基于肯特的高原地區(qū)管道安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)

龐 旭，朱 平，李 洋

（1. 云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，云南 昆明 650000；2. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；3. 云南省礦物管道輸送工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500）

0 引言

管道安全評(píng)價(jià)是指識(shí)別影響管道安全運(yùn)行的危險(xiǎn)因素，量化風(fēng)險(xiǎn)因素并估計(jì)管道事故發(fā)生的可能性大小，通過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)管道安全程度并提出改進(jìn)建議和維護(hù)措施。管道安全評(píng)價(jià)是管道公司對(duì)管道進(jìn)行完整性管理的重要部分，是維護(hù)人員全面了解管道運(yùn)行狀況的重要手段[1]。對(duì)結(jié)果的量化程度不同，會(huì)得到不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，管道安全評(píng)價(jià)方法通?？梢苑殖扇?lèi)：定性方法、半定量方法和定量方法[2-3]。美國(guó)在管道安全評(píng)價(jià)技術(shù)的應(yīng)用與研究工作起步較早，從70年代開(kāi)始就已經(jīng)把安全評(píng)價(jià)技術(shù)應(yīng)用在許多管線的安全管理工作上，用來(lái)評(píng)價(jià)管道的使用情況和指導(dǎo)維護(hù)管道，多年的實(shí)踐表明，這項(xiàng)技術(shù)能有效監(jiān)控管道運(yùn)行安全運(yùn)行，通過(guò)監(jiān)控所得數(shù)據(jù)及時(shí)對(duì)管道進(jìn)行維護(hù)，可以有效減少管道事故的發(fā)生[4]。2015年中國(guó)油氣管道長(zhǎng)度達(dá) 10.87萬(wàn)公里，但其中大多數(shù)自動(dòng)化水平較低，缺少有效的監(jiān)管和維護(hù)，安全事故隱患較大[5]，為了避免安全事故的發(fā)生，必須積極對(duì)管道進(jìn)行科學(xué)的監(jiān)管措施，開(kāi)展管道的安全評(píng)價(jià)工作[6]。

我國(guó)管道安全評(píng)價(jià)技術(shù)較晚，1995年我國(guó)引入管道安全評(píng)價(jià)技術(shù)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展研究，形成了一套適合我國(guó)地情地貌的安全評(píng)價(jià)方法[7]。但我國(guó)幅員遼闊，由于地形、土地酸堿性、海拔、凍土等因素，安全評(píng)價(jià)模型不能完全滿(mǎn)足各地的需要，需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)各地不同的環(huán)境條件。本文針對(duì)我多高原地區(qū)進(jìn)行了環(huán)境調(diào)查，結(jié)合肯特評(píng)分法，對(duì)云南某管線進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)并給出了維護(hù)意見(jiàn)。

1 肯特法評(píng)價(jià)模型

1.1 肯特法基本原理

肯特法經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐驗(yàn)證，是一項(xiàng)成熟的管道安全管理方法?？咸胤▽⒐艿腊凑展芫€情況對(duì)管道進(jìn)行分段，按照評(píng)分項(xiàng)逐項(xiàng)對(duì)管道進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，各項(xiàng)的得分總和除以泄露影響系數(shù)，求得相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估值?？咸匕l(fā)的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：第三方損害、腐蝕指數(shù)、設(shè)計(jì)指數(shù)、誤操作，各因素下還包括細(xì)化子因素，對(duì)各因素逐項(xiàng)評(píng)分，累加得到管道風(fēng)險(xiǎn)因素的指數(shù)和，再將指數(shù)和除以待評(píng)估管道的泄漏影響系數(shù)，得數(shù)即是該管道的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值反映的是該管道出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)程度，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值越大，則管道出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)程度越低，反之，風(fēng)險(xiǎn)程度越高[5]。其安全評(píng)價(jià)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 肯特管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程Fig.1 Kent method risk assessment basic model

1.2 肯特法的基本原則

（1）由于實(shí)際應(yīng)用中各種因素之間不是互相獨(dú)立的，而是相互影響，最終形成了運(yùn)行管道所在的環(huán)境，這種各因素之間互相影響的結(jié)果是不利于進(jìn)行管道評(píng)價(jià)、打分的，所以肯特法對(duì)各因素相關(guān)性進(jìn)行獨(dú)立性假設(shè)，假設(shè)各種風(fēng)險(xiǎn)因素是不相關(guān)的，即每個(gè)因素獨(dú)立地對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生影響，集合各種因素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值即可得到總風(fēng)險(xiǎn)。

