低溫凍土區(qū)油氣管道失效事故分析

房劍萍　段慶全

中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院,　北京　102249

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低溫凍土區(qū)油氣管道失效事故分析

房劍萍段慶全

中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院,北京102249

摘要：近年來,隨著凍土區(qū)油氣資源的開發(fā)和利用,凍土區(qū)管道運(yùn)輸受到越來越多地關(guān)注。由于凍土區(qū)域地質(zhì)與環(huán)境的特殊性,對管道運(yùn)行具有嚴(yán)重的不利影響,因此,對凍土區(qū)域的油氣管道事故進(jìn)行分析顯得尤為重要。對近年來美國與加拿大輸油氣管道事故進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析,比較凍土區(qū)與非凍土區(qū)管道事故的區(qū)別與聯(lián)系；參考相關(guān)文獻(xiàn),將凍土區(qū)管道事故原因分為7類：融沉、凍脹、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水。對此數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析為我國凍土區(qū)的油氣管道事故分析、應(yīng)急處理、風(fēng)險管理等提供參考,也為凍土區(qū)管道的設(shè)計、施工及其凍害防治等提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油氣管道；凍土；凍脹；事故分類

0前言

目前,隨著溫暖地區(qū)油氣資源的日益枯竭,多年凍土地帶的油氣資源得到了普遍關(guān)注[1]。由于凍土區(qū)蘊(yùn)含大量的油氣藏,且非凍土區(qū)的油氣資源開采成本不斷上升,因此,很多跨國石油公司和政府都將開發(fā)凍土區(qū)域油氣資源作為長期發(fā)展計劃的重要部分。但凍土區(qū)尤其是多年凍土區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,管道有別于溫暖地區(qū)管道。凍土環(huán)境直接影響了凍土區(qū)油氣管道的安全運(yùn)營,一旦發(fā)生事故,會給人們的生命財產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境造成很大危害。如Canol管道在敷設(shè)完成后的第二年發(fā)生了凍土融沉事故；美國的阿拉斯加(Alaska)輸油管道也發(fā)生過嚴(yán)重的融沉和凍脹問題,造成部分埋地管段失穩(wěn),經(jīng)濟(jì)損失慘重[2]；中國的格拉輸油管線由于凍脹和融沉問題造成多次露管現(xiàn)象和泄漏事件,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[3]。因此,對凍土區(qū)域尤其是多年凍土區(qū)域的管道失效事故案例的統(tǒng)計與分析顯得尤為重要。目前，美國的OPS、NTSB、PHMSA,歐洲的EGIG,加拿大的NEB，英國的UKOPA等機(jī)構(gòu)在這方面都做了相關(guān)工作,中國石油天然氣管道局、中國特種設(shè)備監(jiān)測研究院等機(jī)構(gòu)也做了相關(guān)工作[4]。文中以美國和加拿大凍土區(qū)管道失效事故案例為依據(jù)進(jìn)行調(diào)查分析,全面掌握管道事故的次數(shù)、損失及原因,從而掌握凍土區(qū)域管道失效事故發(fā)生的規(guī)律性,進(jìn)一步為凍土區(qū)管道的設(shè)計、施工，凍害防治，事故預(yù)防和事故應(yīng)急以及制定管道運(yùn)行工作方針、政策提供科學(xué)依據(jù)。

1凍土區(qū)管道事故原因分析

近些年,美國、加拿大等國為解決能源危機(jī),加快了開發(fā)北極和北極近海等多年凍土區(qū)能源的步伐,管道事故也是屢見不鮮,同時造成了財產(chǎn)損失、人員傷亡、環(huán)境破壞等危害。以美國與加拿大的凍土區(qū)管道事故案例為依據(jù),對凍土區(qū)域管道事故原因重新分類。參考相關(guān)文獻(xiàn)[5-10]和事故報告[11-15],將凍土區(qū)管道事故原因分為凍脹、融沉、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水7類,但這7類事故原因有些為凍土區(qū)域所特有,而有些如露管、地震等并不是凍土區(qū)域獨(dú)有的現(xiàn)象,在非凍土區(qū)也時有發(fā)生,但在凍土區(qū)事故后果更加嚴(yán)重,這主要與凍土區(qū)域的自然環(huán)境與地貌特征有關(guān)。

