油氣管道完整性技術(shù)研究進(jìn)展

田斯赟

摘 要：針對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外油氣管道完整性技術(shù)，分別從管道風(fēng)分析、完整性管理及管道腐蝕評(píng)價(jià)三個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比與分析，總結(jié)典型管道完整性技術(shù)，分析得出國(guó)內(nèi)技術(shù)的不足之處，并針對(duì)這些不足對(duì)國(guó)內(nèi)未來(lái)油氣管道完整性技術(shù)的發(fā)展提出了展望。

關(guān) 鍵 詞：油氣管道；風(fēng)險(xiǎn)分析；完整性管理；管道腐蝕

中圖分類號(hào)：TE 866 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-2033-04

Abstract： The oil and gas pipelines integrity technologies at home and abroad were compared and analyzed based on three aspects of pipeline risk analysis， integrity management and pipeline corrosion evaluation. And the typical pipelines integrity technologies were summarized. Deficiencies of the domestic technologies were analyzed； and in view of these problems， future prospect of oil and gas pipelines integrity technology in China was proposed.

Key words： oil and gas pipelines； risk analysis； integrity management； pipeline corrosion

由于油氣管道是目前輸送速度最快、安全的運(yùn)輸方式之一，油氣管道在目前及今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將作為油氣運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ摺Ｔ陂L(zhǎng)距離運(yùn)輸中，油氣管道一般具有為大管徑、高壓、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、年限長(zhǎng)等特點(diǎn)，多為埋地敷設(shè)，且無(wú)備用管路，因此，一旦管道發(fā)生泄漏或其他事故，不容易被發(fā)現(xiàn)且可能造成全線停輸?shù)葐?wèn)題，最終造成重大事故。2011年山東蓬萊的19-3管道漏油事故以及著名的墨西哥灣管道泄漏事故，這些事故可直接或間接地表明保障管道完整性具有重要的安全意義。

在油氣管道完整性管理技術(shù)方面，盡管國(guó)內(nèi)相關(guān)研究取得了大量的研究成果，但隨著世界范圍內(nèi)油氣管道的陸上服役時(shí)間的增加，管道老齡化給管道完整性帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。日益增長(zhǎng)的社會(huì)需求與油氣管道發(fā)生失效破壞的現(xiàn)狀直接要求我們對(duì)管道的完整性分析理論和保障問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究。本文針對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外油氣管道完整性技術(shù)，分別從管道風(fēng)分析、完整性管理及管道腐蝕評(píng)價(jià)三個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比與分析，總結(jié)典型管道完整性技術(shù)，分析得出國(guó)內(nèi)技術(shù)的不足之處，并針對(duì)這些不足對(duì)國(guó)內(nèi)未來(lái)油氣管道完整性技術(shù)的發(fā)展提出了展望。

1 管道風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)

油氣管道完整性技術(shù)需要有效的管道風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)支撐。油氣管道風(fēng)險(xiǎn)載荷可以通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)獲得，以此可更有針對(duì)性地采取措施降低風(fēng)險(xiǎn)[1]。

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

呂奎等[2]從輸氣管道、自然災(zāi)害、第三方破壞及工藝站場(chǎng)四個(gè)方面針對(duì)天然氣管道進(jìn)行了定性的風(fēng)險(xiǎn)分析，并合理提出了應(yīng)急管理的具體措施。張杰等[3]結(jié)合主成分分析及聚類分析法，對(duì)油氣管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，該方法有效降低了指標(biāo)間的相關(guān)程度及專家打分帶來(lái)的主觀性，提高了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系的實(shí)用性及準(zhǔn)確性。石磊明等[4]對(duì)北京市燃?xì)夤艿朗枪芾砑暗湫褪鹿试蜻M(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)結(jié)果改進(jìn)了評(píng)分法，即調(diào)整了肯特法中各評(píng)分項(xiàng)目的分值分布，提高了評(píng)分法在進(jìn)行油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的適用性及準(zhǔn)確性。李大全等[5]針對(duì)油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中的管段劃分，運(yùn)用模糊聚類的方法，可使管段劃分動(dòng)態(tài)化，劃分結(jié)果更合理，同時(shí)通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算過(guò)程，提高了劃分效率及準(zhǔn)確性。劉晅亞等[6]根據(jù)百余例城市油氣管道事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)城市高壓油氣管道事故場(chǎng)景進(jìn)行了分析，分別運(yùn)用Fluent計(jì)算事故危險(xiǎn)性，并結(jié)合事件樹(shù)對(duì)事故影響因素進(jìn)行討論，提出城市中高壓管道防護(hù)措施及控制措施。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

