油氣管道本質(zhì)安全影響因素分析及啟示*

李師瑤，侯　磊，熊　毅，陳雪嬌，李文超，馬宏偉

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室/石油工程教育部重點實驗室,北京 102249; 2.中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運工程學(xué)院,北京 102249; 3.中國石油管道公司 呼和浩特輸油氣分公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

0　引言

1974年6月1日，英國一家工廠發(fā)生了嚴(yán)重的高溫環(huán)己胺泄漏爆炸事故。1978年，英國化工安全專家 Klet針對這一事故，首次提出“本質(zhì)安全”概念[1]，指在工藝設(shè)計階段提高工廠安全，從根本上消除風(fēng)險，而不是被動地接受風(fēng)險或附加保護(hù)設(shè)施減小風(fēng)險[2]，這個概念得到普遍認(rèn)可，并沿用至今。

國內(nèi)學(xué)者對油氣管道本質(zhì)安全的分析研究主要分為2種：一是對管理體系的把握，如從國家、地方或各相關(guān)部門監(jiān)管管道的安全[3-4]；二是用評價指標(biāo)研究油氣管道的本質(zhì)安全問題，如黃昕等[5]改進(jìn)了肯特法中的評價指標(biāo)，建立了長輸管道本質(zhì)安全評價模型。這2種研究采用的方法偏向于專家咨詢和理論分析，對管道事故中的本質(zhì)安全影響因素研究不夠深入。周建新、王玉梅和吳策宇等人[6-10]通過分析國內(nèi)外油氣管道事故，確定了主要的事故原因，但沒有明確指出哪些事故原因?qū)儆诒举|(zhì)安全范疇。本文調(diào)研了1994年至2012年間105起美國和加拿大的油氣管道事故，統(tǒng)計分析有關(guān)本質(zhì)安全的影響因素，識別各階段存在的薄弱環(huán)節(jié)，為我國油氣管道本質(zhì)安全的評估提供參考。

1　油氣管道本質(zhì)安全統(tǒng)計分析

油氣管道工程主要包括規(guī)劃、設(shè)計、制管、施工和運營5個階段，以下分析了涉及管道本質(zhì)安全的事故，其中包括23起美國油氣管道事故和14起加拿大油氣管道事故。

1.1　本質(zhì)安全事故分析

圖1　基于事故分析的油氣管道本質(zhì)安全影響因素識別流程Fig.1　The recognition process of intrinsic safety influencing factors in oil and gas pipeline based on accidents

不同因素對事故的影響程度不同，將影響因素分為3級，即一級影響因素、二級影響因素和三級影響因素。一級影響因素指技術(shù)和管理，二級影響因素指間接造成事故的原因，三級影響因素指直接造成事故的原因?；谑鹿史治龅挠蜌夤艿辣举|(zhì)安全影響因素識別流程如圖1所示，從事故原因入手，對每起油氣管道事故匯總后進(jìn)行本質(zhì)安全判定，提取本質(zhì)安全方面的事故原因作為三級因素，分類概括三級因素得到二級因素，按照油氣管道工程的5個主要階段對二級因素進(jìn)行歸類。對于每起事故，可通過識別流程圖進(jìn)行本質(zhì)安全影響因素劃分，進(jìn)而確定事故源頭，采取有效措施改善管道本質(zhì)安全。

以2010年9月加利福尼亞州天然氣管道破裂事故為例，說明影響因素識別過程。通過對天然氣管道泄漏原因進(jìn)行本質(zhì)安全因素判定，確定了5個二級影響因素、6個三級影響因素，如表1所示。

表1　加利福尼亞州天然氣管道事故原因Table 1　The causes of gas accidents in California

1.2　本質(zhì)安全影響因素分析和薄弱環(huán)節(jié)識別

1.2.1影響因素分析

根據(jù)圖1中影響因素識別流程方法，針對37起涉及本質(zhì)安全的管道事故，列舉了部分事故的原因及影響因素，管道建設(shè)階段與影響因素之間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

通過分析37起本質(zhì)安全的管道事故，確定了19個二級影響因素和26個三級影響因素，管道工程各階段包含的二級、三級影響因素以及事故的數(shù)量如表3所示。以設(shè)計階段為例，其二級影響因素包括防護(hù)設(shè)計、線路設(shè)計、站場設(shè)計及管理制度共4個，涉及的三級影響因素共7個，設(shè)計階段因素造成的事故共12起。根據(jù)二級、三級影響因素對應(yīng)的事故數(shù)量，可確定各影響因素對工程階段的本質(zhì)安全影響程度，如二級影響因素中防護(hù)設(shè)計對設(shè)計階段的本質(zhì)安全影響最大，三級影響因素中陰極保護(hù)方案對設(shè)計階段的本質(zhì)安全影響最大。

