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我国干线天然气管网建设过程中的新技术应用 —— 管道设计院

张志宏 2013.5.22

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0 引言1 国内外天然气管网发展概况2 我国天然气管网发展概况及面临的问题3 技创新在我国天然气管网建设中的作用4 结束语

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引言 随着国民经济的快速发展导致能源需求的不断增大和对环保要求的日益提高，天然气作为一种清洁能源，在全世界范围内得到了越来越广泛的应用。

天然气与其他清洁能源相比具有热值高、便于储存运输、性质稳定等优点。

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引言 天然气的大规模使用，是我国调整煤炭占比过大的能源结构，改善自然环境，建设美丽中国的必然需求。

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引言 在十一五期间，国内天然气消费量年均增长 15% ，远高于世界 3%

的平均水平； 我国天然气占一次能耗比例 4% 左右，远低于全球平均 24% 的水 平，与发达国家相比空间巨大； 十二五末我国天然气需求量将增长到 2350 亿方以上，占一次能源 消费比重达到 8% 以上。 “ 十五”年均 13.8%

“ 十一五”年均 17.5%

“ 十二五”年均 17%（亿方）

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引言 管道、储气库、 LNG 接收站及调峰站是天然气运输、储存的 主要手段； 目前，我国累计建设天然气管道已超过 5 万公里， LNG 接收站 6 座，地下储气库 11 处。 LNG 接收站工程鸟瞰图管道现场施工

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引言 预计未来 5-10 年还将建设包括西气东输三线、四线、五线， 中缅天然气管线，陕京四线，东北天然气管网等在内的 5 万公 里以上的天然气管道； 沿海将建设深圳、珠海、海南等 10 个左右 LNG 接收站； 国家将扩建并新建地下储气库项目，到十二五末将形成 110 亿方的工作气量。

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安 全

经 济 环 保高 效

从十二五末到十三五期间仍将是管道建设高峰期

建设天然气管网及配套的储库、 LNG 工程的关键问题

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1.1 美国天然气管网发展概况

美国天然气管网

美国天然气管网包括 210 余个天然气管道系统，管道总长超过 300， 000 英里，管网内共设置超过 1400 座压气站，11， 000 个分输点，5000 个注入点及1400 条联络线。

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1.1 美国天然气管网发展概况

压气站分布图 地下储库分布图

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1.1 美国天然气管网发展概况 北美著名的 Alliance 管道，美国境内管线长度1421km ，管径 914mm ，最大操作压力 13.4MPa， 7座压缩机站，间距约 193 公里，该管道特点为： 高压力、富气输送； 控制中心具有优先控制权，晚上 无人值守； 2000 年运行以来，管道实现 了“零泄露 /破裂、零改造、零 第三方破坏”。

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1.1 美国天然气管网发展概况 洛基快线是美国近些年建设的一条大型天然气管道，洛基快线主要是运输洛基山脉的天然气至东部地区，经过美国的 8 个州。管道管径1067mm ，输量 180 亿立方米 /年，全长 2700 公里。该管道大规模使用 X80钢，并在一级地区采用0.8 设计系数。

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1.1 美国天然气管网发展概况 早在十九世纪初美国就采用圆木管道进行天然气输送。目前，美国天然气管网非常发达，主要特点如下： 美国天然气管网覆盖面广，已经延伸到了村镇； 美国天然气管网季节调峰及保安供气主要依靠地下储气库， 地下储气库提供的气量占全部调峰供气量 80% 以上，储 气库数量世界第一； 美国另外一种应用广泛的天然气调峰措施是 LNG ，目 前建有 5 座 LNG 接收站和 100座 LNG 调峰储气站。

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1.2 俄罗斯天然气管网发展概况 天然气是俄罗斯重要的燃料能源，在俄罗斯的矿产资源中集中了世界上 45% 的天然气储量。目前俄罗斯拥有约 20 万公里的天然气管道，其中 75% 的天然气管道由Gazprom公司运营，设有 5500 座干线截断阀， 22 座地下储气库。为了增加能源出口俄罗斯近些年陆续修建了一些大型天然气管道，例如亚马尔 - 欧洲输气管道、蓝流天然气管道，和刚刚建成著名的博 - 乌管道等等。

