劉志剛 王禹欽 王學(xué)力

中國石油天然氣股份有限公司管道分公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

從中國管道行業(yè)發(fā)展前景看,今后10～15年,油氣管道將迎來新一輪的建設(shè)高峰,預(yù)計(jì)到2030年中國管道總里程將達(dá)到25×104～30×104km,油氣管道行業(yè)仍處于發(fā)展的黃金時(shí)期。油氣管道安全高效運(yùn)行，不但關(guān)系著企業(yè)自身的發(fā)展,也關(guān)系著國家發(fā)展能源供應(yīng)的安全,在國際油價(jià)低位徘徊和國民經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期,油氣管道運(yùn)行維護(hù)與安全管理相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和提升,是實(shí)現(xiàn)管道安全高效運(yùn)行的重要保障[1]。

中國管道管理存在多部門主管,多層次參與,部分職責(zé)不清、重疊等問題。雖然在《安全生產(chǎn)法》《石油天然氣管道保護(hù)法》等法律法規(guī)中要求對油氣管道進(jìn)行預(yù)防式管理,但未明確規(guī)定各管道必須開展完整性管理,與國外相比存在差距。近年來,發(fā)生的多次管道事故,暴露出中國在安全管理、應(yīng)急響應(yīng)和監(jiān)管體制等方面存在不足。而歐美發(fā)達(dá)國家管道公司在政府監(jiān)管方面法規(guī)明確,配套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較完備[2]。本文對國際上的油氣管道運(yùn)行維護(hù)與安全管理技術(shù)研究新進(jìn)展進(jìn)行了綜述,以期對提高中國管道本質(zhì)安全管理水平,預(yù)防事故的發(fā)生,提供借鑒。

1 管道安全管理體系

1.1 完整性管理程序的實(shí)踐與改進(jìn)

導(dǎo)致油氣管道失效的根本原因是管理制度和相關(guān)流程的缺失或執(zhí)行不到位。完整性管理程序(IMP)建立了在一定架構(gòu)范圍內(nèi)評價(jià)和減緩風(fēng)險(xiǎn)的流程,以求確保管道系統(tǒng)資產(chǎn)的長久完整性。合理地執(zhí)行IMP,能夠減少突發(fā)事件發(fā)生的概率。

歐美發(fā)達(dá)國家每年或當(dāng)事故發(fā)生時(shí),運(yùn)營商需向各種監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交運(yùn)營、維護(hù)和資產(chǎn)的數(shù)據(jù)。Explorer管道公司和DNV GL集團(tuán)共同研發(fā)了IMP的實(shí)用績效指標(biāo)[3],支持計(jì)算維修項(xiàng)目的成本效益率/投資回報(bào)率,洞悉未來的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。加拿大能源管道協(xié)會(CEPA)制訂了完整性一體化?[4]行業(yè)規(guī)程,融合了北美重要規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)中的需求,聚焦安全、環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)學(xué),加強(qiáng)整個(gè)管道行業(yè)效能、合作和交流?；谟?jì)劃、實(shí)施、檢查、改進(jìn)(PDCA)循環(huán)的方法，被Nidd P等人[5]用于檢驗(yàn)管道IMP的健康程度,以促進(jìn)企業(yè)管理達(dá)到最佳實(shí)踐。Sporns R等人[6]基于Enbridge公司多年實(shí)施IMP所獲得的深刻見解,也建立了一套完備和有效的保障管理程序(AMP)和相關(guān)流程,以促進(jìn)完整性管理體系循環(huán)持續(xù)改進(jìn)。Hodgson J O等人[7]基于Penspen公司過去16年為國際管道運(yùn)營商開展的30多次管道完整性管理體系審核基礎(chǔ),歸納出從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營維護(hù)等管道全壽命周期最佳實(shí)踐做法的一系列推薦性建議。美國交通部管道和危險(xiǎn)材料安全管理局(US DoT PHMSA)組織開展了管道施工行為中質(zhì)量管理體系的改進(jìn)[8],是按照PDCA的方式實(shí)施。CSA Z662附錄N是加拿大管道運(yùn)營商實(shí)施和執(zhí)行IMP的行業(yè)強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),Waheed B等人[9]在IMP執(zhí)行5年后對其進(jìn)行了合規(guī)保障評價(jià),并針對性地提出下個(gè)5年改進(jìn)建議。2006年阿拉斯加州北坡油田管道發(fā)生泄漏后,當(dāng)?shù)刂菡闪⒘耸拖到y(tǒng)完整性辦公室(PSIO),負(fù)責(zé)石油和天然氣資源相關(guān)的設(shè)施、設(shè)備維護(hù)的監(jiān)管,Norton D等人[10]對PSIO 10年間的監(jiān)督管理作用進(jìn)行了評價(jià),提出了未來政策、制度和監(jiān)管方法的改進(jìn)建議。Lutz A R等人[11]建立了一種更新和改進(jìn)IMP作業(yè)文件的實(shí)用方法,根據(jù)差距分析改進(jìn)了現(xiàn)有工作,解決舊文件中交叉矛盾的做法,最后修(制)訂IMP作業(yè)文件。

