2024年12月2日，国家管网集团对外宣布元富证券，“北气南下”能源大通道天然气管道工程全线贯通。
“北气南下”能源大通道全长5111公里，新建管道3371公里，北起黑龙江省黑河市，南至上海，分为北、中、南三段建设，北段在2019年12月投产，此次南段完工，全线贯通。除去长度创下纪录，“北气南下”能源大通道还选择了颇具挑战的大输量管道建设方案，并实现长输管道关键设备全面国产化。
自西气东输一线工程在2002年开工建设以来，已有20余年。在国内天然气长输管道领域，“北气南下”能源大通道无疑具有里程碑意义，被视为我国首条“大口径、大壁厚、高钢级、高压力”的世界级管道工程。除去工程层面的意义，在过去5年里，随着其北段、中段、南段先后投产，输气量迅速提升，对于缓解国内天然气供应紧张、保障国家能源安全亦发挥重要作用。
雪后的“北气南下”能源大通道明水作业区。本组报道供图/国家管网集团
世界级管道工程的挑战
作为目前国内单管输量最大的管道，为达成每年380亿立方米的目标输气量，“北气南下”能源大通道采用“大口径、大壁厚、高钢级、高压力”的管道，所需管道数量更少，使得方案投资额更低，能够降低部分下游用户特别是工业用户的用气成本。
“最初内部对于方案存在争论，最终选择如今方案的其中一个重要原因就是‘节省投资’。”国家管网集团工程部副总经理刘海春告诉《中国新闻周刊》，铺设更少管道的方案不仅“节钱”，同样“节地”，但是对于装备、工程质量要求更高，“稍有闪失就是颠覆性影响”。
想要完成每年380亿立方米的目标输气量并非易事。刘海春介绍说：“大口径、高压力是必然选择。管道口径与输气量之间的关系容易理解，而天然气在管道中需要依靠压力才能输送，如果压力较低，将无法达到目标输气量。随着压力升高，管壁为了承压必然加厚，但是如果管壁过厚焊接难度也将增大，而提高钢级可以适当降低壁厚，减少用钢量，因此为了适应高压力输送，应尽量采用高钢级钢材。”
“北气南下”能源大通道采用的大管径（1422毫米）、大壁厚（32.1毫米）、高钢级（X80）、高压力（12兆帕）管道并无先例，这些管道技术参数不仅使其成为国内第一条第三代长输管道，而且意味着与之匹配的一系列设备材料如56寸大口径球阀等，同样面临没有成熟产品的挑战。这也是大口径球阀在单一工程中首次批量应用，对阀门制造工艺、密封材料等都提出新的要求。再比如“北气南下”能源大通道应用的调压、计量装置也是为大输量工况研发的设备，“北气南下”能源大通道为之提供了应用场景，带动上下游产业链推出新的产品。
“如果这些设备材料的制备无法取得突破，‘北气南下’能源大通道工程就无法进行。这也是‘北气南下’能源大通道工程与其他管道工程的不同之处，国家管网不仅仅负责招标采购、监督质量，还要与供应商一起从源头解决一些设备材料从无到有的问题。”刘海春说。
“北气南下”能源大通道从北至南穿越的复杂自然环境也带来额外的挑战。“北气南下”能源大通道工程分为北段（黑河—长岭）、中段（长岭—永清）、南段（永清—上海）三段施工。刘海春表示：“其他长输天然气管道多在一定纬度范围内，穿越的地形、地貌也相对单一。像‘北气南下’能源大通道这样从北至南，穿越地区地形、地貌、温度跨度较大的管道工程并不多见，这给装备、施工带来更多挑战。”
施工中的“北气南下”能源大通道南段。
比如对于制管而言，最低适应温度越低则难度越大，而为适应东北地区冬季低温环境，“北气南下”能源大通道管道最低适应温度达到零下45度。“这是大口径、大壁厚、高钢级、高压力天然气管道首次在低温环境中应用，而钢管在低温环境中本就更脆弱。”
