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馴服凍土、抵御斷裂、洞察缺陷 能源大動脈披上“科技護(hù)甲”

來源：科技日報 時間：2025-09-16 16:10

　　伴隨著大型輸油泵機(jī)組與壓縮機(jī)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(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展和人民美好生活持續(xù)注入強(qiáng)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(yùn)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(shè)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(tuán)副總經(jīng)理、黨組成員、首席科學(xué)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(shè)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。”國家管網(wǎng)集團(tuán)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?xí)蛎?，容易把敷設(shè)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)。”馬云賓說。

　　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?xí)绾伟l(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(jìn)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(biāo)，研究團(tuán)隊在國際上首創(chuàng)熱油管廊凍土演化預(yù)測方法，從水平和垂直方向，對凍土的分布和動態(tài)變化進(jìn)行科學(xué)預(yù)測。同時，他們還創(chuàng)新開發(fā)了凍土區(qū)管道應(yīng)變設(shè)計及評價方法。該方法能夠?qū)鋈跒?zāi)害高風(fēng)險管段應(yīng)變進(jìn)行精確計算，預(yù)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(shè)計與運(yùn)維奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

　　在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊發(fā)明了“導(dǎo)—散—隔—阻”成套技術(shù)：即利用熱棒單向?qū)?、通風(fēng)管對流散熱、保溫層隔熱、生態(tài)修復(fù)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(shè)大型輸油管道的國際難題。

　　斷裂預(yù)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(biāo)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(dá)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(shè)想。如何精準(zhǔn)設(shè)計管道，防止管道斷裂失效？這是擺在科研團(tuán)隊面前的第二道難題。

　　“當(dāng)時國際上通用的管道止裂韌性預(yù)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(yīng)用于我國‘北氣南下’能源大通道。”國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道公司總經(jīng)理龐貴良分析，如果采用這種預(yù)測模型，研制出的管道并不安全。

　　為了攻克這一難題，研究團(tuán)隊創(chuàng)新開發(fā)了大口徑高鋼級管道止裂韌性預(yù)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(zhǔn)確定了“北氣南下”能源大通道管道止裂韌性指標(biāo)。

　　根據(jù)這一韌性指標(biāo)設(shè)計出的大口徑管道，是否能夠保障管道在運(yùn)輸能源時的安全性？為了準(zhǔn)確回答這一問題，研究團(tuán)隊自主開發(fā)建設(shè)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(biāo)和環(huán)焊縫極限承載能力，為管材研制與管道設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

　　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(tuán)隊還需精準(zhǔn)掌握管道運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)。大口徑管道被埋入地下后，運(yùn)行狀態(tài)怎么樣，有沒有出現(xiàn)缺陷和裂紋？這是研究團(tuán)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(tuán)研究總院副院長陳朋超說，以往的檢測設(shè)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(yùn)行要求。

　　怎樣才能在不影響油氣管道運(yùn)行的前提下，又快又好地對管道進(jìn)行“體檢”？讓機(jī)器人鉆進(jìn)管道里完成這項任務(wù)是最優(yōu)解決方案。研究團(tuán)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(fù)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(yīng)力內(nèi)檢測技術(shù)與裝備。

　　“這款管道檢測機(jī)器人身上布滿了傳感器。它可以鉆進(jìn)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(jìn)。這樣就可以在不影響管道運(yùn)行的前提下，精準(zhǔn)感知管道本體狀態(tài)。”陳朋超介紹，該裝備實現(xiàn)了微小缺陷與附加應(yīng)力的一體化檢測，可識別細(xì)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(jī)器人在管道中每運(yùn)行1分鐘可采集約2G—3G的數(shù)據(jù)。采集完成后，研究團(tuán)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(jìn)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(yīng)力變化。

　　“作為我國重要的能源戰(zhàn)略走廊和‘一帶一路’標(biāo)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(shè)理念，引領(lǐng)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(jìn)步，為全球管道工程建設(shè)貢獻(xiàn)了中國方案。”姜昌亮表示。（劉園園）

責(zé)任編輯：于彤彤