油氣管道安全管理技術研究

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1落實完整性管理是關鍵

1.1信息化與完整性

經過10余年的發展，我國油氣管道完整性管理技術日臻成熟，通過搭建系統的完整性管理體系和組織機構，消除了大量安全隱患，解決了諸多技術問題，變革了管理決策模式，提高了管理決策的科學性、投資的針對性、維檢修的有效性。信息化技術在管道完整性管理的規范化和智能化方面發揮了重要作用，國內外業已在信息化的技術標準、數據管理、系統架構和決策分析等方面取得了豐碩成果，未來需進一步發揮數據整體價值，提升數據應用水平。全球信息化發展已步入大數據時代，互聯網、移動互聯網、物聯網、車聯網、GPS、醫學影像、安全監控、金融、電信都在瘋狂產生著數據，有市場研究機構預測，至2020年整個世界的數據總量將達到35.2ZB。基于此，大數據正迅速成為最值得關注的IT領域之一，2012年3月29日奧巴馬政府公布了“大數據研發計劃”，其目標是改進現有人們從海量和復雜的數據中獲取知識的能力，從而加速美國在科學領域發明的步伐，由此，“大數據戰略”上升為美國最高國策對數據占有和控制，作為海權、陸權、空權之外的另外一種國家核心能力。大數據并非單指“海量數據”，而是“海量數據”與“復雜類型的數據”共同構成大數據。大數據具有4V特征：大量化（Volume）、多樣化（Variety）、快速化（Velocity）、價值密度低（Value）。隨著管道完整性管理的深入，管道歷史數據資料、內外檢測信息、日常管理數據、環境數據不斷積累，經過校準、對齊、整合，使各類數據均可對應管道各環焊縫信息，從而形成統一的數據庫或數據表，即管道大數據。對于管道企業來講，在激烈的國際競爭中先人一步，從數據分析層面的角色快速向數據資產管理層面的角色轉變，對數據資產進行有效性劃分，厘清有效資產，借助大數據分析平臺，發掘數據價值并形成洞察力，為管道的運行管理提供決策支持，將可以極大地提高企業的競爭力。基于相關關系分析法的預測是大數據應用的核心，因此，實現大數據高效應用的前提，必然是徹底變革原有的思維模式——熱衷于尋找事物間的因果關系，由果推因或由因推果做出判斷，轉而通過對海量數據和復雜數據的聚類分析和關聯規則分析等，推斷事物的發展規律。顯然，大數據的應用包括4個環節：數據采集、數據存儲、數據管理、數據分析與挖掘。數據分為結構化數據、非結構化數據及半結構化數據，結構化數據利于存儲，但海量數據的查詢、統計、更新等操作效率低下；非結構化數據如圖片、視頻及word、pdf、ppt等格式文件，不利于檢索、查詢和存儲；半結構化數據或是轉化為結構化數據存儲或是按照非結構化數據存儲。管道大數據的應用需要根據數據規模、數據類型、數據處理能力、數據分析方式、數據投資成本幾方面制定技術發展路線，基于自然語言處理、關聯規則分析、聚類分析、建模仿真等技術構建大數據分析平臺，使其具有標準性、易用性、易管理、高可用性、成熟性、高效性、互通性、安全性。目前，針對管道大數據的研究剛剛起步，周利劍指出在大數據中獲取有用的知識并為管道生產決策服務，是未來管道信息化技術的重要發展方向。馮慶善率先對“管道大數據”進行了定義，指出管道大數據在很多方面具備了“樣本=總體”的基礎，若數據達到“樣本=總體”水平，則工程上將不再需要風險評估，而在管道大數據條件下，風險分析模型從依據外在現象類比推測轉變為依據內因統計分析，從風險專家評估風險轉變為數據分析人員依據數據相關性分析、識別風險，進而徹底改變現有的管道風險評估和管理運營模式。王維斌對管道大數據管理架構進行了深入探討，指出建立管道大數據管理架構，需要開展以下5個方面的工作：

