城鎮(zhèn)供熱管道隱患辨識研究

王艷霞 徐 棟 劉克會

（北京市新技術應用研究所，北京 100094）

0 引言

供熱系統(tǒng)是城市（尤其是北方城市）重要的日常運行保障系統(tǒng)，隨著城市化進程的加快，城市供熱設備設施數(shù)量日趨龐大。城市供熱設施呈現(xiàn)數(shù)量多、分布廣、開放性強、燃氣使用比例逐漸提高的特點，一旦發(fā)生事故容易造成嚴重的危害和影響。近年來，由于供熱管道管材質(zhì)量差、敷設方式不科學、運行環(huán)境惡劣、長期超期服役、管線設備老化腐蝕、運行維護不當?shù)劝踩[患導致的管線事故時有發(fā)生。如2016年1月18日，遼寧省沈陽市一條供熱管道因老化腐蝕嚴重爆裂，熱水涌上路面騰起濃霧，能見度不超過2m，影響了13個小區(qū)供暖；2014年2月哈爾濱市接連發(fā)生兩起供熱管道爆裂，致700余戶居民受影響等。

隱患排查治理是安全管理的重要抓手，及早發(fā)現(xiàn)隱患、及時治理隱患，能夠有效防范事故的發(fā)生?！秶鴦赵恨k公廳關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》（國辦發(fā)〔2014〕27號文）明確提出“加強城市地下管線維修、養(yǎng)護和改造，提高管理水平，及時發(fā)現(xiàn)、消除事故隱患，切實保障地下管線安全運行。開展城市地下管線普查時要同步開展隱患排查，全面了解地下管線的運行狀況，摸清地下管線存在的結構性隱患和危險源?！薄秶野踩O(jiān)管總局辦公廳關于進一步做好隱患排查治理常態(tài)化機制建設試點工作的通知》及《國務院安委會辦公室關于建立安全隱患排查治理體系的通知》也對建立安全隱患排查治理體系提出了明確的要求。

然而，管線多埋設在地表以下，屬于隱蔽設施，其安全隱患難以直觀發(fā)現(xiàn)并及時處理，且由于供熱管道需要承受來自城市發(fā)展和人類活動方方面面的不確定性風險因素，安全隱患類型復雜、排查內(nèi)容及方法缺乏科學依據(jù)支撐等，目前隱患排查工作效率低下、效果不明顯。本文在收集大量的供熱管道事故，分析供熱管道自身安全特性及其所處環(huán)境的基礎上，運用系統(tǒng)安全分析方法對供熱管道隱患進行辨識分析，并針對隱患排查內(nèi)容等提出對策建議，為供熱管道隱患排查治理工作提供理論依據(jù)及科技支撐。

1 供熱管道隱患影響因素分析

1.1 敷設方式

供熱管道敷設方式主要包括地上架空敷設、地下管溝敷設、地下直埋敷設和地下綜合管廊敷設[1-2]。地上架空敷設是指將熱力管道安裝在地面或支架上，容易發(fā)現(xiàn)和檢修故障，管道不受地下水和土地酸堿度的腐蝕，但易受自然氣候腐蝕、管道熱損失較大，尤其是當管道保溫質(zhì)量差、缺乏維修養(yǎng)護時，容易造成嚴重的管道腐蝕。地下直埋敷設是將經(jīng)過防腐和保溫處理的管道直接埋入地下，具有建設周期短、投入成本低、管線熱損失少的特點，但由于管道承受著來自地面設施、地下環(huán)境、外部施工等多重風險，且由于其隱蔽性較強，現(xiàn)有檢查方法難以有效發(fā)現(xiàn)管道自身隱患，導致管道可能存在安全隱患。地下管溝敷設是將管道敷設于地下圍護構筑物中，對管道起到了一定的保護作用，熱損失相對較小，也具備下溝檢修的條件，但由于管溝內(nèi)溫度常常較高，且濕度大，可能導致管道出現(xiàn)銹蝕。綜合管廊作為一種新型的管線綜合敷設方式，能夠有效利用城市地下空間，易于管線維護和更替，能夠有效減少外力施工、地下病害以及自身結構性隱患對熱力管道的危害，但綜合管廊建設仍處于探索發(fā)展階段，建設規(guī)模有限，且因為管廊內(nèi)容納了多種類型的管線，可能會造成新的環(huán)境風險和人為破壞風險。