（2）為了盡早預(yù)知管道故障，對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，要考慮風(fēng)險(xiǎn)因素導(dǎo)致的最壞狀況。所以，肯特法進(jìn)行最壞狀況假設(shè)，例如對(duì)一條管道進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí), 該條管道的總長(zhǎng)為100 km，其中有90 km埋深為1.2 m，另10 km埋深為0.8 m，則埋深應(yīng)按0.8 m考慮。

（3）絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)是無(wú)法計(jì)算的，所以肯特法引入了相對(duì)性假設(shè)，相對(duì)性假設(shè)是一個(gè)相對(duì)的概念，例如，同時(shí)評(píng)價(jià)多條管道時(shí)，其中一條管道比其余幾條管道的評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)數(shù)高，這表明其安全性高于其他幾條管道。

（4）結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行主觀性假設(shè)，主觀性假設(shè)評(píng)分的方法及分?jǐn)?shù)的界定雖然有一定的科學(xué)依據(jù)，但最終還是人為確定的，主觀性不可避免[8-9]。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 第三方破壞指標(biāo)

第三方破壞指標(biāo)在管道的安全評(píng)估中占有重要比重，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，約 20%～40%的管道失效時(shí)間是由于第三方破壞。第三方破壞包括：早期的刮擦事件對(duì)防腐層造成損壞，導(dǎo)致管道外腐蝕，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕，外壁厚度不斷被削減，最終造成管道的穿孔破壞，給管道未來(lái)的運(yùn)行安全帶來(lái)隱患；若刮擦事件較為嚴(yán)重，損傷了管體金屬，會(huì)導(dǎo)致管體應(yīng)力集中在局部管壁，最終造成管道疲勞失效；如果上述管道疲勞與管道腐蝕兩者一起發(fā)生在管線上，則會(huì)增加管道的失效可能性。第三方破壞指數(shù)的子因素主要包括：管道的最小埋深指數(shù) TI1；居民活動(dòng)水平指數(shù) TI2；地上管道保護(hù)設(shè)施狀況指數(shù)TI3；公眾教育狀況指數(shù)TI4；管線標(biāo)志狀況指數(shù)TI5；巡線頻率指數(shù)TI6；即：

TI = TI1+TI2+TI3+TI4+TI5+TI6

2.2 腐蝕指標(biāo)

腐蝕導(dǎo)致的管道失效事件與內(nèi)部輸送介質(zhì)的腐蝕性、防腐層的類(lèi)型、施工質(zhì)量、投產(chǎn)時(shí)間、陰保狀況及管線周?chē)欠翊嬖陔s散電流影響等因素有關(guān)。為了確定哪種因素造成了管道腐蝕和不同因素對(duì)腐蝕影響程度，應(yīng)全面考慮建造管道的材料和管線周邊環(huán)境因素。環(huán)境因素包括與管壁接觸的內(nèi)、外部環(huán)境，需根據(jù)腐蝕因素和腐蝕程度針對(duì)性地采取管道防腐措施。對(duì)于埋地管道，腐蝕主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，即內(nèi)腐蝕 CI1和外腐蝕 CI2，外腐蝕包括大氣腐蝕、埋地金屬腐蝕，即：

CI = CI1+CI2

2.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)

在管網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，資料不全、經(jīng)驗(yàn)不足、方案失誤、監(jiān)督缺失等因素都可能影響管道的運(yùn)行安全問(wèn)題。土體移動(dòng)也是導(dǎo)致管道失效的重要因素，地層移動(dòng)或者各種巖土移動(dòng)事件必然會(huì)對(duì)埋地管道產(chǎn)生影響，土體移動(dòng)指標(biāo)主要包括：潛在滑坡、沉陷、沖蝕、地層移動(dòng)、土壤侵蝕及其它自然災(zāi)害。管道設(shè)計(jì)指數(shù)DI包括：管道鋼管安全指數(shù)DI1；系統(tǒng)安全指數(shù)DI2；管道疲勞指數(shù)DI3；水擊指數(shù)DI4；水壓試驗(yàn)指數(shù)DI5；土壤移動(dòng)指數(shù)DI6等，即：

DI = DI1+DI2+DI3+DI4+DI5+DI6

2.4 誤操作指標(biāo)

誤操作指標(biāo)指的是相關(guān)人員錯(cuò)誤操作導(dǎo)致管道失效的可能性。基于最壞情況假設(shè)，誤操作指標(biāo)的一個(gè)重要假設(shè)是：在管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及維護(hù)過(guò)程中，任何一個(gè)小的操作失誤都會(huì)給管網(wǎng)系統(tǒng)留下隱患。基于以上假設(shè)，需在管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)中的每個(gè)流程中進(jìn)行排查，查找其中人為操作過(guò)程中可能出現(xiàn)的操作失誤。在管道整個(gè)生命周期中，一個(gè)小的差錯(cuò)可能在數(shù)年內(nèi)都不會(huì)表現(xiàn)出明顯的故障跡象，但量變引起質(zhì)變，最終管道突然失效，導(dǎo)致事故發(fā)生。所以，要管道的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)不是彼此獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)的，識(shí)別出其中可能的干預(yù)點(diǎn)，并對(duì)管道進(jìn)行針對(duì)性的巡查和檢測(cè)。