①建立合理、準確的大數據基準線；

②建立統一的數據記錄和存儲方式，建立關聯數據庫；

③實現相關數據的全面采集；

④建立基本準則和管理模式，開發通用數據管理平臺；

⑤建立基于大數據的分析決策程序。

1.2可靠性、安全性與完整性

油氣管道的可靠性與安全性已經成為國家能源供應安全戰略的重要組成部分，二者的含義和目的各異。可靠性是指油氣管道在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力，其研究對象是故障，目的是減少故障發生；安全性是指油氣管道在各種環境下都不發生事故的能力，其研究對象是危險，目的是減少事故發生。可見，可靠性是安全性的基礎，是防范風險的保證。根據美國空軍MIL-A-97221《飛機結構通用規范》的定義，結構完整性是以保證結構安全性和經濟性為出發點的。依據現代結構完整性的概念，管道完整性是指管道結構的適用性或合于使用性，而合于使用是指油氣管道在規定壽命期內具有足夠的可以承受預見載荷與環境條件的能力，是結構完整性的目標。綜上可見，可靠性與失效對應，安全性與風險對應，完整性與損傷對應。損傷是結構的功能退化，損傷的程度對結構的完整性產生影響，損傷的極限是失效。結構的可靠性和安全性很大程度上依賴于結構的完整性。因此，結構的完整性是油氣管道安全性的關鍵，研究管道失效機制及風險問題的根本是保證結構的完整性。根據結構可靠性、安全性與完整性的辨證關系，管道完整性管理的主要任務有：管道破壞（或失效）模式分析、風險分析及完整性評價。

1.3地區等級變化與完整性管理

管道系統及周邊環境的復雜性、變化性，注定了完整性管理應該具有全面性、持續性和發展性。油氣管道系統完整性技術發展到今天，基本上覆蓋了從規劃設計、施工建造到投產運行，從管道干線、輸油氣站場到儲罐、儲氣庫、LNG接收站的各個領域。當前，在油氣管道完整性管理的過程中，還有兩個問題需要特別關注：一是隨著城市化進程的推進，管道沿線地區等級的升級；二是埋地油氣管道與市政地下管涵空間的相互影響。2013年黃島輸油管道泄漏爆炸事故、2014年大連輸油管道泄漏燃燒事故、2014年臺灣高雄丙烯管道泄漏爆炸事故，均與上述問題有關。我國油氣管道普遍存在初期設計條件與當前狀況不符的情況，有必要從管道風險出發，系統研究管道地區等級升級問題，確定我國管道地區等級升級的必要條件，給出管道地區等級升級后需要采取的措施。管道地區等級升級后，其風險承受能力發生了變化，最大允許運行壓力（MAOP）需要重新確定或修改，將高后果區（HCA）中的地區升級管段納入完整性管理方案，迅速對風險評估、泄漏檢測和巡護方案做出調整。油氣管道與地下市政管網布置不合理及缺乏檢測維護而使油氣泄漏進入給排水管涵及電纜溝、電纜井等地下空間，導致爆燃事故，絕非小概率事件，已經成為城市的巨大安全隱患。通常情況下，給水、直埋熱力、電纜等地下埋設管道，周圍沒有容納油氣管道泄漏物的空間，爆燃風險很低；交通地下通道及防空洞等地下空間，發生危險的概率亦相對較小；與油氣管道靠近或交叉且有長距離地下空間的排水管涵、電纜溝、電纜井、熱力管溝等，若油氣管道泄漏，則極易導致嚴重事故，需要重點關注。對城市內油氣管道進行排查、檢測與評估，預防第三方破壞，在地下管涵安裝可燃氣體檢測裝置，制定事故應急預案，是預防此類事故、降低事故危害的主要技術措施，具體包括：建立城市內油氣管道數據庫，將管道詳細分段，取準、取全各種數據，明確油氣管道與市政地下管涵的交錯關系；對油氣管道進行腐蝕、缺陷檢測，包括內外檢測，必要時甚至開挖檢測；對于無法檢測的情況，需要進行專門評估，采用特殊方法，如濟南在全市電纜溝上安裝GPRS在線監測系統，紐約通過大數據分析預測市內電纜溝井蓋被炸飛的概率等，都可以參考借鑒；對排查數據進行統計分析，開展風險評估，進行風險排序，對于高風險管段，制定和實施改造措施。此外，除城市燃氣管道外，新建油氣管道盡量不穿過城市繁華區，可以規劃設計專門的管廊，保持與各種設施的距離，并采取相應的防護措施。