Carlos E. Restrepo等[7]在對(duì)美國(guó)2002-2005年期間的1582次管道事故原因和結(jié)果進(jìn)行了分析，應(yīng)用邏輯回歸分析對(duì)影響因素與物料、財(cái)產(chǎn)、清潔和回復(fù)損失成本之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。Ali Jamshidid等[8]基于Matlab模糊邏輯工具中Mamdani算法，結(jié)合相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分（RRS）方法，對(duì)管道評(píng)估中的不確定性進(jìn)行建模，該方法既可定性分析也可定量計(jì)算，模型適用性較高。Anjuman Shahriar等[9]采用模糊邏輯來(lái)處理事故樹(shù)中基本事件和結(jié)果事件概率大小，研究了多種因素間的相互依賴關(guān)系對(duì)分析結(jié)果的影響?；赥BL持續(xù)準(zhǔn)則，引入模糊效用量（FUV）來(lái)表征天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果。Lei Ma等[10]提出一種基于GDPSs的城市天然氣管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估新方法，詳細(xì)的考慮了管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、不同失效模式的可能性大小以及失效后果大小。其風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果以風(fēng)險(xiǎn)輪廓線表示，并可基于風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)備得到相應(yīng)的保護(hù)范圍。在文獻(xiàn)[11]中，他也提出了一種基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的城市天然氣管道網(wǎng)絡(luò)定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，更有效地提高風(fēng)險(xiǎn)分析的準(zhǔn)確性。

2 管道完整性管理技術(shù)

管道完整性管理是為使管道達(dá)到設(shè)備完整性標(biāo)準(zhǔn)，并使其更為可靠和安全地運(yùn)行而建立的系統(tǒng)管理體系，并可根據(jù)不同需求進(jìn)行不斷修改，從而盡可能多的找出管道存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)源，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，根據(jù)結(jié)果采取相應(yīng)防護(hù)措施[12]。

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于設(shè)計(jì)知識(shí)的不完備性，在大量制造時(shí)，使得現(xiàn)今許多新建管道難適應(yīng)使用新工藝及材料進(jìn)行制造。隨著《特種設(shè)備安全法》、《中國(guó)石油天然氣管道保護(hù)法》等法律的頒布，將油氣管道定義為特種設(shè)備，因此其監(jiān)管要求也得到了相應(yīng)的提高，使得管道制造商也提高安全生產(chǎn)要求[13]。文獻(xiàn)[14，15]均提出將油氣管道完整性管理與信息化相結(jié)合，結(jié)合其大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了基于完整性平臺(tái)的開(kāi)放生態(tài)應(yīng)用環(huán)境，較好地解決了實(shí)際管理中的問(wèn)題，有力地推進(jìn)了企業(yè)的精細(xì)化管理，確保了企業(yè)管理體系的落地和切實(shí)執(zhí)行。油氣管道完整性管理效能評(píng)價(jià)能發(fā)掘現(xiàn)有管道完整性管理的可改進(jìn)的空間，但現(xiàn)有方法與技術(shù)并不成熟。谷雨雷等[16]提出一種基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（DEA）方法的效能評(píng)價(jià)計(jì)算模型，考慮各單元的相對(duì)有效性，運(yùn)用DEA計(jì)算效能值，通過(guò)數(shù)值進(jìn)行分級(jí)，并給出改進(jìn)建議。馮慶善等[17]在對(duì)管道完整性效能評(píng)價(jià)過(guò)程中，根據(jù)管道風(fēng)險(xiǎn)水平等效能影響因子來(lái)規(guī)定修正因子，評(píng)價(jià)基礎(chǔ)則以實(shí)際工作情況與管理方案規(guī)定之間的符合度為基礎(chǔ)，使得管道完整性管理方案得到質(zhì)量的考核，有利于進(jìn)行體系改進(jìn)。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