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1.2 俄罗斯天然气管网发展概况 博 - 乌管道管径 1420mm ，设计压力 11.8Mpa ，双管并行，单管年输送 700 亿立方米天然气，是目前世界上输量最大的天然气长输管道。

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1.2 俄罗斯天然气管网发展概况 俄罗斯地域辽阔，修建了很多长距离、大口径、大输量的天然气管道，在如此大的国土面积上保证各重要用气区的供气显得十分重要。俄罗斯的天然气管道系统具有较高的供气可靠性，主要体现在以下几个方面： 到目前为止，俄罗斯拥有 22 座地下储气库，地下储气库存气总 量为 1140×108m3 ，其中有效气量为 710×108m3 ，日采气 量可达 4.9×l08m3 ；俄罗斯建设具有多条管线系统的“输气走廊”，各管线间有连接线相互连接，增加了供气的灵活性和系统的输气裕量； 由多个不同气源供气，保障中心城市的供气安全。

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1.3 加拿大天然气管网发展概况 加拿大的天然气出口量仅次于俄罗斯，位居世界第二位。加拿大天然气的生产集中在阿尔伯达省，该省占全国产量的85％。加拿大天然气管道的走向基本上是从产气省阿尔伯达通向东部工业区和向美国输出。 加拿大天然气管网

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1.4 欧洲天然气管网发展概况   欧洲已建成长度超过 15 万公里的天然气干线管道和长度超过119.5 万公里的配气管道。这些管道纵横交错、相互之间交叉连接成网。 法国干线管道总长 3.65 万公里，与国土面积 55.16 万平方 公里相比，干线管道密度达 0.067 公里 /平方公里； 德国天然气干线管道总长 3.8 万公里，与国土面积 35.7 万平 方公里相比，干线管道密度达 0.1064 公里／平方公里； 各国都十分重视天然气的储备，目前欧洲多数国家的天然气 储备率为 15%-25% 。

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1.5 小结   美国、俄罗斯等国家的天然气管道经过超过一个世纪的发展，已形成了完善的以长输天然气管道为干线，以地下储备库、 LNG

站为调峰单元，覆盖整个国土、不同用气行业，民用与工业并重的天然气管道网络。安全、可靠、高效、覆盖面广的天然气管网是保证天然气这一清洁能源在国民经济建设中发挥举足轻重作用的唯一途径，与之相比我国天然气管道覆盖程度还很低（ 960 万平方公里国土， 5 万公里管道），美国、俄罗斯天然气管网的建设经验值得我国借鉴。

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经过 30 年的努力和一批如中石油集团的西气东输一线、二线，陕京一线、二线、三线，中缅天然气管道；中石化的川气东送；中海油在广东、福建等地区以 LNG 接收站为中心，打造的地区天然气管网等为标志性管道项目的上马实施，我国目前已形成横跨东西、纵贯南北、连通海外的全国性网络，“西气东输、北气南下、海气登陆、就近外供”的供气格局已经形成。各气源互相衔接，资源统配，基本实现全国天然气联网供应。

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西气东输一线工程全长 4200 公里，管径1016mm ，采用X70钢，设计输量120 亿立方米 /年，为当时管道之最，使天然气能源惠及 2 亿人口。

西气东输一线管道工程走向

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西气东输二线工程一干八支，全长近 9000 公里，年输气量 300 亿立方米 /年，全线采用 X80钢，管道建成将惠及我国 21 个省（区、市）数亿人口，该管道的建成投产标志着我国大口径、高压

力、高钢级天然气管道 技术处于国际领先水平。

西气东输二线管道工程走向

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陕京天然气管道已与冀宁联络线、中沧线相连，其用户已经扩展到京、津两市和陕、晋、冀、鲁、豫五省，有力缓解了华北地区的供气紧张局面。

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我国虽然在最近几年天然管道建设发展迅猛，全国规模的主干管网基本成型，但是管网建设过程中也面临一些问题，主要表现在以下几个方面： 预计到 2020 年我国新疆地区除西气东输一线、二线和三线外， 仍有 1000 亿立方米 /年以上的天然气需要管道输送。为将这些 资源输送到内陆地区，需要采用更加高效的管道输送技术，设 计参数应在管径 1219mm 、压力 12MPa和 X80钢级的基础 上继续提高，这样就涉及到材料、焊接、设计和施工等一系列 技术难题。