1.2 管道材質(zhì)

按照《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》要求，供熱管道采用無縫鋼管、電弧焊或高頻焊焊接鋼管，供熱介質(zhì)設計溫度高于50℃的管道、設備、閥門應進行保溫，保溫層外還應有良好的保護層，并根據(jù)需要涂刷防腐涂料。采用鋼鐵為材料的供熱管道韌性較差，管道下方的空洞或上方占壓物都有可能造成管道的變形或破裂，另外由于溫度變化造成的塑性疲勞破壞也是導致管道爆裂的重要原因。架空管道多用巖棉保溫，地埋管道多用聚氨酯保溫材料或用巖棉以及玻璃棉材料作為保溫和防腐作用，保溫層和外保護層往往因為施工不當或土壤環(huán)境影響等受損失效，進而造成金屬管材腐蝕等安全隱患。

1.3 輸送介質(zhì)

供熱管道的輸送介質(zhì)分為熱水和蒸汽兩類。無論是熱水還是蒸汽介質(zhì)，都會因為與供熱管道內(nèi)部接觸產(chǎn)生電化學腐蝕，其中氧腐蝕是最常見的腐蝕原因[3]。另外，由于熱水pH值發(fā)生不同程度的變化時，腐蝕問題也有所不同，可能發(fā)生氫腐蝕或氫氧化亞鐵腐蝕。因此供熱管道設計時要滿足一定的水質(zhì)標準，運行時也應定期檢測水質(zhì)變化情況。與此同時，蒸汽管道經(jīng)常會發(fā)生汽水沖擊的水擊現(xiàn)象，輕者會造成管道損傷，重者造成支吊架松脫或管道泄漏等。

1.4 土體環(huán)境

對于地下供熱管道，特別是直埋管道，周邊土體環(huán)境對供熱管道也具有重要的影響[4]。土體環(huán)境的影響主要包括兩個方面：一是土體腐蝕性對供熱管道的影響，如由于土壤的酸堿度超標，造成土壤的腐蝕性增加，加劇管道外壁的腐蝕；二是土體病害體對供熱管道的影響，主要為管道周邊存在的地下空洞、水囊、土體疏松或不均沉降等，這些土體病害均有可能導致供熱管道發(fā)生力學破壞，出現(xiàn)變形或破裂。

1.5 周邊施工活動

城市中的各類鉆探、挖掘施工活動，如勘探、打樁、盾構施工、明挖施工、非開挖施工等，也是目前導致供熱管道破壞的主要原因之一。供熱管道毗鄰區(qū)域的施工活動會造成供熱管道周邊土體應力變化導致管道出現(xiàn)位移或損壞，或直接造成管道被打漏、挖破等。

1.6 管理因素

地下管線生命周期中的規(guī)劃設計、建設和運行維護等各階段的管理中也可能存在導致供熱管道隱患的不利因素。在規(guī)劃設計方面，可能存在管線尺寸、覆土深度、安全凈距、選材等不滿足最新標準要求或?qū)嶋H使用條件的情況。在建設施工方面，可能存在因野蠻施工、回填不實等造成的施工質(zhì)量缺陷。在運行管理階段，可能會存在因管道管理缺失、運檢制度不合理、運行工況問題導致的供熱管道結構出現(xiàn)問題。

2 供熱管道安全隱患辨識分析

隱患辨識是評估與治理的前提，辨識就是發(fā)現(xiàn)與鑒別。安全系統(tǒng)工程提供了許多有效的辨別事故隱患的方法。通過對各種分析與評估方法的討論，通過調(diào)查分析可能導致地下管線事故的各種隱患，參照相關標準、法規(guī)建立事故隱患列表，能夠為城市地下管線事故的預防、隱患排查治理措施的制定提供參考。

