馴服凍土、抵御斷裂、洞察缺陷 能源大動脈披上“科技護甲”
來源：科技日報 時間：2025-09-16 16:10
伴隨著大型輸油泵機組與壓縮機組的轟鳴聲，源源不斷的原油和天然氣資源，分別從黑龍江漠河和黑河沿著管道一路南下，為沿線區(qū)域經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展和人民美好生活持續(xù)注入強勁動能。
截至目前，我國東北能源戰(zhàn)略通道累計輸送原油逾3.3億噸、天然氣突破1000億立方米，實現(xiàn)長周期安全可靠運行。
“憑借多項科技創(chuàng)新，我國東北能源戰(zhàn)略通道在世界上首次成功穿越歐亞大陸凍土區(qū)南部不穩(wěn)定凍土帶，并首次實現(xiàn)油氣管道關(guān)鍵設備和核心控制系統(tǒng)全面國產(chǎn)化，在保障國家能源安全、推動綠色轉(zhuǎn)型方面發(fā)揮著舉足輕重的作用?！眹夜芫W(wǎng)集團副總經(jīng)理、黨組成員、首席科學家姜昌亮表示。
防凍控制：讓管道與凍土“友好相處”
“在管道建設過程中，我們面臨的第一大難題，就是沿線特有的不連續(xù)、島狀凍土問題?！眹夜芫W(wǎng)集團研究總院智能化中心副主任馬云賓坦言。
天氣寒冷時，含冰凍土會膨脹，容易把敷設在凍土中的管道頂起來；而天氣轉(zhuǎn)暖時，凍土融化塌陷，管道又容易發(fā)生沉降?！斑@意味著，管道會處于不穩(wěn)定的狀態(tài)?！瘪R云賓說。
如何讓管道與不穩(wěn)定凍土“友好相處”？
“我們希望厘清在氣候、環(huán)境、凍土和管道多因素耦合下，凍土會如何發(fā)展變化，對管道會產(chǎn)生什么影響?！瘪R云賓介紹，這樣就能利用技術(shù)手段，對凍土進行動態(tài)控制，讓管道變化處于安全范圍內(nèi)，以實現(xiàn)原油的穩(wěn)定輸送。
為實現(xiàn)這一目標，研究團隊在國際上首創(chuàng)熱油管廊凍土演化預測方法，從水平和垂直方向，對凍土的分布和動態(tài)變化進行科學預測。同時，他們還創(chuàng)新開發(fā)了凍土區(qū)管道應變設計及評價方法。該方法能夠?qū)鋈跒暮Ω唢L險管段應變進行精確計算，預測凍土凍融對管道結(jié)構(gòu)性安全狀態(tài)的影響，為管道設計與運維奠定技術(shù)基礎。
在此基礎上，研究團隊發(fā)明了“導—散—隔—阻”成套技術(shù)：即利用熱棒單向?qū)?、通風管對流散熱、保溫層隔熱、生態(tài)修復阻熱，形成高寒凍土區(qū)融沉綜合防控技術(shù)體系，使凍土融沉速率降低70%，實現(xiàn)了對不穩(wěn)定凍土和熱油管道的動態(tài)穩(wěn)定控制。
這些創(chuàng)新成果最終解決了在不穩(wěn)定凍土區(qū)埋地敷設大型輸油管道的國際難題。
斷裂預防：止裂韌性模型“自主破壁”
作為我國第三代大輸量天然氣管道標志性工程，“北氣南下”能源大通道自全線貫通以來，日均輸氣量超1.1億立方米，年輸氣能力達380億立方米，可滿足1.3億戶城市家庭全年用氣需求。
這得益于該能源通道所采用的管道。它是我國首條采用1422毫米超大口徑、X80高鋼級、12兆帕高壓力等級的天然氣管道，也是目前全球口徑最大的輸氣管道。
采用如此大口徑的管道輸送天然氣，管道一旦斷裂，后果不堪設想。如何精準設計管道，防止管道斷裂失效？這是擺在科研團隊面前的第二道難題。
“當時國際上通用的管道止裂韌性預測模型不適用于管徑超過1219毫米、止裂韌性超過100焦耳的高鋼級管道，并且未能考慮土壤類型和管道埋深等因素影響，無法直接應用于我國‘北氣南下’能源大通道。”國家管網(wǎng)集團西部管道公司總經(jīng)理龐貴良分析，如果采用這種預測模型，研制出的管道并不安全。
為了攻克這一難題，研究團隊創(chuàng)新開發(fā)了大口徑高鋼級管道止裂韌性預測模型，首次引入土壤類型、埋深和管徑多參數(shù)動態(tài)耦合的土壤約束因子，精準確定了“北氣南下”能源大通道管道止裂韌性指標。
根據(jù)這一韌性指標設計出的大口徑管道，是否能夠保障管道在運輸能源時的安全性？為了準確回答這一問題，研究團隊自主開發(fā)建設了亞洲首座全尺寸管道氣體爆破試驗場，在世界上首次開展了1422毫米超大口徑、X80高鋼級管道天然氣爆破試驗。
通過全尺寸爆破試驗，他們驗證了“北氣南下”能源大通道管道斷裂韌性指標和環(huán)焊縫極限承載能力，為管材研制與管道設計奠定了基礎。
智能檢測：管道健康狀況“洞察入微”
油氣管道順利穿越不穩(wěn)定凍土帶后，研究團隊還需精準掌握管道運行相關(guān)數(shù)據(jù)。大口徑管道被埋入地下后，運行狀態(tài)怎么樣，有沒有出現(xiàn)缺陷和裂紋？這是研究團隊面臨的第三道難題。
“管道口徑變大、內(nèi)部壓力增高，哪怕微小的管道缺陷也會釀成大禍?！眹夜芫W(wǎng)集團研究總院副院長陳朋超說，以往的檢測設備無論是口徑、功能還是檢測精度，都無法滿足這條能源大通道的高可靠運行要求。
怎樣才能在不影響油氣管道運行的前提下，又快又好地對管道進行“體檢”？讓機器人鉆進管道里完成這項任務是最優(yōu)解決方案。研究團隊創(chuàng)新采用高密霍爾陣列和品字形正交差模渦流超高分辨率磁電復合傳感技術(shù)，研制出國內(nèi)首套1422毫米超大口徑管道多物理場超高清管道微小缺陷和附加應力內(nèi)檢測技術(shù)與裝備。
“這款管道檢測機器人身上布滿了傳感器。它可以鉆進管道內(nèi)部，按照每秒3—5米的最優(yōu)控制速度，順著油氣介質(zhì)輸送方向前進。這樣就可以在不影響管道運行的前提下，精準感知管道本體狀態(tài)?！标惻蟪榻B，該裝備實現(xiàn)了微小缺陷與附加應力的一體化檢測，可識別細微焊縫裂紋與小型孔洞類缺陷，有效提升檢測精度與安全評估效能。
陳朋超告訴記者，機器人在管道中每運行1分鐘可采集約2G—3G的數(shù)據(jù)。采集完成后，研究團隊會利用自主開發(fā)的智能分析系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)信號進行解析識別，及時捕捉和判斷數(shù)據(jù)信號背后隱藏的管道缺陷或應力變化。
“作為我國重要的能源戰(zhàn)略走廊和‘一帶一路’標志性工程，東北能源戰(zhàn)略通道踐行平安管道、綠色管道、發(fā)展管道、友誼管道的建設理念，引領了大型油氣管道技術(shù)發(fā)展方向，極大推動了管道行業(yè)技術(shù)進步，為全球管道工程建設貢獻了中國方案?！苯帘硎?。（劉園園）
責任編輯：于彤彤