2.5 管道泄漏影響指標(biāo)

管道泄漏影響指標(biāo)預(yù)測(cè)了管道失效后產(chǎn)生的后果，如爆炸、火災(zāi)、毒物泄漏等，即管道出現(xiàn)以上狀況時(shí)可能引起的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染及企業(yè)信譽(yù)損失等后果的嚴(yán)重程度。

3 實(shí)例分析

3.1 管線概況

云南省某管線于2010年12月建成，設(shè)計(jì)里程1720 m，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，管徑559 mm，材質(zhì)為L(zhǎng)360無(wú)縫鋼管，采用石油瀝青防腐層，管壁厚度為6.3 mm。管線所在地區(qū)為低山區(qū)地貌，氣候?qū)儆谙募静粺幔炅慷?，低溫危害?yán)重。存在260 m高后果區(qū)。

3.2 管段劃分

管段地貌可分為山坡、旱地、河灘、穿越、水田，其中山坡一段，里程 500 m，兩段旱地，里程1220 m，按照GB50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》地區(qū)等級(jí)劃分原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查，劃分地區(qū)等級(jí)，其中2類(lèi)地區(qū)兩段，里程1500 m，3類(lèi)地區(qū)1段，里程220 m。按照人口密度、土壤腐蝕變化、覆蓋層狀況、發(fā)生換管的新管段、介質(zhì)明顯變化、外腐蝕嚴(yán)重管段、地面裝置如閥室、戰(zhàn)場(chǎng)等、進(jìn)分氣點(diǎn)等因素劃分管段[11]。共分為3段，分別為管段1、管段2、管段3。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果及維護(hù)建議

（1）沿線調(diào)查的第三方破壞源有：違章建筑等，管道按50 m左右一個(gè)進(jìn)行埋深測(cè)試，管線全線埋深0.75 m至2.88 m，其中埋深小于0.8 m的管道均位于老橋上管段，采取人工修砌管路的方式敷設(shè)管道；管線共有里程樁、警示牌等管道標(biāo)識(shí)27處，均完好且埋設(shè)準(zhǔn)確，能夠清晰反映管線位置及走向；管線中心線兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)建（構(gòu)）筑物2處；管道有6處穿（跨）越公路、鐵路，地面活動(dòng)較多。

（2）腐蝕因素考慮大氣腐蝕、內(nèi)腐蝕、埋地腐蝕，管道輸送介質(zhì)為天然氣，其中含硫化氫、二氧化碳和游離水，對(duì)管道有弱腐蝕性，通過(guò)管道壁厚檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)管道明顯減薄跡象，管道內(nèi)腐蝕并不嚴(yán)重。埋地腐蝕性檢測(cè)包括土壤腐蝕性檢測(cè)及雜散電流測(cè)試[12]。其中土壤腐蝕性檢測(cè)通過(guò)土壤現(xiàn)場(chǎng)采集，實(shí)驗(yàn)室分析來(lái)測(cè)定，雜散電通過(guò)智能記錄儀連續(xù)測(cè)試并記錄管道電位。結(jié)果顯示管道外部土壤質(zhì)地為沙土，土壤腐蝕性為中、較弱兩種性質(zhì)；土壤電阻率均小于 50Ω·m，管道自然腐蝕電位均大于550（-mV）。另外，管線采用外加電流強(qiáng)制陰極保護(hù)措施，沿線設(shè)有陰極保護(hù)測(cè)試樁3個(gè)，恒電位儀設(shè)置保護(hù)電位：-1200 mV。由于受到雜散電流的干擾，其輸出電壓和輸出電流存在波動(dòng)，未能驗(yàn)證陰極保護(hù)的有效性。所以土壤腐蝕性較弱，但雜散電流影響較強(qiáng)。管道全線采用3PE防腐和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，管道外防腐層完好，但由于該管線受雜散電流干擾，未能驗(yàn)證其陰極保護(hù)的有效性，管段2、管段3的腐蝕失效可能性較高。

（3）本次評(píng)價(jià)收集管線的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、竣工等資料，對(duì)設(shè)計(jì)中管道的參數(shù)和規(guī)范性進(jìn)行了評(píng)分，對(duì)施工環(huán)節(jié)的焊口檢測(cè)、連接質(zhì)量、補(bǔ)口和回填質(zhì)量等因素進(jìn)行了評(píng)分。

