試壓，清管時沒有將貯存在管道內的水分清理干凈，使得天然氣管道內含有一定量的水分。當溫度降低時，氣體中的水蒸氣會凝結成液態水或冰，進而在管道中形成冰堵。2020年，河北某段天然氣管道因含水量過高造成冰堵事故，導致部分用戶停氣。

2.3 設備冰堵

在天然氣場站內，當天然氣流經調節閥、引壓管、過濾分離器等設備時，由于氣體流通面積突然減小，會在局部形成天然氣節流現象，產生焦耳-湯姆遜效應，使得天然氣溫度也隨之下降。當天然氣的水露點較高且析出水分時，在低溫高壓環境的共同作用下，極易在設備局部形成天然氣水合物，影響下游居民用戶的正常使用[3]。

2.4 管道結構設計不合理

管道的設計可能存在問題，如管道的形狀、大小、材料等不合理，導致氣流流速過低，使得氣體中的水蒸氣更容易凝結成冰。2021年遼寧某天然氣管段因天然氣管道結構設計不合理引起冰堵事故，影響部分地區供暖。

2.5 維護不當

管道清洗、防冰和保溫措施的不足，或是設備的損壞、堵塞、漏氣等問題都會導致冰堵的發生。例如，管道保溫層的破損或腐蝕，會導致管道表面溫度下降，促使冰堵發生。2018年山西省發生了一起天然氣管道冰堵事故，導致部分用戶停氣，事故原因包括管道清洗不及時、管道泄露等。

2.6 管道長期使用

管道在長期使用過程中，管道內可能會積聚一定量的雜質、沉積物等。這些雜質會減小管道的通道，降低流速，易使管道內的濕氣凝結形成冰堵。

結合國內外常見的天然氣管道冰堵，天然氣設備冰堵的發生原因主要是由于低溫環境、水分存在、漏氣、管道結構設計不合理、維護不當，以及管道的長期使用等因素相互作用產生的。為了避免冰堵的發生，應該在設計、施工、維護過程中充分考慮這些因素，并采取相應的防冰措施，確保天然氣輸送系統的安全和可靠運行。

3 天然氣管道冰堵的預防措施

通過對以上天然氣管道冰堵原因的分析，為了預防天然氣管道冰堵問題，需要采取一系列預防措施，主要包括管道保溫措施、排水措施、加熱措施、使用防凍劑、清潔保養、監測系統、設備維護和管道設計等[4]。

保溫措施是防止天然氣管道冰堵的重要手段之一。通過加裝保溫材料或設備，能夠減少管道或設備受到外部低溫環境的影響，降低冷卻速率，從而減少冰堵風險。常見的保溫材料包括巖棉、硅酸鹽纖維和聚氨酯等。此外，可以采用保溫擋板、保溫套管等設備進行保溫，防止熱量的交換和散失，提高管道和設備的溫度。

排水措施也是預防冰堵的有效手段。在天然氣設備中設置排水裝置，能夠將潮濕氣體或液體從管道中排除，防止結冰堵塞。排水裝置的設置需要合理布局和處理，確保排水通暢，以保證天然氣的正常流動。我國的西氣東輸管道跨越多個省份，包括寒冷的北方地區。為了防止冰堵，該管道采取了多種措施，包括定期清理管道內部的水分等，并且進行巡檢和維護工作，以保障下游用戶正常用氣。

加熱措施是另一種常用的預防冰堵的方法。通過加熱設備或加熱元件提高天然氣設備的溫度，能夠有效防止低溫環境下的冷凝和冰堵現象。常見的加熱設備包括電加熱器、蒸汽加熱器和燃氣加熱器等。加熱的關鍵是要根據天然氣設備的特點和工作條件確定合適的加熱方式和參數。俄羅斯Gazprom公司是世界上最大的天然氣生產和輸送公司之一。Gazprom采取了多種措施來保護其天然氣管道免受冰堵的影響，在氣溫較低的冬季，他們主要通過在易產生冰堵的管段處使用絕緣材料和加熱設備，并進行定期的巡檢和維護，以確保管道的正常運行。

使用防凍劑是預防冰堵的常見方法之一。在天然氣設備中加入適量的防凍劑，能夠提高氣體的結冰點，防止冰堵的發生。常用的防凍劑包括甲醇、乙醇、丙醇等。但需要注意的是，防凍劑的選擇和使用需要考慮其對天然氣設備的安全性和環境的影響。在俄羅斯北極地區，天然氣管道常年處于極端寒冷的條件下，極易發生凍堵，因此在這些管道中，使用了專門的防凍劑來提高管道的抗凍結性能。這些防凍劑能夠延緩冰塊的形成，保持管道的正常運行。

清潔保養是預防冰堵問題的基礎措施之一。定期清潔和檢查天然氣設備，清除管道中的積冰或沉積物，能夠避免其堵塞管道和設備。清潔保養工作包括定期清理管道、檢查閥門和接頭的密封性能，及時更換老化或損壞的設備。