采用定性分析方法對以上7種事故原因進(jìn)行風(fēng)險分析,把發(fā)生事故的可能性與嚴(yán)重度分別劃分成不同等級,并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料確定發(fā)生事故的可能性與嚴(yán)重度,以事故嚴(yán)重度為橫坐標(biāo),事故發(fā)生可能性為縱坐標(biāo),畫出風(fēng)險分析矩陣,見圖1。可能性與嚴(yán)重度等級的不同組合可以區(qū)分不同事件所導(dǎo)致的風(fēng)險程度。根據(jù)事件導(dǎo)致的事故后果制作表1,對7種管道失效事故原因進(jìn)行對比分析,包括是否為凍土特有、易發(fā)季節(jié)、引起原因、影響、可能性、嚴(yán)重度和風(fēng)險等級。

圖1　風(fēng)險分析矩陣

由表1可知，凍脹、融沉、露管的風(fēng)險等級最高,為Ⅳ級。這是因?yàn)閮雒洝⑷诔潦莾鐾羺^(qū)常見也是容易發(fā)生的管道失效事故,且可能造成嚴(yán)重后果；露管事故的后果雖然不嚴(yán)重,但發(fā)生的可能性較高,凍脹、融沉、地震、滑塌、洪水都有可能造成露管的發(fā)生,因此風(fēng)險等級也是Ⅳ級。冰堵、地震、一般斜坡滑塌、季節(jié)性凍土區(qū)斜坡滑塌、暴雨洪水的風(fēng)險等級為Ⅲ級,融雪洪水、冰凌洪水的風(fēng)險等級為Ⅱ級。根據(jù)表1及凍土區(qū)域某一管線周圍環(huán)境可以預(yù)測該管線可能發(fā)生事故的類型、時間、原因、后果等情況,可以采用適當(dāng)?shù)姆椒邦A(yù)防措施以減少管道事故發(fā)生的可能性。

表1凍土區(qū)油氣管道事故原因?qū)Ρ确治?/p>

分類凍脹融沉冰堵天然氣管道冰堵輸油管道冰堵露管地震滑塌洪水一般斜坡滑塌季節(jié)性斜坡滑塌暴雨洪水融雪洪水冰凌洪水是否為凍土特有是是是是否否否是否是是易發(fā)季節(jié)冬(季節(jié)性)春(季節(jié)性)冬(季節(jié)性)冬(季節(jié)性)全年(永久性)春夏(永久性)全年(永久性)全年(永久性)全年-全年春夏春夏秋春夏(特殊地區(qū)除外)秋末初春引起原因低溫導(dǎo)致的土體凍后膨脹升溫導(dǎo)致的凍土融化后土體壓密天然氣水露點(diǎn)高,管中存有液態(tài)水地溫太低,管中存有液態(tài)水凍脹、熱融滑塌、凍土融化、取土不當(dāng),河流沖刷、埋深不足-河流、雨水積雪、地下水使土體失穩(wěn)斜坡土體產(chǎn)生凍脹、融沉,春季凍結(jié)土體融化降雨量大積雪或冰川在春夏季節(jié)因氣溫升高融化封冰期河流積聚的水量在解凍期急劇釋放下泄影響管道彎曲變形管道彎曲變形管道堵塞停運(yùn)管道堵塞停運(yùn)管道彎曲變形管道開裂錯斷管道彎曲變形管道彎曲變形移位斷裂泄漏移位斷裂泄漏移位斷裂泄漏可能性容易發(fā)生容易發(fā)生偶爾發(fā)生不常發(fā)生非常容易發(fā)生不常發(fā)生偶爾發(fā)生偶爾發(fā)生容易發(fā)生偶爾發(fā)生偶爾發(fā)生嚴(yán)重度ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅡⅡⅡⅡⅡ風(fēng)險等級ⅣⅣⅢⅢⅣⅢⅢⅢⅢⅡⅡ

2國外凍土區(qū)管道事故統(tǒng)計分析

2.1美國管道事故統(tǒng)計分析

2.2加拿大凍土區(qū)域管道事故統(tǒng)計分析

根據(jù)加拿大能源管道協(xié)會(CEPA)統(tǒng)計,加拿大各類地下油氣管道總長約84×104km,其中運(yùn)輸干線為11.3×104km,包含天然氣管道77 750 km、液體管道37 388 km[16]。本文統(tǒng)計分析的加拿大管道事故均來自于加拿大運(yùn)輸安全委員會(TSB)的輸油氣管道事故報告。本文對1992～2012年之間的86篇管道事故報告進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計,得出加拿大凍土區(qū)管道失效事故原因與凍土區(qū)管道腐蝕分類的餅狀圖,見圖3。

