油氣管道與城市管網(wǎng)交叉風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及解決措施*

姚小靜，朱元東，孫向榮

(1.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250101;2.山東省油區(qū)工作辦公室，山東 濟(jì)南，250012)

長輸油氣管道是輸送石油、天然氣和成品油等能源的重要運(yùn)輸手段，已成為繼公路、鐵路、水運(yùn)和航空之后第五大交通運(yùn)輸方式，油氣長輸管道選址鋪設(shè)均按照法律和設(shè)計(jì)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。隨著城市擴(kuò)張和人口聚集，后建管線不得不與已建工程的管道相鄰(平行、斜接或交叉)，甚至在局部地段還要通過“公共走廊”［1］6。目前油氣管線與市政管網(wǎng)的矛盾沖突在全國成為一個(gè)普遍現(xiàn)象，而管道運(yùn)行壽命呈“浴盆曲線”。目前中國正處于新一輪油氣管網(wǎng)建設(shè)高峰期，又有相當(dāng)比例的管道進(jìn)入老齡化，油氣管道泄漏事故也處于高發(fā)期，兩相疊加，風(fēng)險(xiǎn)陡增，一旦發(fā)生事故，往往會(huì)帶來巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響。如何保障臨近生活區(qū)或化工區(qū)油氣管道與城市管網(wǎng)并行或交叉的安全運(yùn)行是目前急需解決的問題。結(jié)合長輸管道檢驗(yàn)實(shí)例，從風(fēng)險(xiǎn)分析的角度介紹了油氣管道非開挖檢測及評(píng)價(jià)技術(shù)。

1 基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(RBI)是一種追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的理念與方法，它是在對(duì)系統(tǒng)中固有的或潛在的危險(xiǎn)發(fā)生的可能性與后果進(jìn)行科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，給出風(fēng)險(xiǎn)排序，找出薄弱環(huán)節(jié)，以確保本質(zhì)安全和減少運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)，優(yōu)化檢驗(yàn)策略的一種管理方式［2］。實(shí)施RBI 檢測目的有3 個(gè)方面:(1)提高設(shè)備的安全性、可靠性;(2)提高安全管理水平及合理配置維護(hù);(3)檢驗(yàn)資源。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)與危險(xiǎn)的關(guān)系

風(fēng)險(xiǎn)是一種不確定性，是為獲取某種收益而不得不遭受某種損失的可能性。它有可能會(huì)向壞的方向發(fā)展，也有可能向好的方向發(fā)展，即使發(fā)生了，其影響程度也可能不同，因而影響其損失發(fā)生的概率和后果;而危險(xiǎn)則不一樣，它的發(fā)生只會(huì)產(chǎn)生不利結(jié)果，如果不及時(shí)解決，會(huì)導(dǎo)致毀滅。人們能夠化解風(fēng)險(xiǎn)，卻無法改變危險(xiǎn)，主要是看風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和破壞程度。為了將風(fēng)險(xiǎn)將至最低，需摸清風(fēng)險(xiǎn)的影響因素，進(jìn)而選擇合理的方法進(jìn)行降低或消除［3］。

1.2 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(管道完整性管理)是目前較為流行的一種管理方式，分為定量、定性、半定量和半定性，被大家廣泛采用的是美國W.Kent Muhlbauer 編寫的《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊》(肯特管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分法)［4］。從影響管道安全運(yùn)行的4 個(gè)方面半定量地進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，同時(shí)結(jié)合泄漏指數(shù)計(jì)算出相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)比率，進(jìn)而確定管道所處的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，其相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)比率為0～2 000，數(shù)值越高，說明其越安全。該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有利于檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和管道使用單位進(jìn)行管道的完整性管理，避免出現(xiàn)盲目檢修，造成“開挖易腐，越挖越腐”現(xiàn)象，提高管道的檢驗(yàn)效率，降低企業(yè)管理成本。

2 管道風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別及解決措施

城市管網(wǎng)主要有供排水管道、燃?xì)夂蜔崃霉艿篮屯ㄓ嵉入娏﹄娎|管道等管道，長輸油氣管道與城市管網(wǎng)管道并行或交叉，互相影響。通過風(fēng)險(xiǎn)分析，認(rèn)為交叉并行的主要風(fēng)險(xiǎn)因素有雜散電流腐蝕、交直流干擾和施工維護(hù)產(chǎn)生的次生危害。