表2　本質(zhì)安全的管道事故原因及影響因素Table 2　The causes and influencing factors of intrinsic safety accidents

表3　基于事故分析的油氣管道本質(zhì)安全影響因素匯總Table 3　The summary of intrinsic safety influencing factors in oil and gas pipeline based on accidents

注：由于不同的三級影響因素可能對應(yīng)同一起事故，所以各階段三級因素對應(yīng)的事故數(shù)之和大于或等于各階段總事故數(shù)。

由表3中數(shù)據(jù)得到圖2和圖3，不同階段影響因素造成事故的數(shù)量比較見圖2。由圖2可知，各階段影響因素造成的事故數(shù)由高到低依次是施工、運營、設(shè)計、制管和規(guī)劃階段，其中，施工階段影響因素對應(yīng)的事故數(shù)量遠(yuǎn)大于其他階段。

圖2　不同階段的本質(zhì)安全事故數(shù)Fig.2　Intrinsic safety accidents in different stages

圖3　不同階段的二級和三級影響因素的數(shù)量Fig.3　The number of second-degree and third-degree influencing factors in different stages

管道工程各階段包含的二級和三級影響因素的數(shù)量分布見圖3。由圖3可見，設(shè)計和施工2個階段涉及的三級影響因素數(shù)量較多，制管和運營階段涉及的三級影響因素數(shù)量次之，規(guī)劃階段涉及的三級影響因素數(shù)量最少。這與各階段完成的工程任務(wù)有關(guān)，如規(guī)劃階段只需完成勘察、可行性研究和編制任務(wù)書，而施工階段包括防腐絕緣、拉運布管、組裝焊接、防腐補(bǔ)口和下溝回填等任務(wù)，比規(guī)劃階段的任務(wù)更多更復(fù)雜，涉及的影響因素更多。同一個二級影響因素可以包括多個相似的三級影響因素，如制管中的軋制技術(shù)包括軋制溫度/方向和軋機(jī)結(jié)構(gòu)，當(dāng)某階段三級影響因素越多時，不代表提升該階段本質(zhì)安全難度大，這與二級影響因素和三級影響因素的相對大小有關(guān)(規(guī)劃階段例外)。結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計和運營階段，二級影響因素數(shù)量約為三級影響因素數(shù)量的一半，說明部分三級影響因素可以歸為同一類，即事故原因相對集中，提升設(shè)計和運營階段的本質(zhì)安全難度相對不大。在制管和施工階段，二級和三級因素的數(shù)量相當(dāng)，說明事故原因相對分散，提升制管和施工階段的本質(zhì)安全難度較大。規(guī)劃階段較為特殊，二級和三級影響因素都各有1個，即管道環(huán)境調(diào)研存在問題，在37起事故中因該問題造成的本質(zhì)安全事故只有3起，遠(yuǎn)少于其他階段，若規(guī)劃期間詳細(xì)調(diào)研管道環(huán)境數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步減少事故發(fā)生。

1.2.2薄弱環(huán)節(jié)識別

將每個階段中造成事故相對多的二級因素定為該階段的薄弱環(huán)節(jié)，共確定了7個薄弱環(huán)節(jié)。管道環(huán)境為規(guī)劃階段的薄弱環(huán)節(jié)。在設(shè)計階段，防護(hù)設(shè)計比線路設(shè)計、站場設(shè)計和管理制度對應(yīng)的事故多，防護(hù)設(shè)計為設(shè)計階段的薄弱環(huán)節(jié)。同理軋制技術(shù)和焊接技術(shù)為制管階段的薄弱環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量和防腐技術(shù)為施工階段的薄弱環(huán)節(jié)，檢測方案為運營階段的薄弱環(huán)節(jié)，表3中加粗的二級影響因素為相應(yīng)階段的薄弱環(huán)節(jié)。

2　對國內(nèi)管道本質(zhì)安全的啟示

我國2003年至2013年有報道的油氣管道事故共發(fā)生28起，具體原因如表4所示，根據(jù)本質(zhì)安全概念，第三方施工/打孔盜油與操作不當(dāng)/原因不明不屬于管道本質(zhì)安全范圍，我國油氣管道在地質(zhì)災(zāi)害、管道腐蝕、材料與焊接方面存在的問題，與國外油氣管道本質(zhì)安全的薄弱環(huán)節(jié)即管道環(huán)境、防護(hù)設(shè)計、制管工藝和管道施工缺陷十分相似，結(jié)合油氣管道本質(zhì)安全影響因素的分析，對于改善管道本質(zhì)安全，有如下啟示。