完整性管理方面，T.A. Netto等[18]基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的數(shù)學(xué)模型方法，對(duì)管道系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)排序，其中分別考慮了主觀和客觀判斷權(quán)重。最終提出了一種基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的新的管道完整性管理工具，使得觀測(cè)失效機(jī)制輸入量與預(yù)期失效模型之間的耦合成為可能。Wellison J.S. Gomes等[19]對(duì)影響管道運(yùn)行和維修的不確定性因素進(jìn)行了量化，其目標(biāo)函數(shù)考慮了可能的后果損失，使埋地腐蝕管道監(jiān)測(cè)周得到優(yōu)化，同時(shí)可作為完整性管理體系的制定基礎(chǔ)。

3 管道腐蝕評(píng)價(jià)技術(shù)

管道腐蝕是管道完整性破壞的常見(jiàn)形式，每年因腐蝕而造成的管道爆裂和泄漏事故屢見(jiàn)不鮮。在中國(guó)，油氣田開(kāi)發(fā)已超過(guò)30年，在役管道有將近60%已運(yùn)行超過(guò)20年，進(jìn)入了“老齡化”階段，增加了管道腐蝕的可能。

3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)對(duì)于管道腐蝕的評(píng)價(jià)技術(shù)，一般集中于針對(duì)某種材料的管道及對(duì)其剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)所開(kāi)展的。吳燕等[20]對(duì)直接評(píng)價(jià)方進(jìn)行了研究，增加了對(duì)管道內(nèi)外腐蝕的考慮因素和完善了評(píng)價(jià)步驟，并對(duì)外腐蝕的評(píng)價(jià)過(guò)程中的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)及剩余壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了改進(jìn)研究。駱正山等[21]在管道腐蝕后，運(yùn)用彈塑性力學(xué)，深入分析軸向及環(huán)向應(yīng)力，建立了剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)模型。高建華等[22]分別對(duì)均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕及局部腐蝕運(yùn)用API579準(zhǔn)進(jìn)行管道剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)研究，改善了ASME B31G準(zhǔn)則的局限性，同時(shí)也增加了腐蝕評(píng)價(jià)的應(yīng)用范圍。郭勇等[23]針對(duì)大牛地氣田埋地管道運(yùn)用直接評(píng)價(jià)法并結(jié)合管道壁厚瞬變電磁檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行腐蝕評(píng)價(jià)，達(dá)到不需挖開(kāi)管道、管道受損降低就能較快評(píng)價(jià)出管道總體質(zhì)量情況的目的。謝閣新等[24]針對(duì)埋地鋼制管道完整的構(gòu)建了管道外腐蝕指標(biāo)體系，并結(jié)合模糊理論及層次分析方法構(gòu)建了鋼制管道外腐蝕綜合評(píng)價(jià)方法。

3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

Amir Samimi等[25]結(jié)合試驗(yàn)和調(diào)查研究，對(duì)波斯灣油氣運(yùn)輸管道腐蝕泄露原因進(jìn)行了分析，得出影響腐蝕的主要因素和腐蝕產(chǎn)物、探究了腐蝕機(jī)理，并提出了一些實(shí)用的建議控制措施。I.S. Cole等[26]從影響土壤腐蝕的因素、點(diǎn)腐蝕和均勻腐蝕影響因素區(qū)別、電化學(xué)腐蝕機(jī)理和目前腐蝕模型四個(gè)方面對(duì)該領(lǐng)域先前研究文獻(xiàn)進(jìn)行了調(diào)研，并提出多尺度（MSM）土壤腐蝕模型框架，該框架使得水、溶質(zhì)運(yùn)移和氧溶解模型的有機(jī)結(jié)合成為可能。M.N.Ilman等[27]結(jié)合目視檢查、光學(xué)顯微術(shù)、掃描電子顯微鏡檢查法、能量色散x射線（EDX）分析以及三電極電位技術(shù)對(duì)海洋油氣管道內(nèi)部腐蝕致因和機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施。