2.1 交流雜散電流腐蝕

2.1.1 腐蝕危害

高壓交流輸電線路發(fā)生故障時(shí)，在故障位置會(huì)有很大的瞬時(shí)電流，根據(jù)交流輸電線路的等級(jí)不同，瞬時(shí)電流大小不等，電流大時(shí)能達(dá)到幾十到幾千安培。故障電流入地會(huì)使地電位抬升，擊穿附近埋地管道防腐蝕層或管體，擊傷管道上正在維護(hù)維修的工作人員，對(duì)維修人員造成傷害;同時(shí)防腐層蝕漏點(diǎn)處，感應(yīng)的交流電流泄漏到大地中，造成管道的交流雜散電流腐蝕。通常管道上的交流腐蝕速率比直流腐蝕速率大很多，如1 A 直流雜散電流在一根鋼管上流進(jìn)流出，1 a 內(nèi)將導(dǎo)致大約10 kg 金屬的蝕失［5］，即在很短的時(shí)間內(nèi)便會(huì)使管道穿孔泄漏，造成財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡;其次若防腐蝕層有漏點(diǎn)，電流流入管道可能損害管道設(shè)施，如絕緣法蘭、絕緣接頭或恒電位儀等［6］，腐蝕形貌見圖1。

圖1 雜散電流腐蝕凹坑

2.1.2 交流檢測

雜散電流檢測儀可以沿管道路線檢測管道上任何雜散干擾電流的大小和方向。雜散電流檢測儀檢測圖上能表明什么地方是電流流入點(diǎn)、什么地方是流出點(diǎn)，利用這種信息在適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)或區(qū)域采取措施可以減緩管道上雜散電流的干擾。當(dāng)實(shí)施了緩解措施后，雜散電流檢測儀還可評(píng)估緩解措施是否成功。它還可以用來測量管地電位(借助于參比電極)，自動(dòng)記錄管地電位隨時(shí)間的變化，從電位的分布上判斷是否存在雜散電流干擾，2007 年曾成功地在聊泰線上實(shí)施了檢驗(yàn)。

2.1.3 腐蝕防護(hù)

交流干擾防護(hù)主要有接地、屏蔽、隔離和等電位等方法，實(shí)踐中，一般優(yōu)先使用接地排流作為防護(hù)措施，GB/T 50698—2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)地床與管道的連接方式，排流法主要分為直流排流、固態(tài)去耦合排流和負(fù)電流排流3 種。何驍［1］13通過實(shí)驗(yàn)證明了:(1)直接排流即將干擾管道與地床直接用導(dǎo)線連接起來進(jìn)行排流。該法排流效果好且簡單經(jīng)濟(jì)，不過容易造成陰極保護(hù)電流流失，適用于陰極保護(hù)的管道;(2)用犧牲陽極代替直接排流時(shí)的地床，就是負(fù)電位排流，陰極效果比較好。造價(jià)較高，且可能存在極性逆轉(zhuǎn)問題;(3)隔直流排流即在直流排流回路中串入阻隔直流電流元件，達(dá)到阻止陰極保護(hù)的目的。其中隔直流排流采用的鉗位式排流不僅能阻止保護(hù)電流的泄流，還可利用部分干擾電壓作陰極保護(hù)，隔直流措施在實(shí)際應(yīng)用中被公認(rèn)為效果最好的方式。不過應(yīng)該注意，鉗位式排流要求接地材料和被保護(hù)構(gòu)筑物材料相同以避免存在電位差，否則可能嚴(yán)重地影響排流后的直流到位，影響防護(hù)效果。

2.2 交叉部位腐蝕狀態(tài)檢測

腐蝕是造成油氣管道失效的第二大因素，而盲目開挖，往往會(huì)造成“開挖易腐，越挖越腐”的現(xiàn)象，因此應(yīng)盡量避免不必要的開挖。在城市管網(wǎng)交叉(并行部位)鄰近區(qū)域，城市地下金屬物較多，干擾因素較多，相比較野外地下管道定位難度非常大，單一設(shè)備無法精確腐蝕位置及狀態(tài)，姚小靜等［7］結(jié)合實(shí)際檢測實(shí)例，討論了精確確定油氣管道防腐蝕層破損位置腐蝕狀態(tài)的檢測方法。