表4　我國2003年至2013年油氣管道事故統(tǒng)計Table 4　Oil and gas pipeline accidents in Chinafrom 2003 to 2013

(1)全面調(diào)研管道周圍環(huán)境

規(guī)劃是管道的起始階段，是管道建設(shè)的基礎(chǔ)，在管道設(shè)計之前應(yīng)對管道環(huán)境如地質(zhì)條件、降雨量、地下(表)水和交通等情況進(jìn)行全面調(diào)研。管道環(huán)境惡劣主要包括2種情況：一是城市規(guī)劃的速度遠(yuǎn)超過管道規(guī)劃速度，地上地下構(gòu)筑物對管道產(chǎn)生影響，尤其是靠近市區(qū)的管道，如我國某地經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，管道工程建設(shè)速度也在加快，常出現(xiàn)管道安全距離不足的問題[11]；二是管道位于惡劣的土質(zhì)環(huán)境，管道公司卻不知情，依舊按照正常土質(zhì)鋪設(shè)管道，如2005年7月加拿大英屬哥倫比亞省的管道穿越了垃圾填埋場，垃圾的填埋擾亂了原生土層的平衡狀態(tài)，造成管道支撐設(shè)計失敗。在管道規(guī)劃階段，管道周圍可能沒有明顯的惡劣環(huán)境跡象，需要詳細(xì)調(diào)研管道敷設(shè)區(qū)地層情況，為管道設(shè)計提供依據(jù)。

(2)加強(qiáng)油氣管道系統(tǒng)本質(zhì)安全的設(shè)計

本質(zhì)安全觀點是采取更安全的設(shè)計手段防止事故發(fā)生。如設(shè)計階段的防護(hù)設(shè)計，防護(hù)設(shè)計主要由水工保護(hù)、抗震設(shè)計和陰極保護(hù)組成，在調(diào)研的事故中，大部分事故受陰極保護(hù)不足的影響，其影響因素主要包括3方面：一是整流器效率低；二是當(dāng)?shù)赝寥离娮杪实淖兓?；三是陰極保護(hù)電流低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如2000年8月，加拿大WestCoast能源公司的管道干線發(fā)生破裂，主要原因是在陰極保護(hù)不足期間，管道涂層表面出現(xiàn)局部腐蝕點，造成管道表面暴露在電解質(zhì)中，生成裂紋。在管道設(shè)計階段，需選擇合適的陽極材料、接地材料或增加整流器的輸出、替換地床等以避免陰極保護(hù)出現(xiàn)不足，做好管道防護(hù)設(shè)計。

(3)增強(qiáng)油氣管道的材料制作質(zhì)量

管道材料質(zhì)量的好壞與制管過程有很大的關(guān)系，制管缺陷主要體現(xiàn)為軋制技術(shù)和焊接技術(shù)缺陷，其影響因素包括3方面：一是軋制機(jī)構(gòu)不合適造成鋼材晶粒不均勻，未充分細(xì)化；二是鋼材的軋制方向不對；三是卷制焊接中焊縫存在未焊透、變形、氣泡等問題。2010年9月美國加利福尼亞州發(fā)生嚴(yán)重的天然氣管道破裂火災(zāi)事故，裂開的短管中硫化錳夾渣被橫向拉長，說明鋼材的軋制方向是橫向的，而不是正確的軸向，造成短管的尺寸不能滿足已知管材規(guī)格的最小長度要求。制管階段應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范操作，避免使用存在尺寸問題的管段。

(4)保障管道的施工建造質(zhì)量

施工階段是管道事故的高發(fā)階段，由于管道施工工序多、自然環(huán)境和施工條件復(fù)雜、工作人員流動等給管道的施工建造質(zhì)量增加了難度。目前施工缺陷主要體現(xiàn)在焊接質(zhì)量和防腐技術(shù)問題上。

焊接質(zhì)量問題引發(fā)的事故數(shù)量僅次于防腐缺陷，焊接質(zhì)量問題主要體現(xiàn)為焊縫缺陷，包括氣孔、未焊透、咬邊等問題，其影響因素是焊接技術(shù)不足。我國焊接技術(shù)先后經(jīng)歷了手工焊接、半自動焊接、CO2焊接、全位置自動焊接等[13]。手工焊效率低且誤差大，CO2焊接常出現(xiàn)氣孔、咬邊和夾渣等問題，自保護(hù)藥芯半自動焊接常出現(xiàn)氣孔、飛濺、未融合、未焊透等狀況[12]。全自動焊接在我國還不能得到廣泛應(yīng)用，主要因為焊槍的振動導(dǎo)致傳動系統(tǒng)反應(yīng)不靈敏，同時各行動系統(tǒng)會有累計誤差[13-14]。事故中普遍存在的焊縫缺陷是未焊透，如2001年1月，我國某石油公司負(fù)責(zé)的輸油管線發(fā)生泄漏，其重要原因是焊縫2～3mm未焊透，導(dǎo)致焊縫斷裂。2010年9月美國加利福尼亞州天然氣管道發(fā)生破裂，事故原因之一是未焊透區(qū)域貫穿整個直焊縫內(nèi)部，且部分短管直焊縫內(nèi)表面對接不重合，約差為15°。在施工焊接階段，提高焊接技術(shù)或方法，采用新型的焊接設(shè)備，以減少管道的焊縫缺陷問題。

