油氣管道全生命周期安全監(jiān)測預(yù)警探析

李明　吳斌　劉思良　陳天民　張廷廷

摘 要：基于國內(nèi)外油氣管道安全事故統(tǒng)計(jì)分析，指出管道事故主要致因?yàn)橥獠扛蓴_、腐蝕、材料失效以及自然災(zāi)害，其中第三方損壞是我國管道失效事故首要因素，提出應(yīng)開展全生命周期管道安全監(jiān)測預(yù)警進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防控，從源頭做好風(fēng)險(xiǎn)防控和失效防護(hù)；分析國內(nèi)外管道安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)與管理現(xiàn)狀，探討監(jiān)測預(yù)警技術(shù)對全生命周期管道安全監(jiān)測預(yù)警的適用性、可行性、經(jīng)濟(jì)性，提出光纖傳感、聲波、視頻安防、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測等對油氣管道風(fēng)險(xiǎn)防控具有較高的適用性和經(jīng)濟(jì)性；應(yīng)加強(qiáng)管道安全預(yù)警技術(shù)性能評估方法和適用性準(zhǔn)則研究，建立涵蓋技術(shù)選擇、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、運(yùn)行評價(jià)的綜合監(jiān)測預(yù)警管理體系和運(yùn)行機(jī)制，并有效納入管道完整性管理體系范疇。

關(guān) 鍵 詞：油氣管道；全生命周期；監(jiān)測預(yù)警；完整性管理

中圖分類號：TE88；TE988 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1385-04

Analysis on Safety Monitoring and Early Warning on Oil/Gas Pipelines

LI Ming1， WU Bing2， LIU Si-liang2， CHEN Tian-min2， ZHANG Ting-ting2

（1. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， SINOPEC， Liaoning Fushun 113001，China；

2. Yulin-Jinan Gas Pipeline Division of Nature Gas Company， SINOPEC， Shandong Jinan 250101，China）

Abstract： Main reasons of pipeline accidents were analyzed based on oil and gas pipeline safety accident statistics at home and abroad， such as third party damage， natural and geological disasters， corrosion and material failure. The third party damage was the primary factor of pipeline failure in China， and the whole life cycle pipeline safety monitoring and early warning should be carried out for risk prevention and control from the sources. Current situation of pipeline safety monitoring and early warning was analyzed， as well as the applicability， feasibility and economy of various monitoring techniques， in which the optical fiber sensing monitoring， sound monitoring， video monitoring， geological disaster monitoring and corrosion monitoring were most applicable technology for full life cycle pipeline risk prevention. The research on the evaluation method and applicability criterion of pipeline safety early warning technology should be strengthened. The comprehensive monitoring and early warning management system including technology selection， system design， construction and operation evaluation should be established and effectively incorporated into the pipeline integrity management system.

Key words： Oil and gas pipeline； Full-life cycle； Monitoring and early warning； Integrity management

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，油氣管道增長迅猛。由于受到管道路由、設(shè)施投資、區(qū)域經(jīng)濟(jì)等諸多因素限制，油氣管道不可避免會(huì)經(jīng)過人口密集、地質(zhì)災(zāi)害、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)等高后果、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，一旦發(fā)生泄漏極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等重大事故，造成嚴(yán)重?fù)p失和巨大社會(huì)影響。

國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明：推廣應(yīng)用完整性管理技術(shù)，特別是引入全生命周期完整性管理是保障管道本質(zhì)安全的根本[1]。全生命周期管道完整性管理是指在管道設(shè)計(jì)建設(shè)期以及運(yùn)行期不斷識別出管道可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，并采取合適的控制措施，實(shí)現(xiàn)管道本質(zhì)安全。安全監(jiān)測可以實(shí)時(shí)掌握管道風(fēng)險(xiǎn)水平并提前預(yù)警而成為一種重要的風(fēng)險(xiǎn)防控手段[2]。我國當(dāng)前處于油氣管道的大發(fā)展時(shí)期，如何科學(xué)高效地實(shí)施全生命周期管道完整性管理安全監(jiān)測預(yù)警并形成標(biāo)準(zhǔn)體系是當(dāng)前管道行業(yè)面對的重要課題。

1 油氣管道危害因素

1.1 管道事故致因統(tǒng)計(jì)