2.2.1 管道定位及外防腐蝕層狀況檢測

為了確保檢測是在管道的正上方，應(yīng)先采用RD4000 管道定位儀或雷達(dá)進(jìn)行管道定位后，采用PCM+管線防腐層探測儀“A 字架”確定管道防腐蝕層破損點(diǎn)。

2.2.2 破損點(diǎn)嚴(yán)重性與陰陽極狀態(tài)判斷

有效地判斷管線外防腐蝕層破損點(diǎn)的嚴(yán)重性和陰陽極狀態(tài)是確保有缺陷管道安全運(yùn)行的重要因素。采用雜散電流測繪儀(DCVG)和SCM 雜散電流測繪儀確定缺陷點(diǎn)的嚴(yán)重性與陽陰極狀態(tài)。在一般情況下，采用DCVG 即可。破損點(diǎn)具體位置與電位的關(guān)系顧寶珊等認(rèn)為［8］電位梯度小于50 mV，防腐蝕層狀況良好。聊泰線現(xiàn)場檢驗(yàn)開挖驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)破損點(diǎn)在管道上下左右分布，示意圖見圖3。破損點(diǎn)在管道正上方4 處，地表2 處的電位與管位一致;破損點(diǎn)在管道左邊5處，地表1 處的電位最大;破損點(diǎn)在管道右邊6處，檢漏儀定中心點(diǎn)在地表3 處;破損點(diǎn)在管底7處，泄漏電流分別由5 處和6 處輻射到地表，l 和3 處均有電位，且相等。

圖2 破損點(diǎn)在管道上下左右位置

在進(jìn)行聊泰線定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)多處并行與交叉管線，且防腐蝕層存在不同程度的破損，還發(fā)現(xiàn)更嚴(yán)重的機(jī)械損傷凹坑，見圖3。

圖3 交叉管道處發(fā)生凹坑腐蝕

2.3 交叉(并行)管線應(yīng)力分析

長輸油氣管線受到的應(yīng)力主要是由內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力。管線彎曲變形造成了彎曲應(yīng)力(如土壤條件發(fā)生變化)和幾乎忽略不計(jì)的徑向應(yīng)力。由此可見，只有彎曲應(yīng)力才是影響管線安全運(yùn)行的主要應(yīng)力。長輸管線采用彈性鋪設(shè)，且埋在凍土層以下，設(shè)計(jì)階段已經(jīng)考慮了鋪設(shè)環(huán)境的載荷條件，但若城市管網(wǎng)為后期建設(shè)時(shí)使得油氣管線由埋地鋪設(shè)變?yōu)榧芸辗绞剑鶗?huì)存在較大的彎曲應(yīng)力，從而存在應(yīng)力集中區(qū)，見圖4。同時(shí)若介質(zhì)、環(huán)境條件滿足，則可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂或者應(yīng)力開裂。

圖4 彎曲應(yīng)力

3 結(jié)論與建議

(1)從風(fēng)險(xiǎn)分析的角度，結(jié)合肯特管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分法說明了油氣管道風(fēng)險(xiǎn)管理的重要性。

(2)油氣管道交叉(并行)風(fēng)險(xiǎn)影響因素主要為雜散電流腐蝕和其他腐蝕、彎曲應(yīng)力和應(yīng)力集中及第三方破壞等。

(3)管道運(yùn)行單位均應(yīng)建立長輸油氣管道SCADA 系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與遠(yuǎn)程調(diào)度相結(jié)合的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化系統(tǒng))，加強(qiáng)日常巡視保護(hù)，避免因第三方施工或周圍環(huán)境變化引發(fā)管道事故。

(4)嚴(yán)格按照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)開展定期檢驗(yàn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)管體缺陷;確定管道的剩余壽命和剩余強(qiáng)度，提高隱患管段的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測能力，延長管道的總體使用壽命。

(5)按照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，加強(qiáng)管道施工質(zhì)量，避免野蠻施工造成管體及防腐層破損，從源頭上確保管道安全運(yùn)行。

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