（4）管道的日常維護(hù)是其安全運(yùn)行的前提條件，業(yè)主單位制定了各項(xiàng)管道操作、保養(yǎng)、管理規(guī)程，保障日常的維護(hù)和保養(yǎng)工作。其次制定了管道的年度檢驗(yàn)計(jì)劃，檢測(cè)管道的內(nèi)外腐蝕；安排職工培訓(xùn)管道相關(guān)業(yè)務(wù)技能，避免誤操作。管線監(jiān)控閥室的超壓保護(hù)裝置由計(jì)算機(jī)控制，管理方面，建立了違章建筑、高后果識(shí)別區(qū)、安全隱患整治臺(tái)賬，巡線頻率為1次/周。

（5）管內(nèi)輸送介質(zhì)危害性和擴(kuò)散系數(shù)構(gòu)成了泄漏影響系數(shù)，體現(xiàn)了管道事項(xiàng)后果指標(biāo)，泄漏影響系數(shù)通過(guò)考察管輸介質(zhì)的當(dāng)時(shí)危害性、長(zhǎng)期危害性、泄漏量、人口密度的情況來(lái)確定。結(jié)合實(shí)際情況，得到管道的泄漏影響指數(shù)。

表1 評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.1 Evaluation results

由表1可知管段3存在較高風(fēng)險(xiǎn)管段1、管段2為中等風(fēng)險(xiǎn)，建議防止第三方破壞，如加強(qiáng)日常管道巡查和地面保護(hù)設(shè)施，采取雜散電流的排流及保護(hù)措施等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文為了解決高原地區(qū)安全評(píng)估問(wèn)題，詳細(xì)調(diào)查、分析了工程地區(qū)的地理環(huán)境，采取檢測(cè)工具對(duì)管線進(jìn)行檢測(cè)，得到管線評(píng)估參數(shù)，結(jié)合肯特方法，進(jìn)行了實(shí)例分析，并得到評(píng)估結(jié)果。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示管段3風(fēng)險(xiǎn)較高，管線的風(fēng)險(xiǎn)主導(dǎo)因素為腐蝕。其中，第三方破壞主要來(lái)源于違章建筑；外防腐層完好，由于陰極保護(hù)裝置受雜散電流干擾波動(dòng)較大，不能有效判斷陰極保護(hù)有效性；全線設(shè)計(jì)均是按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，施工均進(jìn)行了監(jiān)督驗(yàn)收；輸氣管理處制定了各項(xiàng)管道操作、保養(yǎng)、管理規(guī)程。

[1] 李健, 陳世利, 黃新敬, 等. 長(zhǎng)輸油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)與準(zhǔn)實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)綜述[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2016, 37(8): 1747-1760.

[2] 王艷平, 曹樹(shù)剛, 劉洪, 等. 油氣長(zhǎng)輸管道綜合評(píng)價(jià)模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2013, 36(11):121-126.

[3] 馮斌, 李大全, 廖國(guó)威. 改進(jìn)的油氣管道風(fēng)險(xiǎn)專(zhuān)家評(píng)分方法[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2008, 27(11): 4-8.

[4] 王迎剛. 吳起—延煉輸油管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D].西安：西安石油大學(xué), 2015.

[5] 魏小磊, 劉成國(guó), 胡又平. 管輸油品電荷濃度探測(cè)電極研究[J]. 軟件, 2012, 33(8): 93-95.

[6] 張蕾, 李海勝. 基于流向的爆管分析方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].軟件, 2012, 33(6): 89-91.

[7] 魏立新, 韓麗艷, 董航, 等. 慶哈輸油管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)踐[J]. 石油工程建設(shè), 2014, 40(1): 72-75.

[8] 馬俊章, 楊云博, 宋濤. 肯特打分風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究[J].內(nèi)蒙古石油化工, 2014(21): 10-12.

[9] 于倩秀, 鄭云萍, 陳雪鋒. 肯特危險(xiǎn)指數(shù)分析法在油氣長(zhǎng)輸管道安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 石油庫(kù)與加油站, 2005(5):27-30.

[10] 陳舉鋒, 于倩秀. 油氣長(zhǎng)輸管道安全評(píng)價(jià)方法——肯特法簡(jiǎn)介[J]. 安全、健康和環(huán)境, 2006, 6(3): 27-29.

[11] 邵玲, 才偉, 楊穎, 等. 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中管道區(qū)段劃分的幾點(diǎn)改進(jìn)建議[J]. 當(dāng)代化工, 2014(12): 2682-2684.

[12] 張燃, 羅文華, 王毅輝, 等. DCVG+CIPS外檢測(cè)技術(shù)在兩佛線的應(yīng)用[J]. 天然氣工業(yè), 2008, 28(9): 105-107.