據(jù)美國運(yùn)輸部（PHMSA）統(tǒng)計(jì)，自1994年至2013年美國共發(fā)生各類管道事故10 620起，其中材料失效因素占28.7%，腐蝕與挖掘破壞分別占18.3%和17.8%（見表1）[3]。加拿大國家能源局（NEB）統(tǒng)計(jì)，1992-2011年加拿大發(fā)生各類管道破裂事故34起，其中管道開裂事故11起，金屬損失事故9起，外部影響、材料、地質(zhì)災(zāi)害事故各2起，其他原因5起。歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)組織（EGIG）統(tǒng)計(jì)，外部干擾破壞引發(fā)的管道泄漏事故最多達(dá)到48.4%，其次是制造缺陷/材料失效和腐蝕，分別為16.7%和16.1% [4]。我國四川輸氣管道1969年至2003年事故統(tǒng)計(jì)表明腐蝕、施工缺陷、外部干擾以及材料缺陷是事故主要致因[4]；針對我國2004-2013年可檢索到的28起重大管道泄漏事故中，其中第三方施工導(dǎo)致10起占比36%，打孔盜油7起，地質(zhì)災(zāi)害3起，腐蝕2起，設(shè)備材料導(dǎo)致3起，操作不當(dāng)1起，其余2起原因不明[4]。

1.2 管道事故危害因素分析

國內(nèi)外管道事故統(tǒng)計(jì)表明，盡管各國或組織對管道事故類型和原因劃分存在一定的差別，但整體上外部干擾、腐蝕、材料失效以及自然災(zāi)害是誘發(fā)管道事故的最主要因素。國內(nèi)管道事故早期危害因素主要為管道腐蝕，但隨著近十余年經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，第三方損壞因素上升并成為首要危害因素，其次為自然與地質(zhì)災(zāi)害、腐蝕和材料失效[5]。

顯然，如果針對管道實(shí)施全生命周期安全監(jiān)測預(yù)警，可以對管道設(shè)計(jì)建設(shè)階段以及運(yùn)行階段識別出的高后果、高風(fēng)險(xiǎn)因素從源頭上實(shí)施安全監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)防控，并提供管道原始安全狀態(tài)數(shù)據(jù)，提升管道監(jiān)測預(yù)警精度和安全管理水平。

2 油氣管道監(jiān)測預(yù)警現(xiàn)狀

2.1 管道監(jiān)測預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀

2.1.1 光纖傳感監(jiān)測預(yù)警

分布式光纖傳感基于光纖散射及干涉原理實(shí)現(xiàn)管道溫度、應(yīng)力、泄漏以及安全防御等監(jiān)測預(yù)警，如日本ANDO公司研制的光纖應(yīng)變/損耗分析儀可檢測光纖沿線80 km的應(yīng)變信息[6]。英國QinetiQ公司產(chǎn)品Opta Sense利用通信光纜監(jiān)測50 km內(nèi)管道附近人員、車輛和機(jī)器等[7]。澳大利亞FFT公司的分布式光纖管道安全防御系統(tǒng)可檢測管道泄漏、挖掘、機(jī)械施工等事件[8]。國內(nèi)中石油管道科技中心研制的管道分布式光纖預(yù)警系統(tǒng)可對人工破壞、機(jī)械挖掘等分類報(bào)警和準(zhǔn)確定位[9]。準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感多用于管道局部敏感危險(xiǎn)點(diǎn)的監(jiān)測，如英國Smart Fibers公司開發(fā)的4通道光纖光柵傳感分析儀可用于監(jiān)測變化很慢的應(yīng)力、溫度和壓力[10]。

2.1.2 功能化安全監(jiān)測預(yù)警

針對管道外部干擾，美國GE公司開發(fā)了Threat Scan聲學(xué)入侵探測系統(tǒng)并被美國和歐洲管道公司廣泛采用；美國Magal Senstar公司開發(fā)的Dream Box視頻圖像探測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各類破壞行為的報(bào)警[7]。美國CORTEST公司針對管道內(nèi)腐蝕開發(fā)了MICROCOR磁感應(yīng)傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)評估管內(nèi)介質(zhì)腐蝕能力與腐蝕狀態(tài)[11]。針對管道外腐蝕，美國INCON公司的TS-CPM陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)恒電位儀輸出電壓、電流、管地電位和雜散電流等的遠(yuǎn)程監(jiān)測[12]。美國ASI公司開發(fā)的 Wave Alert音波管道泄漏檢測系統(tǒng)在美國、澳大利亞和我國的20 多個(gè)管道工程得到應(yīng)用[13]。國內(nèi)中石油管道科技中心等單位開發(fā)了管道聲波預(yù)警、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、智能陰保監(jiān)測和音波泄漏檢測等實(shí)用化安全監(jiān)測系統(tǒng)并局部應(yīng)用[9，14]。