2技術發展與文化建設是基石

根據歐美發達國家的經驗，管道安全管理的成效主要得益于先進的技術。近年來，我國油氣管道事業蓬勃發展，建成了西北、東北、西南三大陸上跨國通道，三縱四橫管道走廊及全國性骨干管網，形成了由油氣輸送、油氣儲存、管道建設、運行維護、材料裝備5部分組成的油氣管道工程技術體系，為國民經濟發展做出重要貢獻，管道技術達到國際先進水平。

2.1管道選材與設計

隨著天然氣市場需求的持續增長，大口徑、高壓力、高鋼級成為長輸天然氣管道發展的必然趨勢。高鋼級管材難以依靠自身韌性止裂，使管道安全面臨嚴峻挑戰，因此，有必要研究高鋼級管線鋼管在各種環境下的開裂行為和止裂控制技術，制定高鋼級管線鋼管止裂器設計的相關準則，開發與高鋼級管線鋼管相適應的止裂器。來源于極限設計理念的基于應變的管道設計方法已經得到廣泛應用，其是一種塑性設計，當重大地質災害發生時，作用于管道的載荷以位移為控制參量。隨著跨國管道的發展和管道規模的不斷擴大，管道途經地區的自然環境、地質條件、地形地貌日漸復雜，比如高寒凍土地區，地震活動頻繁、地震烈度高的地區，地形起伏劇烈地區，需要采用多管并行敷設、站場合建等方案，因而加大了管道的設計建造難度，需要在多年凍土區管道選材、大落差輸油管道工藝、并行管道、站場合建、抗震及地質災害防治、水工保護、隧道及河流穿跨越、石方無細土段管道敷設、管道分段試壓等方面開展創新性設計，確保管道的本質安全。

2.2管道泄漏監測和定位技術

油氣管道泄漏監測和定位手段是多學科、多技術的集成，傳感器、模式識別、遠程通訊、信號識別等技術以及神經網絡、模糊邏輯、專家系統、粗糙集理論等人工智能技術的發展，使泄漏監測定位方法獲得實現。由于油氣管道是非線性時變參數系統，因此，自適應算法的應用成為液體管道泄漏監測的重要研究內容，比如神經網絡自適應學習算法。目前，基于人工神經網絡的泄漏監測法尚處于試驗階段，有許多問題需要解決。此外，單一的泄漏監測方法難以同時滿足泄漏監測靈敏度、定位準確度、報警及時及誤報率低等多項要求，可以將多種泄漏監測方法有機結合，使用虛擬儀器技術，開發不同的測試、分析軟件模塊，構成以計算機為核心的集測試、信號轉換、數據分析、網絡通信為一體的綜合性監測系統，而有效的濾波方法和信號提取、識別、分析技術是其中的重要內容。