“管道技术参数提升，以及东北地区冬季的低温环境，也让施工难度几何级数提升。”刘海春告诉记者元富证券，“北气南下”能源大通道管道管壁达到32.1毫米，这已经给焊接造成困难，而在焊接后进行防腐补口时，需要保温，低温环境更增添了难度。
如果说低温是“北气南下”能源大通道管道工程穿越东北地区时面临的最大障碍，在南段工程中，华东地区密布的水网成为需要跨越的现实阻碍。
国家管网集团建设项目管理公司东南中心负责人崔宗告诉《中国新闻周刊》，“北气南下”能源大通道南段工程，面对的主要难题就是水网、人员密集。“管线穿越90多处大中型河流、120多处等级公路，以及1200多处小型河流，而且涉及房屋、厂房拆迁工作更多，外部协调工作量较大。”
他告诉记者，南段工程最终穿越100余公里的水网地区，水网密布的环境导致地基承载能力有限，因此全自动焊接设备在施工过程中需要特别保障。另外，由于地下水位比较高，需要解决管道下沟时可能遇到的上浮问题。
“北气南下”能源大通道长江盾构穿越工程是其穿越华东地区水网的标志性工程。长江隧道内径达到6.8米，虽然相比于公路、铁路动辄15米以上的内径，这一内径并不算大，但是已经创下管道隧道的纪录，中国中铁装备为此研制了世界最小直径的常压刀盘盾构机。“最重要的是创下单台盾构机单向掘进距离最长的纪录——10.226公里。一般而言，盾构机的寿命只有10公里，长江盾构的单向掘进距离突破了盾构机的寿命极限。”
“此前穿越长江的管道隧道并不少，更多是容纳小口径单条管道的隧道。但是此次需要在有限空间安装三条1422毫米的大口径管道。”崔宗介绍，穿越长江的管道隧道属于稀缺资源，除去“北气南下”能源大通道管道之外，另有一条江苏省内的管道和一条备用管道。最终“北气南下”能源大通道穿越长江的工程提前半年左右完成。
全力打造“智能管道”
智能化，这是“北气南下”能源大通道的另一个重要标签。“北气南下”能源大通道是我国首条智能管道样板工程，以“全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理”为理念，将人工智能技术与管道场景深度结合，形成了管道智能建设、管体智能检测、站场智能运行、线路智能巡护和管网智能调控等技术，逐步实现了由传统管理向智能化管理的转变。
在管道建设阶段，首先在“全数字化移交”方面进行重点攻克。“北气南下”能源大通道保持工程资料数字化移交和纸质移交双轨运行，建立了统一的“北气南下”能源大通道工程信息化平台，焊口、检测与评定、防腐数据，实时上传，统一维护，统一交付。竣工坐标线下回流到设计院，形成数字化竣工资料，同时交付完整性管理PIS系统，首次形成了工程数字孪生体。
上图：“北气南下”能源大通道苏皖管道互联互通工程焊接施工现场。
中图：“北气南下”能源大通道长江盾构穿越工程隧道内景。
下图：“北气南下”能源大通道永清作业区。
建设过程中首次研究并全面应用全自动化焊接、全自动超声波检测、全机械化防腐补口等施工工艺。比如在管道建设期间，采集一切可以被采集的数据，甚至将部分数据实时传输到云端。采用大口径、大壁厚自动焊机组，焊接质量更加可靠、稳定，焊接工效大大提高（半自动焊3倍以上），焊口一次合格率达96.32％，创造了大口径管道焊接最好成绩。并且连头口也实现了组合自动焊，“北气南下”能源大通道线路环焊缝自动焊率达100％。
“我们坚定不移地贯彻科技兴安战略，全力推进危险化学品领域机械化减人、自动化换人、智能化无人相关工作。借助先进的自动化与智能化技术，削减工艺现场的人工操作频次，不仅显著提升生产运维效率，更从根本上筑牢安全防线元富证券，全面提升安全水平。”国家管网集团生产部自控管理总监闫峰说。
开通后，“北气南下”能源大通道管道借助AR、AI、大数据等技术，推进智能站场、无人站场建设，实现智能运行。