2.1 事故類型及原因分析

通過梳理并分析歷年來發(fā)生的各類供熱管道事故案例，可以將供熱管道事故分為管道變形、泄漏、破裂、爆管以及管道附件故障[5-8]。

事故致因理論是從大量典型事故的本質(zhì)原因的分析中所提煉出的事故機理和事故模型。這些機理和模型反映了事故發(fā)生規(guī)律性，能夠為事故原因的定性或定量分析，為事故的預測預防，為改進安全管理工作，從理論上提供科學的、完整的依據(jù)。對供熱管道隱患和事故的原因分析可運用事故致因理論進行分析[9]。本文運用事故樹分析（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）對典型供熱管道事故發(fā)生的原因進行深入分析，進而識別供熱管道常見的安全隱患。

以供熱管道破裂事故為例，繪制其事故樹分析過程，如下圖。

圖 供熱管道破裂事故樹分析圖Fig. Fault Free Analysis of rupture of the heating pipeline

從上圖中可以看出引發(fā)熱力管線斷裂的直接原因主要包括地面坍塌、外力破壞、管道腐蝕和疲勞開裂，間接原因涉及管道規(guī)劃、建設、運行階段。通過對管道變形、泄漏、破裂、爆管等典型供熱管道事故類型的事故樹分析，可以將影響管道運行安全，導致管道事故的原因歸納為：建設與運行管理環(huán)境、管道自身結構缺陷和外力破壞3方面[10-12]。管道建設與運行管理環(huán)境指在管道設計、制造、施工及運行維護等一系列活動中，由于人員的操作、組織協(xié)調(diào)及監(jiān)督不當?shù)仍?，使熱力管道存在安全隱患，如管道材質(zhì)缺陷、管道敷設施工不規(guī)范、施工時回填不實等。管道自身結構性缺陷中腐蝕是造成管道失效的最主要原因[13-15]，由于管道處于土壤、空氣等環(huán)境中，受周圍環(huán)境溫度、濕度、鹽分、酸度、微生物等因素的影響，管道外部容易出現(xiàn)電化學腐蝕；管道內(nèi)部有溶解氧、游離的CO2，容易出現(xiàn)氧腐蝕。外力破壞主要包括第三方施工擾動或直接損壞，地下空洞、土體疏松、土地沉降等土體病害，其中施工過程中損壞地下管線已經(jīng)成為近幾年危害地下管線安全運行的重要因素。

2.2 供熱管道隱患類型分析

根據(jù)供熱管道影響因素及事故樹分析，按照隱患的表現(xiàn)形式，可以將供熱管道隱患分為安全距離類隱患、設備設施類隱患、建（構）筑物類隱患及周邊環(huán)境類隱患。其中安全距離類隱患指管道尺寸、覆土深度及其與建（構）筑物或其他設施之間的安全距離方面存在的隱患；設備設施類隱患指管道及其附屬設施（補償器、閥門、支架等）存在的自身結構性隱患；建（構）筑物類隱患指供熱管溝、井室等存在的結構性隱患；外部環(huán)境類隱患指供熱管道周邊存在的施工、土體疏松、地下空洞等外部環(huán)境隱患。供熱管道主要隱患類型，見下表。

3 隱患辨識重點

基于供熱管道運行影響因素分析，并結合管線隱患與事故之間的影響關系，可以從設施、環(huán)境、管理3個方面進一步明確地下管線隱患辨識的重點內(nèi)容，即明確在開展隱患排查時需重點進行隱患辨識的供熱管道。

3.1 設施方面

設施方面的隱患排查內(nèi)容側重于管線本體及附屬設施本身，主要包括：管道本體及附屬設施出現(xiàn)的尚未表現(xiàn)為隱患，但存在轉化為隱患的可能性的問題。如管道處于超期服役狀態(tài)、出現(xiàn)腐蝕跡象、接口出現(xiàn)錯位、同一段管道存在多次搶修或故障處理情況、管道材質(zhì)存在質(zhì)量問題等；敷設于存在可能土體病害區(qū)域的供熱管道，如土體疏松區(qū)域的供熱管道等。