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我国幅员辽阔，地形地质条件复杂，地质灾害多发，而且很多 地方人口稠密。在这些地方敷设管道则面临管廊区域狭窄、多 管并行敷设、大型河流穿跨越、特殊地区管道设计、管道地质 灾害防治等一些列难题。 目前，我国骨干天然气管网基本为中石油运行，这种规模管网的 集中调控、运营世界罕见。因而，需要研发复杂天然气管网的集 中调控技术、管网节能技术、管道并联运行设计技术、管道风险 评价及完整性管理技术。

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3.1多专业协同优化设计软件系统 长输管道工程一般具有距离长（几百至数千公里），途径地理、人文环境多变，涉及专业众多等特点，为此开发出了多专业协同优化设计软件系统。该系统主要包含 : 综合地理信息系统（ GIS ）线路设计； 多专业三维站场协同设计； 风险识别与分析。

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3.1多专业协同优化设计软件系统 利用 GIS 线路设计功能可以将管道沿线各类复杂的地质人文环境与相关的地震与活动断裂、地质灾害、环境敏感点等信息进行收集，建立数据库；统计管道沿线的各类穿跨越工程量，进行管道工程所经线路周围的 HCA （高后果区）识别与分析。最后通过在GIS 系统内嵌算法和规则，自动统计工程量，在综合了经济比选与风险比选后实现线路的最优选择。

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3.1多专业协同优化设计软件系统 三维站场协同设计技术首先根据长输管道站场特点，针对线缆专业采用“硬管模拟电缆路由建立线缆专业三维模型”的设计方法，然后根据各专业特点，制定站场安装、建筑、仪表等专业的三维设计方法和协同设计方式，实现站场建筑室内外多专业三维协同设计。

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3.1多专业协同优化设计软件系统 采用定量风险评价（ QRA ）技术，进行管道失效后果计算和管道失效概率分析并得出管道风险数值，根据分析结果对设计和运行给出了合理化建议，使风险降低到可接受标准之内。采用危险与可操作性分析（ HAZOP ）可以改进管道系统中存在的不合理因素，使设计更加合理，降低管道在设计和运行过程中的风险。

火灾辐射强度模拟 西气东输二线某站场个人风险等高线

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3.2 基于可靠性的管道设计技术 由于传统的设计存在“不一致的安全性和可靠性水平、没有按全生命周期综合考虑问题、处理独特荷载条件的能力有限、涉及技术进步方面的能力有限”等局限，传统的设计方法已经难以完全满足我国大型天然气管网建设的需要。我国正在发展第三代管道技术，尝试采用从未大规模应用的 X90、 X100钢级，管道各项设计参数进一步提高，需要新的设计方法进行技术方面的支撑。 基于可靠性的管道设计流程

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3.2 基于可靠性的管道设计技术基于可靠性的设计和评价

提出材料、设备、施工和运行改进建议

为可靠性设计提供基本参数

X90\X100 相关技术研究输气管道提高设计系数应用研究Φ 1422mm 管道应用研究

三种途径的经济性分析

设计导则

X80 、 X90\X100 材料性能、钢管制造水平、施工建设水平、运行管理水平

满足可靠度目标的设计方案

管道运行管理技术研究

基于可靠性的管道设计在发展我国第三代大输量管道技术中的作用

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3.2 基于可靠性的管道设计技术 采用基于可靠性的设计将从管道面临的实际失效因素出发，通过极限状态的校核和不确定性分析，使所设计的管道满足可靠度目标要求。目前该技术已进行了一定研究，并将应用到 X90\X100和D1422 \X80\12MPa 北天山备用通道示范段工程之中。

1422mm通道示范工程走向

线路走向

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3.3 管道非开挖穿越及跨越技术体系 我国大江大河纵横交错，高山深峡分布广泛，针对我国管道穿越工程特点，管道局研发了 V150钢级和 7-5/8〞高强度、高抗扭钻杆；轻量化扶正器与板桶一体式新型扩孔器，突破了大口径管道扩孔时孔洞稳定性差的技术瓶颈，形成《油气输送管道水平定向钻穿越设计规范》等 9 项规范和工法。应用对穿技术创造了 2630米磨刀门水道穿越距离最长的世界记录。创建了《小断面长距离盾构隧道施工工法》等 11 项工法。实现了长江、松花江、钱塘江等一系列难点工程的盾构穿越。

