基于故障樹的天然氣長輸管道安全風險分析

林媛媛（中國石化天然氣分公司）

基于故障樹的天然氣長輸管道安全風險分析

林媛媛（中國石化天然氣分公司）

隨著天然氣長輸管道的大量敷設(shè)和長期運行，其在運行過程中由于施工缺陷、管道腐蝕、第三方破壞等因素導(dǎo)致管道失效事故的風險顯著增大，如何確保其運行安全已成為研究重點。故障樹分析法是分析復(fù)雜系統(tǒng)安全性和可靠性的一種有效方法。以此方法為基礎(chǔ)，從天然氣長輸管道設(shè)計及施工、管道保護、運行及人員管理等3個方面，對可能影響其安全運行的風險進行了分析，建立了相應(yīng)的故障樹分析圖，就如何提高管道運行的安全性和穩(wěn)定性給出相關(guān)預(yù)防措施及建議。

管道；失效；缺陷；腐蝕；故障樹分析

引言

近年來，國內(nèi)天然氣長輸管道發(fā)展迅速，西氣東輸、川氣東送等一大批長距離、大口徑、高壓力的天然氣長輸管道陸續(xù)建成投產(chǎn)，截至2014年底國內(nèi)天然氣長輸管道總長度已達8.5萬公里，這些天然氣長輸管道的建成在帶動管道沿線地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展、促進節(jié)能減排等方面做出了較大貢獻。同時隨著天然氣長輸管道大量敷設(shè)和長期運行，其在運行過程中由于設(shè)計及施工缺陷、管道腐蝕、第三方施工等因素導(dǎo)致管道出現(xiàn)失效事故風險顯著增大，且所造成的綜合經(jīng)濟損失難以預(yù)料。特別是黃島“11.22”輸油管道爆炸等事故后，如何防范管道失效事故、提高其安全性和可靠性已成為關(guān)注重點。

1 工程設(shè)計、施工管理

1.1 工程設(shè)計

隨著天然氣長輸管道的大量建設(shè)，各設(shè)計院在工藝設(shè)計方面已十分成熟，設(shè)備選型錯誤、管道材質(zhì)及口徑等與需求不匹配等工藝設(shè)計缺陷出現(xiàn)概率已相對較小，出現(xiàn)問題或缺陷較多的一般是在管道路由選擇、埋設(shè)方式、場站閥室位置選擇等方面，而這也是與天然氣長輸管道線路長、覆蓋區(qū)域廣、涉及地形地貌復(fù)雜等特點相對應(yīng)的，如設(shè)計院前期線路踏勘不全面、與地方規(guī)劃對接不到位或參照地圖陳舊等，極有可能導(dǎo)致管道埋深不足、路由處于規(guī)劃區(qū)內(nèi)、閥室場站處于泄洪區(qū)內(nèi)等嚴重影響安全的缺陷，而這些缺陷將伴隨管道整個生命周期或只能通過管道、設(shè)備切改來整改。同時如設(shè)計代表未及時跟進工程施工，對現(xiàn)場情況掌握不到位、部分設(shè)計變更核實不細致或無法根據(jù)施工情況對設(shè)計進行及時調(diào)整等，均有可能為后續(xù)運行埋下隱患（圖1）。

1.2 工程施工

工程施工質(zhì)量是關(guān)系到天然氣長輸管道能否安全順利投產(chǎn)和長期穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。由于管道于施工過程涉及水網(wǎng)、山地、黃土塬等多種地形，且施工呈現(xiàn)點多、分散、覆蓋面廣及施工環(huán)境、社會依托性差的特點，施工難度、監(jiān)管難度均較大。一般來說可能出現(xiàn)的主要缺陷有：

1）管材初始缺陷。其主要是由于管材制造加工、運輸不當受傷造成的，如管壁存在夾層、劃痕、薄厚不均或防腐層損壞、管材橢圓度差等。

2）管道焊接缺陷。焊接過程未嚴格遵守工藝規(guī)程，則焊口可能出現(xiàn)氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透、裂紋、燒穿等缺陷。

3）管道埋深不達標、水保措施未落實。管溝開挖深度、管道上方覆土厚度不夠及水土流失風險大區(qū)域水保措施不落實、水工保護施工質(zhì)量差等是管道施工通病。

4）管道清管、干燥不徹底。管道內(nèi)存在雜物、積水較多等對管道運行安全的影響往往在投產(chǎn)初期即可顯現(xiàn)，最典型的即管道內(nèi)積水過多、冬季氣溫較低時極易出現(xiàn)管道的冰堵。

圖1 天然氣長輸管道設(shè)計、施工及管材缺陷故障樹

針對以上情況并結(jié)合工程建設(shè)項目實際情況，在施工過程中除要遵守國家、行業(yè)相關(guān)標準規(guī)范和符合設(shè)計要求外，還應(yīng)重點注意以下項目。