2.2 管道監(jiān)測預(yù)警管理現(xiàn)狀

歐美國家管道安全監(jiān)測體系較為完善并得到法律保障，如美國2006年發(fā)布的《管道檢測、保護(hù)、實(shí)施及安全法案》。國內(nèi)較多規(guī)范涉及管道安全監(jiān)測，如SY/T 6186《石油天然氣管道安全規(guī)程》中提出油氣管道安全設(shè)施包括有毒有害氣體監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、腐蝕控制與監(jiān)測系統(tǒng)、自然災(zāi)害防護(hù)和安全保護(hù)設(shè)施等，GB 32167《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中指出對管道第三方損壞、自然與地質(zhì)災(zāi)害以及腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)實(shí)施監(jiān)測或安全預(yù)警等控制措施，SY/T 6827 《油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中提出管道安全預(yù)警系統(tǒng)可選擇光纖預(yù)警、聲波預(yù)警、智能防腐層預(yù)警、視頻安全監(jiān)控等技術(shù)，但尚未建立系統(tǒng)的管道監(jiān)測預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)體系。此外，國內(nèi)管道企業(yè)開展安全監(jiān)測預(yù)警多集中于在役管道的單一風(fēng)險(xiǎn)因素管理及應(yīng)急管理[15]，如西氣東輸一線管道針對地質(zhì)災(zāi)害建立了沿線地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)前期監(jiān)測網(wǎng)和監(jiān)測預(yù)警體系[16]，港棗管道針對外部破壞建立了管道聲波預(yù)警系統(tǒng)和技術(shù)體系[9]，東黃管道針對管道外腐蝕應(yīng)用了極化電位檢測與無線遠(yuǎn)傳實(shí)時(shí)掌控陰極保護(hù)真實(shí)狀態(tài)[17]；此外，各企業(yè)開展安全監(jiān)測預(yù)警時(shí)間不同，技術(shù)水平參差不齊，與管道完整性管理系統(tǒng)結(jié)合度不高。

3 油氣管道全生命周期監(jiān)測預(yù)警

3.1 管道監(jiān)測預(yù)警技術(shù)適用性

油氣管道實(shí)施監(jiān)測預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)防控，首先應(yīng)基于管道高后果區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及危險(xiǎn)源識別等確定管道敏感因素，并依此制定安全監(jiān)測目標(biāo)與指標(biāo)，綜合考慮不同技術(shù)的性能特點(diǎn)、施工難度及投資費(fèi)用等綜合評估選?。ㄒ姳?）。

光纖傳感監(jiān)測預(yù)警通過獲取管道沿線及重點(diǎn)區(qū)段溫度、應(yīng)力及振動(dòng)信號識別并定位異常事件，如機(jī)械/手工挖掘、車流負(fù)載、鉆孔施工、農(nóng)業(yè)耕種、表面爆破、管道泄漏、自然及地質(zhì)災(zāi)害、管道應(yīng)變/變形等，因而適用于管道人口密集區(qū)、工業(yè)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害區(qū)以及管道轉(zhuǎn)彎處、接頭部位等區(qū)域。聲波監(jiān)測預(yù)警采用高靈敏度傳感器檢測管道沿線機(jī)械挖掘、打孔盜油等異常聲波信號而判別預(yù)警，因此對管道無光纜管段、打孔盜油易發(fā)區(qū)以及高后果區(qū)等較為適用；視頻安防監(jiān)測適用于管道高后果區(qū)、站場、庫區(qū)、閥室、隧道、穿跨越等重點(diǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)外部入侵實(shí)時(shí)預(yù)警；聲波監(jiān)測預(yù)警和視頻安防監(jiān)測預(yù)警初期投資較高，可依防護(hù)目標(biāo)和監(jiān)測指標(biāo)局部選用。

管道布設(shè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可在設(shè)計(jì)建設(shè)期即評估管道沿線地質(zhì)災(zāi)害與管道位置和危險(xiǎn)性，掌握管道初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對運(yùn)行期管道失效狀態(tài)準(zhǔn)確判斷預(yù)警；系統(tǒng)通常局部應(yīng)用，投資適中。音波泄漏監(jiān)測和光纖氣體傳感對管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)能實(shí)現(xiàn)較好的預(yù)警，但均屬于事后預(yù)警，同時(shí)音波泄漏監(jiān)測預(yù)警投資較高，且對運(yùn)行壓力較高管道布設(shè)音波探頭存在一定風(fēng)險(xiǎn)。針對管道介質(zhì)流速、高程變化，存在外界干擾等重點(diǎn)區(qū)段部署腐蝕監(jiān)測可以掌握管道腐蝕規(guī)律和趨勢，評估和檢驗(yàn)腐蝕控制技術(shù)效能。針對水域大開挖穿越管道安全監(jiān)測預(yù)警的標(biāo)記漂浮物技術(shù)，可結(jié)合管道建設(shè)施工在穿越段布設(shè)固定線、固定鏈和標(biāo)記漂浮物等實(shí)現(xiàn)穿越管道裸露懸空的安全監(jiān)測[18]，系統(tǒng)施工簡單，投資較低。