对穿技术 新型钻杆抗扭、抗拉提升 30%

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3.3 管道非开挖穿越及跨越技术体系 在一些山势陡峭的峡谷地区，其他穿越技术难以实施，必须采用跨越的方式。跨越工程受安全因素的影响较大，而且还可能受到风、清管、地震等复杂工况下的载荷作用。管道设计院针对这些问题，进行了专门的动力响应研究，形成了健康监测方案及评价标准。该技术成果已成功应用于中缅管道跨越工程之中。

澜沧江悬索跨越风洞试验 悬索跨越健康监控系统方案

服务器

数据处理与控制

中心数据库

智能客户端

数据分析与预警网络

用户界面

数据采集 现场传输现场传输

位移

加速度

温度

风速

传感器

倾角

索力

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3.4 管道联合运行及并行敷设技术 与国外很多国家相比，一方面是快速建设天然气管网的需求，另一方面是土地紧张，管廊带狭窄的现实问题。管道设计院进行了并行管道联合运行的水力系统分析、并行管道阀室跨接的水力和供气保安分析等方面的研究。研究成果已经应用至西气东输二线、三线工程之中，并形成了中石油企业标准《油气管道并行敷设设计规范》，目前正在进行国标的编制工作。 并行管道失效研究路线

P1失效

破孔 破裂

P1的压力载荷及P2的反应

弹坑的形成

P1破裂后燃烧形成的热载荷(辐射)

P2暴露在弹坑,对热载荷的反应

弹坑的形成

P1破裂后燃烧形成的热载荷(辐射)

P2暴露在弹坑,对热载荷的反应

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3.5 管道自动化施工技术 管道局研发了具有自主知识产权的高效自动焊接技术，形成适应不同环境的高钢级管道自动焊焊接工艺系列。研制了八焊炬内焊机、双焊炬外焊机、 1219mm 及以下现场系列液压冷弯管机、节能静音型双动力焊接工程车、山地综合运管车、多功能吊焊机等配套施工装备，实现了施工装备的全面国产化，总体性能达到国外同类产品水平，成本降低 50% 。

双焊矩外焊机

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3.5 管道自动化施工技术

步进式挖掘机

八焊炬数控内焊机 间隙自调内对口器

双管山地运输车

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3.6 管道关键设备国产化 在西气东输二线工程中，自主开发出 X80、 1219mm 大口径厚壁螺旋埋弧焊、直缝焊管、热煨弯管及管件，自主创新研制了 20MW级高速直联变频调速电机驱动压缩机组，已确定应用19台套国产 20MW级电驱压缩机组，直接节约管道建设投资12， 100 万元。研究提出了大口径全焊接球阀国产化技术条件，研制出 40″、 48″CLASS 600 和CLASS 900 高压大口径全焊接球阀，节约投资 2117 万元。主要性能指标优于API-6D标准。

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3.6 管道关键设备国产化 目前中石油正在开展 2500kw级输油泵机组，调压装置，旋塞阀、泄压阀等十几种设备的国产化研制工作。若项目研制成功，相比于国外采购，输油泵国产化未来十年可节约 10 亿人民币左右；关键阀门国产化将产生经济效益约 13.7 亿元；执行机构的国产化仅西四线便可节约 3900 万元；流量计和快开盲板可节约3 亿元。

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3.7 无人站设计技术 “无人站”为无人操作、无人值守、有人看护，由调度控制中心操作运行站场的简称。“无人站”技术涉及面比较广，综合体现出较高的工艺和自动化设计及运维水平。管道设计院通过技术研究，对照国外标准，进行“无人站”管理规划、危险与可操作性评价分析及技术改造，国内第一个“无人站”—西靖输油站和新堡输油站在中石油西部管道分公司古浪作业区通过验收，开始上线试点运行。 站场集中调控