1）防腐管材質(zhì)量驗收。管材供應(yīng)商及物流單位、物流單位與施工單位之間要嚴格管材的交接驗收，主要包括防腐層完好性、管端無防腐層管段完好性及出廠檢驗合格證等，杜絕存在缺陷管材流入施工現(xiàn)場。

PH-TW土壤溫度傳感器輸出信號0～5V。SWR-2型傳感器測量土壤容積含水量，輸出信號0～2.5V，經(jīng)ADC0832進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機讀取A/D轉(zhuǎn)換值。

2）管道焊接施工管理。應(yīng)結(jié)合管材情況優(yōu)選出適用的焊接材料，制定嚴格的焊接工藝規(guī)程，監(jiān)理、施工單位應(yīng)強化焊接過程監(jiān)管，做好焊接記錄的填寫及保存，確保其可追溯性。

3）低溫、大風、潮濕等特殊環(huán)境下的施工管理。落實大風下設(shè)置防風棚、低溫時采取保溫措施、杜絕雨天防腐施工等特殊環(huán)境下施工措施，防止出現(xiàn)管道焊接、防腐缺陷。

4）落實水土保持、防洪等評價的相關(guān)要求。對地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地段的護坡等工程的施工應(yīng)嚴格監(jiān)管，按照設(shè)計要求施工并確保施工質(zhì)量；穿越蓄滯洪區(qū)及水土流失嚴重區(qū)域時，應(yīng)嚴格管溝開挖、回填的監(jiān)管。

5）加強對工程監(jiān)理、駐廠監(jiān)造及第三方檢測單位的監(jiān)管，特別是要做好對其人員變更的控制、履職能力檢查，確保其管理人員資質(zhì)符合標準、能力滿足要求、現(xiàn)場履職到位，以實現(xiàn)對施工過程的有效管控。

2 管道保護

2.1 管道腐蝕

管道腐蝕風險將隨著天然氣長輸管道長期運行而逐步增加，嚴重腐蝕將導(dǎo)致防腐絕緣層失效、管壁減薄、管道穿孔、甚至發(fā)生開裂，其形式主要包括天然氣長輸管道外腐蝕、內(nèi)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等三類（圖2）。

針對管道腐蝕風險，除強化管道陰極保護系統(tǒng)維護、保養(yǎng)，提高其運行效率，確保其對管道的有效防護外，還應(yīng)重點做好：

1）控制進入管道系統(tǒng)的天然氣氣質(zhì)狀況，不符合GB 17820、GB 50251、SYT 5922等國家及行業(yè)標準規(guī)定的氣質(zhì)要求，不得進入管道輸送。

3）加強長輸管道內(nèi)檢測、外檢測工作。對長輸管道定期檢測是管道可靠性定量測試和評價的基礎(chǔ)，特別是對管道的內(nèi)檢測，可利用智能清管器在不影響管道運行的情況下，在線檢測出管道內(nèi)外腐蝕、局部變形以及焊縫裂紋等缺陷，從而及時發(fā)現(xiàn)事故隱患并采取修復(fù)補強等整改措施[3]。

2.2 第三方破壞

天然氣長輸管道第三方破壞具有隨機性強、不易預(yù)測和控制的特點，主要風險來自打孔盜氣、管道上方及周邊占壓及施工、農(nóng)耕破壞等3項（圖3）。根據(jù)近年來的典型事故案例，管道上方及周邊占壓、施工已成為威脅管道安全運行的最大風險，天然氣長輸管道建設(shè)時一般選擇相對偏遠、人口較少或農(nóng)田、林地等地區(qū)，但隨著近年來的地方經(jīng)濟發(fā)展，特別是各地工業(yè)區(qū)、開發(fā)區(qū)設(shè)立等，天然氣長輸管道沿線可能出現(xiàn)工廠林立、人員眾多、施工頻繁的情況，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)違規(guī)管道占壓等情況，使其成為管道高后果區(qū)，且這些區(qū)域的施工多為自動、重型機械易對管道造成損害[4-5]。

防范第三方破壞最重要的措施是加強對對管道沿線的巡檢，實施對第三方施工的全過程監(jiān)護，確保對管道沿線風險源的實時監(jiān)控，同時還應(yīng)重點做好：

1）管道埋深直接影響到管道的安全運行，在管道運營后應(yīng)定期開展管道埋深檢測，并對埋深不滿足區(qū)域及時進行修復(fù)，并分析原因、予以重點關(guān)注，以切實降低管道失效的概率。