圖2　美國凍土區(qū)與非凍土區(qū)的管道事故原因?qū)Ρ葓D

圖3　加拿大凍土區(qū)域管道失效原因圖

3結(jié)論

1)與美國相比,加拿大凍土區(qū)域管道更容易發(fā)生管道腐蝕事故,而美國凍土區(qū)管道失效的主要原因是外部干擾。這是由加拿大凍土區(qū)的地質(zhì)條件所決定,如土壤電阻率，pH值低也會促進(jìn)管道的腐蝕進(jìn)度。我國黑龍江北部情況和加拿大情況相近，而新疆及西藏凍土區(qū)域與加拿大則不盡相同。

2)通過對凍土區(qū)管道事故案例的分析總結(jié),將凍土區(qū)油氣管道事故原因分為凍脹、融沉、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水7類。其中凍脹、融沉、露管是最主要原因,應(yīng)采取措施加以防范。

3)由于凍土區(qū)域地質(zhì)與環(huán)境的特殊性,凍土對油氣管道運(yùn)行具有嚴(yán)重的不利影響,使得事故屢有發(fā)生,造成重大的人員、財產(chǎn)損失。大多數(shù)北半球的國家為此問題所困,凍土區(qū)油氣管道得到了廣泛重視。但我國對凍土區(qū)管道的設(shè)計、施工、應(yīng)急處置、運(yùn)行管理等科學(xué)技術(shù)難題研究不足,尤其是管道工程的研究,對事故案例缺乏足夠的統(tǒng)計與全面分析。因此,對該類事故案例的統(tǒng)計分析尤為重要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂宏慶,李均峰,蘇毅.多年凍土區(qū)管道的失效形式及監(jiān)測技術(shù)[J].天然氣工業(yè),2008,28(9)：98-100.

Lü Hongqing, Li Junfeng, Su Yi. Failure Modes and Monitoring Techniques of Pipelines in Permafrost Zone [J]. Natural Gas Industry, 2008: 28 (9): 98-100.

[2] 金會軍,Brewer M C.阿拉斯加北極地區(qū)的工程設(shè)計和施工經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)[J].冰川凍土,2005,27(1):140-146.

Jin Huijun, Brewer M C. Experiences and Lessons Learned in the Engineering Design and Construction in the Alaska Arctic [J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2005, 27 (1): 140-146.

[3] 金會軍,喻文兵,陳友昌,等.多年凍土區(qū)輸油管道工程中的(差異性)融沉和凍脹問題[J].冰川凍土,2005,27(3):454-464.

Jin Huijun, Yu Wenbing, Chen Youchang, et al. (Differential) Frost Heave and Thaw Settlement in the Engineering Design and Construction of Oil Pipelines in Permafrost Regions: A Review [J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2005, 27 (3): 454-464.

[4] 羅自治,張傳濤,楊勇,等.國外管道失效原因分析及對我國管道管理建議[J].煤氣與熱力,2011,31(3):79-82.Luo Zizhi, Zhang Chuantao, Yang Yong, et al. Cause Analysis of Foreign Pipeline Failures and Suggestions on Domestic Pipeline Management [J]. Gas & Heat, 2011, 31 (3): 79-82.

[5] 金會軍,喻文兵,高曉飛,等.凍土區(qū)輸油管道工程基礎(chǔ)穩(wěn)定性研究[J].油氣儲運(yùn),2006,25(2):13-18.

Jin Huijun, Yu Wenbing, Gao Xiaofei, et al. Stability of Engineering Foundations of Oil Pipelines in Permafrost Regions: A Review [J]. Oil & Gas Storage & Transportation, 2006, 25 (2): 13-18.

[6] 蔡永軍,王凱濛,張世斌,等.高寒凍土區(qū)管道露管原因分析及治理[J].油氣儲運(yùn),2014,33(5):484-487.