監測系統的建立和運行對于預防冰堵問題至關重要。安裝溫度、壓力等監測裝置，能夠實時監測和掌握天然氣設備的運行狀態，發現異常情況并及時采取措施。監測系統可以通過終端設備進行數據采集和分析，并通過遠程監控系統進行。加拿大TransCanada管道公司在冬季寒冷的氣候條件下經營著龐大的天然氣管道網絡，他們除了采用了上述一系列預防冰堵的措施以外，包括加裝保溫材料、安裝加熱設備等，還使用監測系統實時監測管道溫度，并將數據傳至控制終端進行分析和處理，確保及時發現管道異常，保障管道平穩運行。

4 天然氣管道冰堵的解決方法

4.1 天然氣設備冰堵

1)加熱解凍。通過加熱來解凍冰堵，可以使用電加熱器、蒸汽加熱器或燃氣加熱器等加熱設備，將熱能傳遞給冰堵部位，使其解凍。加熱解凍需要根據具體情況調整加熱溫度和時間，以保證解凍效果的同時不造成設備損壞[5]。該方法應用范圍較為廣泛，并且可以根據不同的實際情況分別采用熱水澆灌、加熱設備保溫、鍋爐加熱等方法快速、有效解決管道局部冰堵。

2)沖洗清理。通過沖洗管道或設備來清除冰堵，可以使用高壓水或氣體來沖刷堵塞的區域，并將冰塊和其他雜質排除。在沖洗過程中，需注意選擇適當的沖洗介質和壓力，以避免對管道或設備造成損壞。2009年12月，西氣東輸二線西段投產后，由于地形、氣溫等原因，半年之內管道沿線和站場出現50余處冰堵，運行單位采取對冰堵段兩端閥室放空降壓、蒸氣吹掃冰堵處等多種措施，清除了冰堵[6]。

3)防凍潤滑劑。在天然氣設備中添加適量的防凍潤滑劑，可以降低天然氣的冰點，延遲結冰的發生。此外，防凍潤滑劑能夠提供潤滑作用，減小摩擦阻力，有助于防止冰堵的形成。大連—沈陽天然氣管道在投產初期，考慮到氣溫較低，為防止站場調壓閥調壓之后出現冰堵，在設備中添加了適量甲醇等防凍劑，降低含水量，進而降低天然氣水露點而快速將水合物分解。

4)能量供給。在冰堵區域增加能量供給，可以促進冰塊的熔化?？梢酝ㄟ^增加熱交換器的熱傳輸面積、提高熱介質的溫度或流速等方式提供額外的熱量，從而解決冰堵問題。

5)預防措施。采取一系列預防措施，減少冰堵的發生，包括保溫措施、排水措施、加熱措施以及合理的設備維護等。保溫措施可以減緩管道或設備的冷卻速度，排水措施可以將潮濕氣體或液體及時排出，加熱措施可以提高設備溫度，而設備維護可以預防管道或設備內積存的冰塊形成大規模的冰堵。

6)檢修維護。定期對天然氣設備進行檢修和維護，及時清除和更換老化、損壞的部件。檢修維護工作包括閥門操作靈活性檢查、密封性能檢查、管道清潔、防腐涂層修復等，可有效避免冰堵問題的發生。

7)智能監測系統。引入智能監測系統，實時監控天然氣設備運行狀態，及時發現異常[7]。通過傳感器監測溫度、壓力、流量等參數的變化，并利用數據分析技術進行診斷和預測，可以提前采取措施，避免冰堵問題的發生。隨著天然氣站場智能化、數字化的實現，對易冰堵設備、易冰堵管段實行在線監測，已經成為了天然氣站場有效預防和及時解決冰堵問題的有效手段。

4.2 天然氣輸氣管段冰堵

1)施加加熱。通過在管道周圍或特定位置施加加熱來融化冰堵。這可以通過采用外部加熱設備，如加熱毯、電熱帶等，或者利用蒸汽或熱水在管道內部進行加熱來實現。中緬天然氣管道(境內段)由于管道投產前干燥不徹底，導致下游管道內天然氣水露點升高，頻繁發生冰堵，之后通過協調自用氣撬供貨商對各站設備采取更換電阻絲，增大熱負荷的方式，解決了冰堵問題。

2)清理管道。使用高壓水或氣體推動的清洗設備，如清洗槍、清洗球等，對凍堵的管道進行沖洗和清理，以除去結冰物質。

3)加注抗凍劑。在管道內注入抗凍劑，如甲醇、乙醇等，來防止水分在管道內結冰。

4)排空管道。將管道內的天然氣排空，以減輕凍結的壓力并加快凍結物的融化。

5)維護管理。定期進行管道的維護和檢查，確保管道充分絕緣、無漏氣、排水暢通等。

5 結束語

在當前天然氣管道預防和解決冰堵問題的過程中，需要不斷更新預防手段，提高解決效率?；趯μ烊粴夤艿辣略虻纳钊胙芯?，可以采取預防為主、防治結合的整體策略，從天氣因素、地形因素、人為因素等多個方面采取有效應對措施。例如，在冬季天然氣運行中，容易發生冰堵故障，可以通過設備優化，加強溫度和壓力的調節，并定期進行檢查和日常維護，利用天然氣管道自身渦流效應產生熱量，有效提升預防和解決冰堵問題的工作質量和效率?？刂坪锰烊粴獾乃饵c、防止管道內部形成低溫高壓的環境，是減少天然氣管道冰堵現象的根本舉措。