防腐技術(shù)不足會直接造成防腐層存在問題，常見的是陰極剝離，其影響因素主要分為2種情況。一是防腐層材料性能存在不足。我國已建的長輸管道通常使用的防腐材料包括熔結(jié)環(huán)氧粉末、三層聚乙烯和少量的煤焦油瓷漆[15]，常出現(xiàn)氣泡、漏點、損傷和脫層問題，如陰極反應(yīng)形成堿性環(huán)境，有缺陷的防腐層抗堿性能下降，當(dāng)水、氧和離子滲入涂層，該處涂層對金屬的附著力降低，從金屬表面剝離。所以在選擇涂層時，應(yīng)綜合考慮涂層的抗沖擊性、抗刮擦、抗鑿刻、附著性、熱膨脹(收縮)性、抗彎曲性、抗堿性[16-17]等性能。二是操作人員的失誤，如不能正確把握涂層的冷卻時間，涂層會出現(xiàn)氣泡和脫落問題。2000年4月，美國田納西州Explorer公司的一條油品管道發(fā)生泄漏，原因包括涂層未完全冷卻開始回填管道，導(dǎo)致防腐層大面積起皺與脫落，管道表面暴露在外部，降低了陰極保護(hù)的有效性，進(jìn)而發(fā)生陰極剝離。在施工防腐階段，需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H環(huán)境條件和管道材料選擇與之匹配的防腐涂層材料。

(5)不斷完善管道運行體系

管道運行體系能夠及時發(fā)現(xiàn)管道裂紋、凹陷、壓扁和腐蝕缺陷等問題，減少事故發(fā)生。國外油氣管道在運營階段主要體現(xiàn)為檢測方案落后，其影響因素包括2方面：一是由于檢測技術(shù)落后，未能將缺陷檢出或檢測數(shù)據(jù)分析時間過長；二是管道公司不遵守規(guī)范制度或檢測標(biāo)準(zhǔn)落后，長時間不進(jìn)行管道檢測。如2001年1月，加拿大亞伯達(dá)哈迪斯蒂的一條原油管道發(fā)生嚴(yán)重的泄漏事故，原因是數(shù)據(jù)分析中區(qū)分缺陷的時間和反饋風(fēng)險位置的時間較長，公司沒能及時收到異常信息。在管道運營階段，應(yīng)提高檢測器對管道缺陷的靈敏程度，結(jié)合管道系統(tǒng)運行的資源信息優(yōu)化數(shù)據(jù)分析程序，也可通過試驗檢測來更好的了解檢測器探測到管道缺陷的信號特征，便于工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題。

3　結(jié)論與建議

1)通過油氣管道本質(zhì)安全影響因素識別流程方法，確定了2個一級影響因素、19個二級影響因素和26個三級影響因素，明確了各類影響因素與管道建設(shè)階段間的對應(yīng)關(guān)系，分析表明，提升制管和施工階段的管道本質(zhì)安全難度較大，而提升規(guī)劃、設(shè)計和運營階段的管道本質(zhì)安全難度相對不大。

2)通過比較各階段二級影響因素誘發(fā)國外管道事故的數(shù)量，共確定了管道環(huán)境、防護(hù)設(shè)計、軋制技術(shù)、焊接技術(shù)、焊接質(zhì)量、防腐技術(shù)和檢測方案等7個本質(zhì)安全薄弱環(huán)節(jié)，其中，管道環(huán)境、防護(hù)設(shè)計、焊接和防腐技術(shù)也是我國管道的薄弱環(huán)節(jié)。

3)管道工程各階段存在各自的關(guān)鍵問題，規(guī)劃階段應(yīng)注意城市規(guī)劃速度與管道規(guī)劃速度的平衡；設(shè)計階段應(yīng)注意陰極保護(hù)不足問題；制管階段應(yīng)注意軋制方向，避免出現(xiàn)尺寸錯誤的管段；施工階段應(yīng)提高焊接技術(shù)減少焊縫缺陷，增強(qiáng)防腐層性能水平；運營階段應(yīng)縮短數(shù)據(jù)分析和反饋的時間，并按照規(guī)范定期檢測。

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