Cai Yongjun, Wang Kaimeng, Zhang Shibin, et al. Causes and Counter-measures for Exposed Pipeline in Frigid Zone [J]. Oil & Gas Storage & Transportation, 2014, 33 (5): 484-487.

[7] 馮少廣,張鑫,馬濤,等.漠大線多年凍土沼澤區(qū)管道融沉防治及溫度監(jiān)測[J].油氣儲運(yùn),2014,33(5):478-483,492.

Feng Shaoguang, Zhang Xin, Ma Tao, et al. Thaw Settlement Prevention and Temperature Monitor of Mohe-Daqing Crude Oil Pipeline in Permafrost Marsh Zone [J]. Oil & Gas Storage & Transportation, 2014, 33 (5): 478-483, 492.

[8] 高曉飛,常懷民,孫宏全,等.凍土地區(qū)管道建設(shè)面臨的工程技術(shù)難題[J].油氣儲運(yùn),2006,25(7):39-42.

Gao Xiaofei, Chang Huaimin, Sun Hongquan, et al. Techni-cal Problems of Pipeline Construction in Permafrost Regi-

ons [J]. Oil & Gas Storage & Transportation, 2006, 25 (7): 39-42.

[9] 曾多禮.格拉輸油管道地質(zhì)災(zāi)害類型與技術(shù)措施[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2004,(6):33-35.

Zeng Duoli. Geological Disaster Type and Technical Countermeasure at Golmid -Lhasa Oil Pipelines [J]. Pipeline Technique and Equipment, 2004, (6): 33-35.

[10] 譚東杰,鄭軍,馬云賓,等.漠大管道在沿線多年凍土區(qū)的位移監(jiān)測[J].油氣儲運(yùn),2012,31(10):737-739.

Tan Dongjie, Zheng Jun, Ma Yunbin, et al. Displacement Monitoring of Mohe-Daqing Oil Pipeline in the Permafrost Area [J]. Oil & Gas Storage & Transportation, 2012, 31 (10): 737-739.

[11] European Gas Pipeline Incident Data Group. Gas Pipeline Incidents [R]. Nederlandse Gasunie: 8thReport of the European Gas Pipeline Incident Data Group, 2011.

[12] European Gas Pipeline Incident Data Group. Gas Pipeline Incidents [R]. Nederlandse Gasunie: 9thReport of the European Gas Pipeline Incident Data Group, 2015.

[13] 美國國家運(yùn)輸安全委員會.事故報告[R/OL].(2014-11-25)[2015-1-18].http://www.ntsb.gov/investigations/AccidentReports/Pages/AccidentReports.aspx.

National Transportation Safety Board.Accident Reports [R/OL]. (2014-11-25) [2015-1-18]. http: //www. ntsb. gov/investigations/AccidentReports/Pages/AccidentReports. aspx.

[14] 美國管道運(yùn)輸部.管道事故報告[R/OL].(2014-11-25)[2015-1-18].http://www.phmsa.dot.gov/incident-report.

US Department of Transportation. Pipeline Accident Reports [R/OL]. (2014-11-25) [2015-1-18]. http: //www. phmsa. dot. gov/incident-report.

[15] 加拿大運(yùn)輸安全委員會.管道調(diào)查報告[R/OL].(2014-11-25)[2015-1-18].http://www.tsb.gc.ca/eng/rapports-reports/pipeline/index.asp.

Transportation Safety Board of Canada. Pipeline Investigation Report [R/OL]. (2014-11-25) [2015-1-18]. http: //www. tsb. gc. ca/eng/rapports-reports/pipeline/index. asp.

[16] 吉建立,何仁洋,秦先勇,等.國外油氣管道安全管理經(jīng)驗(yàn)及啟示[J].中國特種設(shè)備安全,2014,30(5):1-5.

Ji Jianli, He Renyang, Qin Xianyong, et al. Foreign Oil and Gas Pipeline Safety Management Experience and Enlightenment [J]. China Special Equipment Safety, 2014, 30 (5): 1-5.

收稿日期：2016-02-29

基金項(xiàng)目：中國石油大學(xué)(北京)青年教師專項(xiàng)培養(yǎng)基金項(xiàng)目(KYJJ 2012-04-26)

作者簡介：房劍萍(1989-)，女，河南商丘人，碩士研究生，從事油氣生產(chǎn)裝備失效分析與完整性管理等研究工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.002