1.2 應(yīng)急響應(yīng)與失效分析

在役管道的狀態(tài)一般通過內(nèi)、外檢測的方式進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道健康惡化時(shí),檢測會按計(jì)劃中斷。與時(shí)間有關(guān)的威脅如未能及早發(fā)現(xiàn),或隨機(jī)事故的發(fā)生如第三方破壞,可能會導(dǎo)致管道失效,此時(shí)就需要開展應(yīng)急修復(fù)。Alani A等人[12]開發(fā)了基于風(fēng)險(xiǎn)策略的陸上和海底管道應(yīng)急修復(fù)系統(tǒng),按照失效后果的嚴(yán)重性進(jìn)行排序,并優(yōu)化修復(fù)策略。Zhang S等人[13]開發(fā)出突發(fā)事件全系統(tǒng)響應(yīng)規(guī)程,完善了IMP的威脅識別和全范圍的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

開發(fā)管道安全管理系統(tǒng)時(shí),應(yīng)首先思考哪些因素與過去發(fā)生的事故及未遂事故的根本原因相關(guān)。Weichel M[14]采用已有的管理體系標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嵺`做法中的要素,分解、歸類每個(gè)事故原因,并結(jié)合各種工藝和流程開展差距分析,確定開發(fā)和實(shí)施安全管理系統(tǒng)時(shí)要素的優(yōu)先級。玻璃鋼管是加拿大石油和天然氣行業(yè)第二大常用管,該類材料的失效率遠(yuǎn)高于鋼管的失效率,整個(gè)行業(yè)仍處在學(xué)習(xí)研究該類材料如何失效的階段,Gareau F等人[15]分析了玻璃鋼管失效的原因,建立了其失效順序。

1.3 管道安全文化的發(fā)展

近年來,管道行業(yè)對安全文化這個(gè)概念的興趣不斷增長。安全文化由公司的屬性和價(jià)值觀以及公司員工的認(rèn)知和價(jià)值觀組成,改善機(jī)構(gòu)的安全文化能夠減少意外事件發(fā)生的頻次。Maddin K等人[16]開展了適應(yīng)管道行業(yè)的安全文化評價(jià),以幫助機(jī)構(gòu)在所有業(yè)務(wù)層面改善安全文化,提高人身和過程的安全績效。Harron L等人[17]制訂了加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會過渡文稿(CSA EXP248):管道人為因素,通過管理與人為因素相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn),來改進(jìn)管道安全性能。

1.4 其他行業(yè)借鑒的方法

在管道安全管理領(lǐng)域,借鑒過許多其他行業(yè)的方法,如原本應(yīng)用于飛機(jī)艦隊(duì)維護(hù)的整體壽命結(jié)構(gòu)完整性方法等。Munro J等人[18]研究了那些因?yàn)闉?zāi)難性事件而做出過重要變革的行業(yè),認(rèn)為管道行業(yè)必須聯(lián)合協(xié)作,用統(tǒng)一的方式才能更有效解決行業(yè)安全問題。Pettitt G等人[19]將領(lǐng)結(jié)法引入管道設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和報(bào)廢處置等階段和重大事故危險(xiǎn)源識別。Oliphant K等人[20]通過冪次定律分析美國歷年管道事故,建立了事故規(guī)模和發(fā)生頻率之間對應(yīng)關(guān)系,對于一個(gè)給定量級的事故,能投射出其發(fā)生的可能性或預(yù)期頻率。

2 管道運(yùn)行和維護(hù)