2.3管道完整性評估技術

在油氣管道事故致因中，自然環境、管理和本質的不足或不利變化是直接原因，而本質主要指管道自身的工藝、缺陷、腐蝕、疲勞。因此，為了降低管道風險，減少管道事故，需要全面、系統地開展管道完整性評估。在管道系統完整性評估技術方面，業已建立了線路完整性評估技術體系和場站完整性評估技術體系。最近幾年，復雜地區地段管道完整性評估技術亦取得一定進展，線路方面，如并行管道完整性評估技術、地區等級升級管道安全性評估技術、大口徑高鋼級管道氣體爆破試驗完整性評估技術；場站方面，如工藝管路綜合檢測評估技術、閥門磨損與壽命分析技術、壓縮機故障監測與診斷技術。現階段，管道完整性評估技術存在如下問題：完整性評估技術進步滯后于管道資產的發展速度；各類監測技術的選擇與生產實際結合不夠；完整性評估手段不系統，評估技術的應用缺乏審核和監督；站場設備的數據收集和分析不深入，缺乏有效的統計分析手段；設備變更管理缺乏統一規定，GIS系統的建設與管道的實際情況不匹配。為此，在完整性評估技術領域，急需開展以下工作：強化完整性評估技術文件管理，深化信息應用的技術手段，加強數據管理和風險管控，開展完整性評估技術應用效果的審核，夯實完整性評估技術的支撐基礎。完整性管理體系審核是持續提高油氣管道完整性管理水平的重要基礎和有效手段，帥義等依據ASME和API相關標準對管道完整性管理的具體要求，基于策劃-實施-檢查-改進的運行模式原理，以獨立性、簡潔性、系統性為基本原則，建立了油氣管道完整性管理體系審核指標體系，開發了審核評分系統，其使用效果在現場實踐中得到驗證。

2.4管道應急搶險技術

研究油氣管道輸送介質的泄漏特點、建立完善可行的應急搶險機制、研制方便可靠的應急搶險裝備，可以有效提高應對管道突發事故的能力。目前，基本采用數值模擬方法研究油氣管道發生泄漏后泄漏介質的擴散速度和范圍，希望藉此為油氣管道泄漏事故的應急搶險提供指導，但總體而言，理論研究與實際應用存在一定脫節。歐美發達國家應急管理體系相對成熟，主要體現在各級政府機構、油氣管道運營企業、公共安全管理部門及其他相關組織的協調運行管理，應急搶險法律法規及標準體系比較完備，為不同原因、規模、地理位置、復雜程度的事故提供了體系化處理方法，并綜合考慮多種因素進行人員和設備配置。我國應急管理相關法律法規60余部，但一定程度上存在職責不清、分工不明等問題，同時缺少管道基礎信息共享平臺，不利于應急搶險和安全管理。油氣管道內的易燃易爆介質及較高的運行壓力增加了管道風險，也增加了管道維搶修作業的難度。目前比較成熟的管道泄漏維搶修方法有：開孔封堵、管內智能封堵、外卡夾具，復合材料修復技術可用于管道尚未發生泄漏的缺陷管道。此外，近年發展了鑄鐵接縫密封機器人（使用厭氧型密封膠密封接縫）、針孔泄漏修復夾具等新型修復技術，為管道維搶修提供了多樣性選擇。

2.5安全文化建設

在管道設計、施工、生產運行過程中，安全比經濟和高效更重要，必須堅持紅線意識和底線思維。當前，在安全管理五要素（安全文化、安全法制、安全責任、安全投入、安全科技）中，安全文化建設仍然是最薄弱的環節。為杜絕特重大事故，必須高度重視全社會的安全文化建設，提高企業、員工及公眾的安全保護和事故應急意識，提高油氣管道設計的科學性與合理性，確保建設施工質量，確保生產安全，減少事故的發生，降低事故的損失。

3結束語

油氣管道在國家經濟建設中的地位日益凸顯，其對于國家、對于人民的貢獻眾所共知。隨著新《生產安全法》的出臺實施，油氣管道安全管理面臨更高的要求。對于油氣管道安全管理，健全法律法規和標準體系是保障，落實完整性管理是關鍵，技術發展與文化建設是基石。美國在油氣管道安全管理方面的經驗，如建立統一的監管和協調機制，完善法規和標準體系，制定系統的檢驗和修復計劃，加大管道安全投入，開展管道安全基礎研究等，值得我國借鑒參考。

作者：關中原 高輝 賈秋菊 單位：中國石油管道科技研究中心中國石油天然氣集團公司油氣儲運重點實驗室 中國石油集團東南亞管道有限公司 中國石油管道公司第一項目部