2）在管道周邊組織開展經(jīng)常性的管道保護宣傳教育活動，宣傳天然氣長輸管道保護的重要性及相關(guān)法律法規(guī)，提高保護管道設(shè)施安全的法律意識和自覺性，并建立與沿線政府的聯(lián)動機制，形成共同支持、保護管道安全運行良好局面。

2.3 自然災(zāi)害

天然氣長輸管道線路長、穿越地域廣，沿線地形復(fù)雜，可能途經(jīng)高原、山區(qū)、水網(wǎng)及丘陵等復(fù)雜地形，部分管段周邊地質(zhì)條件可能較差，暴雨、洪水、泥石流、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對管道的安全、平穩(wěn)運行造成極大威脅（圖4）。

防范措施及建議：

1）設(shè)計源頭控制風險。由于自然災(zāi)害具有地域性，如在管道設(shè)計階段應(yīng)做好現(xiàn)場踏勘、資料收集，并根據(jù)自然災(zāi)害危險性區(qū)劃，采取針對性的防范措施，如強化水保設(shè)施，增加管道埋深或采取配重壓袋等穩(wěn)管措施，增加管道運行安全性。

2）運行過程管控。運行中應(yīng)組織遴選出自然災(zāi)害危險區(qū)域，進行針對性的重點巡護，特別是沿線穿跨越、懸索、桁架等關(guān)鍵部位，應(yīng)進行全面、細致的風險分析，制定專項應(yīng)急處置方案，確保突發(fā)事件時的快速響應(yīng)、準確處置[6]。

3 運行及人員管理

在天然氣長輸管道投產(chǎn)后，對其的生產(chǎn)運行管理以及操作人員管理將成為影響管道安全、平穩(wěn)運行的重要因素之一：

針對運行管理及人員管理中的風險，相應(yīng)的防范措施及建議：

1）建立天然氣長輸管道的多氣源供氣格局，為提高天然氣長輸管道應(yīng)對突發(fā)情況的能力，保障管道的平穩(wěn)運行，應(yīng)立天然氣長輸管道的互聯(lián)互通，同時應(yīng)建立天然氣儲氣庫系統(tǒng)，從而提高管道供氣能力。

2）建立完善的應(yīng)急管理體系。組織對管道沿線風險進行分析，制定針對性、可操作性的應(yīng)急處置方案，做好沿線維搶修、消防、醫(yī)療等依托力量的調(diào)研及聯(lián)絡(luò)，綜合考慮各用戶的運營特點、供氣來源、影響范圍等特點，制定特殊情況下的供氣關(guān)停壓減方案，定期開展專項應(yīng)急演練，確保突發(fā)情況的正確應(yīng)對、有效處置[7]。

3）加強員工的操作技能培訓(xùn)。做到定期培訓(xùn)、嚴格考核，以達到規(guī)范操作、統(tǒng)一標準的目的，同時培訓(xùn)內(nèi)容除日常操作外還應(yīng)重點開展突發(fā)情況下的緊急操作培訓(xùn)，防止緊急情況下的誤操作出現(xiàn)。

圖3 天然氣長輸管道第三方破壞故障樹

圖4 天然氣長輸管道自然災(zāi)害破壞故障樹

4 結(jié)論

在管道運行初期、中期及老化期3個階段中，各種風險出現(xiàn)的概率是不一樣的，如在管道運行初期（可認為是管道投產(chǎn)后的3～5年），設(shè)計、施工及管材本身缺陷導(dǎo)致管道出現(xiàn)泄漏等失效事故的概率較大；在管道運行中期，影響管道安全運營的最大風險則可能是第三方破壞及自然災(zāi)害；在老化期，則應(yīng)加強對管道施工過程腐蝕情況的監(jiān)控，防止因腐蝕導(dǎo)致管道出現(xiàn)穿孔、破裂等事故。

[1]YoungDo Jo，Daniel A.Crowl.Individual risk analysis of highpressure natural gas pipelines[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2008，21（6）：589-595.

[2]古建飛，田建軍，鄭斌，等.基于事故樹分析的長輸油氣管道腐蝕失效原因[J].安全，2014，35（11）：19-21.

[3]A.J.Brito，A.T.de Almeida.Multi-attribute risk assessment for risk ranking of natural gas pipelines[J].Reliability Engineering and System Safety，2009，94（2）：187-198.

[4]張鎮(zhèn)，李著信，石進.長輸油氣管道第三方破壞故障樹分析[J].油氣儲運，2008，27（6）：37-40.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.05.017

2016-11-31

（編輯 杜麗華）

林媛媛，工程師，2008年7月畢業(yè)于中國石油大學（華東）（油氣儲運專業(yè)），從事天然氣長輸管道運營管理工作，E-mail：jhlyy_trq@126.com，地址：北京市朝陽區(qū)惠新東街甲6號，100011。