3.2 環(huán)境方面

環(huán)境方面的隱患排查內(nèi)容大體上可分為3類：一是管道周圍土體環(huán)境的影響因素，即需要排查存在地下空洞、地質(zhì)沉降、地下水位變化等區(qū)域的管道；二是外力影響因素，即需要排查周圍有地鐵施工、其他地下管線施工、大型建筑的深挖基坑的管道，或地面有堆砌物、建（構）筑物占壓埋壓，地面交通荷載超過設計標準的管道等；三是不同管線系統(tǒng)間的影響因素，如不符合安全間距的供熱管道，周邊有輸油氣、危險化學品管道的管道，管線交叉區(qū)域或管線密集區(qū)域的管道等。另外，由于供熱管道所處的區(qū)域一定程度上決定了其發(fā)生隱患或事故的影響程度及影響范圍，因此一些重要區(qū)域（如政治敏感區(qū)、重點區(qū)域、重要路段等）的管道應該被列為隱患排查重點。

表 供熱管道隱患列表Tab. Hidden dangers list of heating pipeline

3.3 管理方面

管理方面的隱患排查內(nèi)容主要包括：規(guī)劃設計問題，如標準規(guī)范發(fā)生變化的管道、滿足舊的標準但不滿足新標準的管道、規(guī)劃設計前地質(zhì)勘查不全面的管道等；建設施工問題，如施工回填不實區(qū)域的管道、敷設方式不滿足運行需求的管道等；運行維護問題，如管理缺失的管道、運行工況出現(xiàn)異常的管道等。

通過對供熱管道隱患排查重點進行歸納，可以得出供熱管道隱患辨識重點如下：

（1）供熱管道處于超期服役狀態(tài)。

（2）供熱管道出現(xiàn)水平位移或沉降。

（3）因管道材質(zhì)缺陷導致事故或故障發(fā)生率較高的同一批次的供熱管道。

（4）因施工問題導致事故或故障發(fā)生率較高的同一施工段的供熱管道。

（5）安全評價結果為風險較高的供熱管道。

（6）直埋管道周邊土體腐蝕性較強。

（7）供熱管道與其他管線交叉或處于管線密集區(qū)域。

（8）供熱管道處于特殊、敏感區(qū)域（重點路段、重點區(qū)域）。

（9）供熱管道上方地面或附近安全間距內(nèi)有堆砌物、建（構）筑物占壓。

（10）供熱管道周邊存在輸油氣管道、危險化學品管道。

（11）供熱管道周邊存在鉆探作業(yè)、深基坑開挖施工、盾構施工、頂管施工等活動。

（12）供熱管道位于地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)域（如地質(zhì)沉降區(qū)域、斷裂帶區(qū)域、地下水位變化區(qū)域等）。

（13）不滿足現(xiàn)行標準規(guī)范（包括滿足舊標準規(guī)范但不滿足新標準規(guī)范）的供熱管道。

4 隱患排查工作建議

供熱管道隱患可能由管線自身存在的輕微故障、缺陷或逐漸老化演變形成，也可能由涉及施工、運行過程中的不當操作、不嚴格管理導致，或者由生存環(huán)境中不良影響因素的逐漸作用而形成。且因為管線隱患的隱蔽性極高，難以通過有效的手段直接查找到具體隱患。因此，在隱患排查時應做到全面覆蓋、重點排查，即要綜合考慮管線規(guī)劃、建設、運行等各環(huán)節(jié)可能存在的導致管線隱患的因素，又要重點排查管線本體及附屬設施、管理方面以及環(huán)境方面存在問題時管線的安全狀況，以辨識供熱管道的安全隱患。

在隱患排查方法的選擇方面，應根據(jù)隱患排查人員、設備配置以及需要排查的內(nèi)容等情況，選擇專業(yè)檢測法、對照經(jīng)驗法、現(xiàn)場調(diào)查法、安全檢查表法、資料查閱法等一種或幾種方法的組合。在隱患排查形式的選擇方面，供熱管道除了要定期開展日常隱患排查外，還應在供暖開始前和供暖結束后開展專項隱患排查。

為了更好的支撐隱患排查工作，供熱管道單位還應該及時建立事故及隱患信息數(shù)據(jù)庫，對隱患的發(fā)展變化趨勢、特點及形成原因、關聯(lián)關系等進行數(shù)據(jù)分析，以持續(xù)改進隱患排查的內(nèi)容及方法，支撐供熱管道隱患辨識及評估技術的不斷更新。