2.1 管道隔離

常規(guī)的管道維護(hù)和改造工作需要去除管道內(nèi)的有機(jī)化合物,管道必須減壓(放空)或暫時(shí)隔離。減壓(放空)影響生產(chǎn),代價(jià)高昂,替代方法是將需要維修或維護(hù)的管段隔離開來,后者允許管道繼續(xù)運(yùn)營。隔離的方法,包括動(dòng)火(如帶壓開孔和封堵)和非動(dòng)火(在線隔離封堵)。與使用傳統(tǒng)的前后插入兩個(gè)單獨(dú)的封堵頭結(jié)構(gòu)相比,雙封堵和導(dǎo)流技術(shù)能使密封良好，充分保障泄漏管理,及時(shí)完成不間斷輸氣,且大大降低項(xiàng)目成本。Whiteis K等人[21]提出了雙重屏障隔離的概念,以及如何利用動(dòng)火和非動(dòng)火的方法來提供滿足公認(rèn)需求的雙重屏障隔離,還介紹了當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)隔離不能實(shí)現(xiàn)的情況下可以使用的方法。Iyengar S K等人[22]使用雙封堵和導(dǎo)流動(dòng)火隔離技術(shù),對暴露的海底管道進(jìn)行改線,在保證不停輸?shù)那闆r下,確保附近休閑海灘的安全。Bolger N等人[23]在時(shí)間緊、施工空間受限的情況下,成功采用雙封堵和導(dǎo)流技術(shù)對1條36″(1″=25.4 mm)高壓輸氣管線進(jìn)行隔離,以連接清管發(fā)射器和接收器。

2.2 管道修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)

過去的20年里,管道行業(yè)開展了大量關(guān)于使用復(fù)合材料來修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)管道的研究。通過使用復(fù)合修復(fù)系統(tǒng),通常能夠恢復(fù)受損管道(包括腐蝕和機(jī)械損傷)的結(jié)構(gòu)完整性,使其達(dá)到甚至超過原始未受損管道時(shí)的水平。當(dāng)前,復(fù)合修復(fù)系統(tǒng)在高溫和惡劣的環(huán)境條件下,強(qiáng)度、耐用性和有效性研究及改進(jìn)仍是熱點(diǎn)。Sheets C等人[24]證明了碳基和無堿玻璃纖維等復(fù)合修復(fù)材料高溫補(bǔ)強(qiáng)的可行性。Alexander C等人[25]驗(yàn)證了承受極限彎曲和內(nèi)壓載荷的大直徑彎頭,使用無堿玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)的有效性。Alexander C等人[26]提出了不同補(bǔ)強(qiáng)系統(tǒng)的評估方法,發(fā)現(xiàn)平衡套筒設(shè)計(jì)能夠提供類似于B型套筒的補(bǔ)強(qiáng);對鋼制套筒有競爭性的填充材料進(jìn)行性能評估,發(fā)現(xiàn)水泥灌漿略優(yōu)于環(huán)氧樹脂灌漿,而后者是當(dāng)前行業(yè)首選的填充材料。

2.3 管道放空

高程變化的影響和中間放空立管的位置決定放空的最優(yōu)策略,以最大速度清除目標(biāo)管段,同時(shí)保持管內(nèi)平均流速高于最低清除速度以防止惰性氣體和天然氣分層。Botros K K等人[28]研究了管道高程變化對輸氣管道最優(yōu)放空程序的影響,發(fā)現(xiàn)“平”型或“尖”型的高程剖面,有利于在中間放空立管的位置使用一個(gè)排氣裝置開展隨后的放空程序;在“V型”高程剖面的情況下,同時(shí)排放的放空程序是在指定時(shí)間內(nèi)更好地選擇,代價(jià)是需要使用兩套排氣裝置放在相距很遠(yuǎn)的地點(diǎn)。惰性氣體進(jìn)入位置取決于放空策略和高程剖面。

天然氣進(jìn)入管道時(shí),在接收點(diǎn)需要依據(jù)氣體質(zhì)量規(guī)范進(jìn)行檢測,以確保下游支線和干線運(yùn)行不受影響。偶爾,天然氣加工廠遇到操作不當(dāng),會產(chǎn)生一個(gè)較高的烴露點(diǎn)。理想情況下,當(dāng)探測到烴露點(diǎn)擾動(dòng),且天然氣生產(chǎn)已經(jīng)停止時(shí),可以對支線進(jìn)行清管以去除凝合碳?xì)浠衔?。如果支線無法進(jìn)行清管,去除液態(tài)烴的唯一方法則是蒸發(fā)進(jìn)入干燥氣體流中。Hartloper C等人[29]基于GERG-2008狀態(tài)方程和持液量經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行建模分析,分析氣體成分、支管高程剖面、地面溫度等流動(dòng)參數(shù)對擾動(dòng)嚴(yán)重程度的影響,探討了在不同情況下,采用持續(xù)輸出干燥氣體的前向流方法,以及將干燥氣體從干線通過支管往回向生產(chǎn)商輸送的牽引返回流方法,哪種方法更適合的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 廢棄管道處置