过去，管线站场设备难以通过调控中心远程操作，而是驻站人员收到调度令后完成开关阀等具体操作。2006年，国内管线开始推动自动化操作，确保站场设备可以远程启停。“北气南下”能源大通道管道在智能调控方面，取得了更大的技术突破，研发了国内首套具有完全自主知识产权的大型油气管网工业控制系统，可用率达99.96％，全线压缩机组、所有站场只需一个指令，即可由控制程序自动完成远程一键启停机、一键启停站。
“北气南下”能源大通道管道沿线大多是高寒地区，冬季暴雪过后，巡线车辆常因积雪无法正常行驶，为日常巡线带来困难。“北气南下”能源大通道管道强化技防手段应用，实现了管道线路的第三方施工与地质灾害风险的准确识别。
在本体智能检测方面，国内首次实现宽度0.3mm 环焊缝开口裂纹、直径 3mm 针孔缺陷检测，十分之一芝麻粒宽度的微小焊缝都能检测定位，实现了管道本体缺陷的自动检测和智能识别，有效保障了管道的本体安全。
在线路智能巡检方面，通过研发形成光纤安全预警、视频智能识别、无人机智能巡检、智能阴保等技术，构建“天空地”一体化智能管道巡护模式，实现管道线路风险由人工巡检的被动防护向全智能主动管控的转变，大幅降低人工成本，有效解决极寒环境下的管道全时全域安全保障难题。
在主动管控方面，“北气南下”能源大通道还实现了设备远程监测诊断，构建了压缩机组、电气设备、计量与控制系统等关键设备远程监测系统，对实时数据、历史变化趋势等进行诊断分析，初步实现故障的及时预判、集中监测和诊断分析。
闫峰介绍说：“压缩机组是天然气管网输送的关键设备。以往，压缩机组的维护保养依赖传统模式，按固定周期开展工作。比如，当压缩机组运行时长达到4000和8000小时，便会进行例行维护保养；累计运行五万小时后，则需返厂实施大修。‘北气南下’能源大通道管道建设以来，我们引入AI、大模型等前沿技术，建立并持续迭代压缩机组诊断分析模型。通过实时监测压缩机组运行中的轴承振动、润滑油成分等关键数据，实现对压缩机组健康状态的动态跟踪。这一创新举措，有力提升了预防性维护的精准度，更好保障了天然气输送的稳定。”
“北气南下”能源大通道改变了什么？
“北气南下”能源大通道自2014年9月开建，2019年12月北段率先投产通气。投产之初，“北气南下”能源大通道年输气量约50亿立方米。此后，“北气南下”能源大通道天然气管道输气量逐年递增，其中2020年供气量约41亿立方米、2021年供气量约100亿立方米、2022年供气量约150亿立方米、2023年供气量220亿立方米、2024年供气量超300亿立方米，原本计划于2025年达到合同输气量380亿立方米/年。
而到2024年12月，“北气南下”能源大通道已经提前具备增供至380亿立方米/年的能力，也就是按照上限输气量实现满负荷运行。投产通气5年来，“北气南下”能源大通道累计输气量超过800亿立方米。
“‘北气南下’能源大通道2019年投产之后，就在推进增输工作，按照预期增输气量投资压缩机等设备，并且一直在提速。2024年四季度，完成压缩机等设备布局。”闫峰表示，上游产能迅速增长，下游市场需求充足，相比预期提前一个月具备380亿立方米/年的管输能力。
上图：国家管网集团北方管道公司员工雪后巡检“北气南下”能源大通道。
下图：建设中的“北气南下”能源大通道。
国家管网集团不断优化增输工程建设工期、提前投产沿线压缩机组，确保“北气南下”能源大通道连续3年在冬季保供高峰月提前增输，其中2021年11月增至150亿立方米/年、2022年12月增至220亿立方米/年、2023年11月增至300亿立方米/年，先后建设并投用黑河、五大连池、沈阳、安平等10座压气站，推动“北气南下”能源大通道天然气管道年输送能力快速增长到目前的380亿立方米/年。