4 技術(shù)不足與發(fā)展方向

針對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)防范及安全問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外均對(duì)其完整性管理、風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)及腐蝕評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了一定的研究。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)滯后于國(guó)外。

目前，國(guó)外對(duì)油氣管道完整性管理技術(shù)已經(jīng)建立相對(duì)于國(guó)內(nèi)更加完善的制度，并且早已將信息化融入到油氣管道完整性管理技術(shù)當(dāng)中，然而多數(shù)國(guó)內(nèi)管道完整性管理技術(shù)仍處于理論制度論述階段。近幾年，隨著信息化的發(fā)展以及管道完整性管理所具有的大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，我國(guó)也逐漸開(kāi)始重視對(duì)完整性管理建立信息化平臺(tái)的具體事項(xiàng)。將來(lái)，我國(guó)計(jì)劃進(jìn)一步研究油氣管道完整性技術(shù)，如對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)的研究逐漸集中在定量化評(píng)價(jià)方面，壓縮機(jī)組及泵機(jī)組的故障監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)及其線平臺(tái)的軟件開(kāi)發(fā)，提出更實(shí)用有效的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)以及有限元仿真技術(shù)、失效分析等。同時(shí)，將會(huì)逐步拓寬管道完整性管理的應(yīng)用領(lǐng)域，如海底管道、燃?xì)夤芫W(wǎng)等對(duì)象[28]。

我國(guó)的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)雖然已經(jīng)開(kāi)始有許多的定量的評(píng)定，但是仍較多得集中于定評(píng)的評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)外的風(fēng)險(xiǎn)分析，已經(jīng)開(kāi)始致力于發(fā)現(xiàn)事故的內(nèi)在相互作用，對(duì)事故機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析。然而國(guó)內(nèi)還停留在識(shí)別系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定階段。對(duì)事故的溯源分析工作仍存在較大的欠缺。

5 結(jié) 論

中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全社會(huì)對(duì)清潔能源的迫切需求，以及中國(guó)油氣資源產(chǎn)地遠(yuǎn)離消費(fèi)市場(chǎng)的特點(diǎn)，這導(dǎo)致中國(guó)在未來(lái)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，油氣管道完整性管理體系建設(shè)任務(wù)依舊困難重重。目前，風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)在管道完整性管理領(lǐng)域里得到普遍的應(yīng)用，且已經(jīng)獲得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，然而，國(guó)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)仍處于定量化評(píng)價(jià)方法的初級(jí)階段。國(guó)外無(wú)論是對(duì)于管道事故的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄、管道事故的追因溯源，還是對(duì)事故原因的相互作用機(jī)理的研究，都比國(guó)內(nèi)發(fā)展得更近一步。

因此，我國(guó)需對(duì)油氣管道完整性技術(shù)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究與發(fā)展：

1）完成對(duì)油氣管道事故的統(tǒng)計(jì)及運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。這是進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)，有助于對(duì)事故機(jī)理的溯源研究，對(duì)與管道相關(guān)的基礎(chǔ)性研究具有重要作用。

2）我國(guó)的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)盡管較多得集中于定性評(píng)價(jià)以及通過(guò)不同方法識(shí)別危險(xiǎn)源并進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)劃分，然而，需要國(guó)家制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)全行業(yè)的推廣，并保證風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的可靠度。因此，針對(duì)我國(guó)管道風(fēng)險(xiǎn)，需加快建立適合我國(guó)油氣管道運(yùn)行特點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3）雖然國(guó)內(nèi)技術(shù)已將信息化技術(shù)運(yùn)用在油氣管道完整性管理，但是僅還僅限小范圍運(yùn)用在個(gè)別單位。國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有可以廣泛使用、具有較高實(shí)用性和適用性的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件。因此，我國(guó)需開(kāi)發(fā)高度適用于我國(guó)油氣管道運(yùn)行特點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件，加快其廣泛使用。

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