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3.8 大型天然气管网的集中调控及节能降耗技术 目前，国内天然气管网正在形成，管道设计院在深入研究我国管网建设运行特点的基础上，采用输气管网优化设计与调峰技术对输气管道及相关管网进行仿真模拟计算，通过一系列系统优化、失效分析、事故工况分析、调峰分析，实现天然气管网的最优化设计与运行。开展了多项天然气管道节能降耗技术的研究和应用，主要包括：减压能的利用、燃气轮机的余热综合利用、新能源的利用（如风能、太阳能等）和天然气管道运行优化节能技术，采用这些技术后综合节能约 12% 。

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3.9 地质灾害地区管道设计技术 中国是世界上受地质灾害危害最为严重的国家之一，平均每年因地质灾害造成的经济损失高达 270 亿元。管道设计院针对强震区和活动断裂带、冻土区、矿山沉陷区等地面变形条件下基于应力的管道设计方法的不足，自主创建了基于应变的管道设计及其配套技术，应用应变设计对兰成渝管道进行了校核和改造，使其经受住了汶川大地震的考验。该技术还成功应用于西气东输二线11 条活动断层和中缅油气管道沿线 13 处采空区的基于应变管道设计和施工。

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3.10 基于全生命周期的管道数据系统 管道全生命周期管理通过对管道各阶段的业务与信息进行整合，进而建立统一的管道信息模型，实现全生命周期信息管理。管道设计院目前正在建立基于管道全生命周期的管道数字化系统，在设计之初推进数字化设计的进程。在施工阶段，承包商可利用设计模型开展基于三维可视化的施工进度安排、施工工序计划、风险分析等。在管道运营期间，可以以该数据系统为依据进行管道维护计划的制定，提高管道运行寿命。

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3.11 小结 与国外发达国家相比，我国天然气管网的建设在某种程度上难度更大，面临更多技术方面的挑战。例如，我国人口稠密，管廊带狭窄，需要降低管道建设和运行的风险；大跨度、长距离、多分输 \注入的超大型天然气管网的优化运行；复杂地质人文环境下的管道设计、施工和运行等等。这些问题都需要广大管道科技人员进行新技术的研发，以适应我国天然气管网建设的需要。

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中国石油天然气管道设计院创建于上世纪七十年代，是以长输管道工程、油气田地面工程、大型油气库工程、公用工程、市政工程等领域的咨询、勘察、设计、储运技术研究为主营业务的跨国经营的工程公司。

1984年 , 管道勘察设计院更名石油工业部管道勘察设计院

2000年 , 与中油管道建设有限责任总公司重组改制 , 成立“中国石油天然气管道工程有限公司”

2010年公司更名为中国石油天然气管道局设计院。 对外保留“中国石油天然气管道工程有限公司（ CPPE）”

1970年 , 成立东北八 三工程指挥部设计组

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管道设计院总部设于廊坊，下设四个国内分公司、一个海外分公司和两个办事处。

东北分公司 新疆分公司

总部

上海分公司 珠海分公司

中亚办事处 阿布扎比分公司苏丹办事处

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公司具有工程设计综合甲级资质，可以承接包括 21 个行业在内的各行业、各等级建设工程项目的设计、工程总承包、项目管理和相关的技术与管理服务业务。

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公司具有工程勘察综合类甲级资质，包括岩土工程专业资质、水文地质勘察专业资质和工程测量专业资质；其中，岩土工程专业资质包括：岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程物探测试检测监测和岩土工程咨询等岩土工程（分项）专业资质。

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工程咨询 甲级

工程造价咨询 甲级工程测量 甲级

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中国石油天然气管道设计院迄今成功勘察设计了输送各种介质的大口径长输管道 10 万余公里、大型储罐库 3000 万立方米，承担了国内中石油等几大能源公司投资建设的 80% 以上的长输管道工程，在伊拉克、科威特、马来西亚、巴基斯坦、突尼斯、苏丹、哈萨克斯坦、乌兹别克、缅甸、利比亚等国家设计完成各类管道近 2万公里；承担了众多国家级、中石油集团公司级重大科研攻关项目，是我国管道建设唯一专业设计院。公司将秉承管道人不畏艰险、攻坚克难的一贯作风，力争为我国下一个管道建设十年做出自身最大的贡献。

谢谢！