对于“北气南下”能源大通道的保供意义，京津冀地区的感受尤为强烈。“北气南下”能源大通道投产后，与我国已建的东北管网、陕京管道系统及大连LNG、唐山LNG、辽河储气库、西气东输管道系统等互联互通，可向东北、环渤海、长三角等地区稳定供应天然气资源，增强区域天然气供应能力和应急调峰保障能力，尤其是为冬季保供、北京冬奥会和冬残奥会的成功举办贡献了力量。
随着2020年12月，全长1110公里的“北气南下”能源大通道中段按期投产，“北气南下”能源大通道输送的天然气正式进入京津冀，并且参与当年冬季保供。
北京燃气集团生产运营部经理张明作告诉《中国新闻周刊》，北京是国内用气量最大的单体城市，北京燃气集团2023年管道天然气供应量达到183.5亿立方米，当年12月21日还曾创下1.36亿立方米的单日用气量历史峰值。从2020年12月“北气南下”能源大通道中段投产后，过去4年多，北京天然气供应版图中，“北气南下”能源大通道输送的天然气占比不断增加，今年已经实现“完全常态化”，夏季占比三分之一左右，冬季占比更高。
随着“北气南下”能源大通道气源越来越充足，北京燃气集团不断调整建立适应新供应格局的资源配置方式。
“北京天然气供应曾主要依靠4条陕京天然气管道，‘北气南下’能源大通道气源进入市场后，保供，特别是冬季保供能力明显提升。目前北京燃气集团累计接收‘北气南下’能源大通道输送天然气超200亿立方米，去年冬今年春供应量进一步提高，单日高值从去年6000余万立方米提高至今年8000万立方米以上，占比通常达到七成以上，一些时段甚至高达90％，已经成为北京冬季的主力气源之一，可以说极大提升了首都气热电保供裕度和灵活性。”张明作介绍。
“北气南下”能源大通道是继中亚管道、中缅管道之后，向中国供气的第三条跨境天然气长输管道。其中，“北气南下”能源大通道也是四大能源战略通道之一的东北通道的重要组成部分。四大通道包括三条陆上通道和一条海上通道：东北通道、西北通道、西南通道、东南海上油气通道。
“北气南下”能源大通道作为目前中俄之间唯一一条天然气长输管道，对于确保能源安全至关重要。2023年，中国进口天然气1656亿立方米，其中LNG占比59.4％，管道气占比40.6％。中国工程院院士黄维和在接受《中国新闻周刊》采访时表示，气源多元化是维护能源安全的关键，应该做到两个50％，即国内气源与进口气源分别占比50％，进口气源中陆上气源与海上气源分别占比50％。
数据显示，2023年，中国天然气消费量为3917亿立方米，同比增长6.6％。以此计算，“北气南下”能源大通道380亿立方米的供气量可满足近10％的全国天然气需求。根据测算，“北气南下”能源大通道天然气管道投产，有助于推动天然气供应紧张局面得到根本性好转，促进我国天然气在一次能源消费结构中的比例提高约一个百分点。
作为“北气南下”能源大通道完工的最后一段工程，在“北气南下”能源大通道南通至甪直段管道投产后，未来供应长三角区域的天然气资源将更加充足、更有保障，并进一步推动长三角地区能源结构转型。
国家管网集团西气东输公司代表司刚强表示：“2025年，通过‘北气南下’能源大通道进入长三角地区的天然气预计将增加近50亿立方米，届时总量可达当前国家管网集团向长三角地区输送天然气的五分之一，能够更好满足区域内工业和居民用户的用气需求。”
据测算，50亿立方米天然气折合可替代标煤645万吨，可减少排放二氧化硫12.7万吨、粉尘361.8万吨和二氧化碳730万吨，相当于种植阔叶林2200万公顷，约等于0.6个长三角面积。
记者：陈惟杉
编辑：闵杰
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