當(dāng)管道處于壽命末期需要被永久停用時(shí),就該考慮管道廢棄處置了。北美的法規(guī)認(rèn)可將管道設(shè)施廢棄在原來位置作為退役的一種方式,并推薦因地制宜評估擬采用的廢棄處置方法。當(dāng)管道被廢棄時(shí),通常需要對管道進(jìn)行沖洗、標(biāo)記,并將所有的腐蝕保護(hù)和監(jiān)測系統(tǒng)移除。棄置管道的主要危險(xiǎn)，包括鋼管的長期腐蝕退化,管道內(nèi)可能積水,對環(huán)境可能的影響,以及可能產(chǎn)生的管道坍塌和土壤沉降。保護(hù)廢棄管道常見的工業(yè)方法有泡沫充填或注漿,充填過的廢棄管道可以防止因管道腐蝕導(dǎo)致的地面不穩(wěn)定和沉降;創(chuàng)建栓塞或切割/封蓋廢棄管道可以防止成為水管道。Finneran S等人[30]研究了廢棄管道長期結(jié)構(gòu)完整性,提出一種估算正在經(jīng)歷長期腐蝕退化的管道剩余強(qiáng)度計(jì)算方法,并計(jì)算了其載荷承受能力。Longo S等人[31]開展了注膏技術(shù)在廢棄管道回填中的應(yīng)用研究,其優(yōu)勢超過目前的泡沫和注漿填充。

2.5 管道泄漏檢測

管道泄漏是石油和天然氣行業(yè)的一個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn),威脅企業(yè)財(cái)務(wù)狀態(tài),破壞環(huán)境,引發(fā)公眾關(guān)注。為了減少管道泄漏的影響,需要快速檢測泄漏和快速響應(yīng)。目前用于檢測管道泄漏的系統(tǒng)從簡單的視覺檢查到復(fù)雜的硬件和軟件系統(tǒng)均有，如質(zhì)量平衡、壓力點(diǎn)分析、流量偏差、聲發(fā)射系統(tǒng)和基于光纖的傳感技術(shù)，但各有局限性。

傳統(tǒng)基于模型的泄漏檢測系統(tǒng),誤報(bào)率較高。Dawson C等人[36]基于電磁傳感技術(shù)進(jìn)行泄漏檢測,傳感器具有很強(qiáng)的檢測油品能力,電磁傳感技術(shù)進(jìn)行泄漏檢測的方法簡單、風(fēng)險(xiǎn)低，具備成本效益,有助于防止假的泄漏報(bào)警。Blasi M D等人[37]基于機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識別技術(shù),應(yīng)用于SCADA數(shù)據(jù),對管道進(jìn)行破裂檢測。Vejahati F等人[38]研究了封閉管道的泄漏檢測,提出采用模式識別算法自動(dòng)監(jiān)測壓力降,并在壓力梯度模式與泄漏特征相匹配時(shí)產(chǎn)生報(bào)警。

基于入口、出口的流量和壓力測量的體積流量平衡統(tǒng)計(jì)技術(shù),能夠?qū)π孤┻M(jìn)行檢測和定位。Zhang J等人[39]研究了海底管道泄漏檢測與運(yùn)行管理,采用實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型計(jì)算管道沿線的流量、壓力、溫度、密度以及其他流體屬性，操作者不使用測量的流量和壓力,而是依靠計(jì)算值來進(jìn)行操作決策。Hung D等人[40]研發(fā)了一種用水力學(xué)仿真系統(tǒng)對烴液管道泄漏監(jiān)測計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度測試的新方法,并驗(yàn)證了該方法應(yīng)用的可行性。

2.6 地質(zhì)災(zāi)害管理

地質(zhì)災(zāi)害在管道的背景下,被定義為能危害管道或相關(guān)環(huán)境的地質(zhì)、巖土、水文、構(gòu)造成因等自然現(xiàn)象。當(dāng)考慮管道工程地質(zhì)災(zāi)害時(shí),綜合全面地描述所有可能影響管道的地質(zhì)災(zāi)害特性很重要,不僅在工程施工階段,而是貫穿整個(gè)管道的設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命,包括詳細(xì)了解當(dāng)?shù)氐乇淼牡刭|(zhì)和巖土工程條件,提高地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)與管道系統(tǒng)的減災(zāi)設(shè)計(jì)。