因此，針對全生命周期管道安全監(jiān)測預(yù)警，應(yīng)用光纖傳感安全監(jiān)測、聲波監(jiān)測、視頻安防監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測可有效實(shí)現(xiàn)第三方損壞、地質(zhì)災(zāi)害、腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)因素的預(yù)警防控，且監(jiān)測預(yù)警精度高、整體投資適中；針對高后果區(qū)、重大危險(xiǎn)源等重點(diǎn)區(qū)域，還可以復(fù)合使用多種技術(shù)；在管道設(shè)計(jì)建設(shè)階段即部署監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，還可與管道建設(shè)工程同期配套施工，有效降低投資并避免了管道運(yùn)行階段安裝須停產(chǎn)或帶壓安裝風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 管道監(jiān)測預(yù)警技術(shù)規(guī)范建立

選擇監(jiān)測預(yù)警技術(shù)需考慮管道環(huán)境條件和需求并結(jié)合不同技術(shù)特點(diǎn)?，F(xiàn)行的SY/T 6827油氣管道安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范僅涵蓋光纖預(yù)警、聲波預(yù)警和視頻監(jiān)控等技術(shù)內(nèi)容，對監(jiān)測預(yù)警技術(shù)選擇依據(jù)、管道監(jiān)測預(yù)警實(shí)施技術(shù)要求等內(nèi)容也未涉及。因此，有必要開展管道安全預(yù)警技術(shù)性能評估方法和適用性準(zhǔn)則研究，明確不同監(jiān)測預(yù)警技術(shù)適用性條件和針對全生命周期不同階段管道實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)，建立系統(tǒng)的油氣管道安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)規(guī)范，為企業(yè)科學(xué)應(yīng)用安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)提供量化標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)依據(jù)。

3.3 管道全生命周期監(jiān)測預(yù)警體系

監(jiān)測預(yù)警體系建設(shè)是保障管道安全的有效方式。對油氣管道全生命周期面臨的多風(fēng)險(xiǎn)因素防控，應(yīng)系統(tǒng)化考慮并設(shè)計(jì)安全需求和技術(shù)方案，建立涵蓋監(jiān)測預(yù)警技術(shù)選擇、監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)、與管道工程配套施工、全維度監(jiān)測預(yù)警運(yùn)行、信息安全評價(jià)預(yù)警的綜合技術(shù)體系，并與完整性管理系統(tǒng)進(jìn)行集成和數(shù)據(jù)庫共享，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)、管道結(jié)構(gòu)、油氣泄漏、腐蝕防護(hù)、外部干擾等多種信號的多功能、一體化監(jiān)測預(yù)警管理；此外，應(yīng)構(gòu)建企業(yè)全維度安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)規(guī)范、操作程序、實(shí)施細(xì)則、決策支持等管理體系和運(yùn)行機(jī)制，細(xì)化全生命周期管道安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)要點(diǎn)與決策支持，重點(diǎn)開展全維度監(jiān)測信息的綜合風(fēng)險(xiǎn)分析，將油氣管道安全監(jiān)測預(yù)警有效納入全生命周期管道完整性管理體系范疇。

4 結(jié) 論

（1）國內(nèi)外管道事故統(tǒng)計(jì)表明，外部干擾、腐蝕、材料失效以及自然災(zāi)害是管道事故主要致因，其中第三方損壞是我國管道失效事故首要因素；有必要開展管道全生命周期安全監(jiān)測預(yù)警建設(shè)，從管道設(shè)計(jì)建設(shè)源頭做好風(fēng)險(xiǎn)防控和失效防護(hù)，提高監(jiān)測精度和預(yù)警效率。

（2）針對管道全生命周期監(jiān)測預(yù)警，管道光纖傳感、聲波、視頻安防、地質(zhì)災(zāi)害、腐蝕等監(jiān)測預(yù)警技術(shù)對油氣管道第三方損壞、地質(zhì)災(zāi)害、腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)因素防控適用性和經(jīng)濟(jì)性較高，并可與管道建設(shè)工程同期進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警施工，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和投資。

（3）有必要開展管道監(jiān)測預(yù)警技術(shù)規(guī)范及體系建設(shè)，加強(qiáng)管道安全預(yù)警技術(shù)性能評估方法和適用性準(zhǔn)則研究，建立預(yù)警技術(shù)選擇、監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)、與管道工程建設(shè)配套施工、全維度監(jiān)測預(yù)警運(yùn)行、信息安全評價(jià)預(yù)警的綜合體系和運(yùn)行機(jī)制，并有效納入管道完整性管理體系范疇。

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