作為滑坡災(zāi)害管理程序的一部分,管道行業(yè)50多年來一直使用振弦式(VW)應(yīng)變計(jì)。Dewar D等人[41]在20年對活躍但緩慢移動(dòng)滑坡的管理經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出了使用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測慢移動(dòng)山體滑坡管道的技術(shù)和操作指南,提供了最好的定位應(yīng)變計(jì)技術(shù),包括可視化/現(xiàn)場地質(zhì)技術(shù)評價(jià),地質(zhì)技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)和智能清管技術(shù)(測徑、中心線檢測和軸向應(yīng)變技術(shù))；還討論了振弦式(VW)應(yīng)變計(jì)的局限性、可靠性和替代品。Henschel M D等人[42]利用一種行之有效的遙感技術(shù)InSAR,從雷達(dá)衛(wèi)星圖像中提取毫米級精度地面變形估算,監(jiān)測天然氣配氣管網(wǎng)途經(jīng)的地面滑塌。阿爾伯塔北部一個(gè)古老的1×108m3深部滑坡被觸發(fā)復(fù)活,Barlow J P等人[43]采取了一系列目標(biāo)地表和地下水控制措施,降低了大約100倍的移動(dòng)速度，這表明在該地區(qū)滑坡對微小變化的敏感性是一個(gè)負(fù)面因素,但在穩(wěn)定滑坡方面也可以成為一個(gè)積極因素。

地質(zhì)災(zāi)害管理程序的一個(gè)重要組成部分是洪水的實(shí)時(shí)監(jiān)測,識別出管道與河道交叉處受水災(zāi)影響的位置并監(jiān)測洪水水位。對管道有可能在洪水事件中暴露、懸空,以及在洪水事件中可能發(fā)生失效的水道交叉點(diǎn)進(jìn)行更詳細(xì)的研究。Enbridge管道公司對洪水進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測與管理,提出可以識別出易發(fā)生管道暴露的河流穿越段的方法[44],以及產(chǎn)生自由懸空管段的可能性,這是美國首次基于實(shí)時(shí)流量和閾值的估算結(jié)果而關(guān)停管道。Roberge L等人[45]提出了一種利用過去河岸侵蝕行為作為未來管道受侵蝕情況預(yù)測的方法,提供河岸侵蝕率和發(fā)生洪水的稀缺性之間的相關(guān)性。

3 結(jié)論

當(dāng)前,安全環(huán)保仍然是油氣管道行業(yè)面臨的顛覆性重大風(fēng)險(xiǎn)。管道始終面臨管體缺陷、建設(shè)質(zhì)量、打孔盜油、第三方施工損壞、地質(zhì)災(zāi)害、恐怖襲擊等多重威脅,目前工程遺留問題很多,環(huán)焊縫質(zhì)量缺陷等風(fēng)險(xiǎn)隱患尚未徹底根治。近年來,中國從中央、有關(guān)部委到中國石油天然氣集團(tuán)公司,各個(gè)層面抓安全環(huán)保工作的態(tài)度和決心十分堅(jiān)定。2016年10月,國家發(fā)改委、國家能源局、國資委、質(zhì)檢總局和安監(jiān)總局等5部委聯(lián)合發(fā)文,要求管道企業(yè)按照GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》,全面推行油氣管道完整性管理。2017年12月,國家安監(jiān)總局等8部門下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)油氣輸送管道途經(jīng)人員密集場所高后果區(qū)安全管理工作的通知》,再次表明了加強(qiáng)高后果區(qū)管道管理的重要性、緊迫性。隨著新《安全生產(chǎn)法》的出臺實(shí)施,油氣管道安全管理面臨更高的要求。未來,建議中國學(xué)習(xí)歐美管道企業(yè)安全管理的先進(jìn)做法,進(jìn)一步完備和明確油氣管道監(jiān)管體制、責(zé)任;將管道完整性管理納入《石油天然氣管道保護(hù)法》,健全相關(guān)法律法規(guī);建立國家管網(wǎng)應(yīng)急體系和信息平臺,完善管道失效分析和事故調(diào)查程序;建立企業(yè)安全管理文化,引入安全管理評級機(jī)制,全面提升國家能源管網(wǎng)的安全管理水平。