美國水源地旁油氣運輸管道事故分析及啟示

王逍 梁永圖

中國石油大學（北京）

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求量顯著增加。截至2018年12月，全國成品油煉化總產(chǎn)能達8.4×108t，其中“兩桶油”產(chǎn)能4.9×108t，中海油、中國化工、中化、延長等國企產(chǎn)能1.3×108t。隨著對成品油需求量的增加，油氣運輸管網(wǎng)在過去10年間快速發(fā)展。雖然管道運輸是成品油最安全經(jīng)濟的運輸方式，但是事故卻不可避免地時有發(fā)生。成品油輸送管道服役的早期和末期是管道事故的高發(fā)階段，而我國大部分管線均已服役20年以上，正處于管道事故的高發(fā)階段。成品油管道所運輸?shù)氖且兹?、易爆、有毒的介質[1-3]，一旦運輸管道發(fā)生事故，很有可能引起火災、爆炸等嚴重的安全事故，對人民的生命及財產(chǎn)安全造成嚴重后果。成品油具有流動性[4-5]，如果在水源地附近發(fā)生管道事故，會對周邊自然環(huán)境和野生動植物形成巨大的威脅，同時也會對居民飲用水源和生活用水源造成污染和破壞；因此，應該提高對管道安全問題的重視程度。

美國是全球運輸管道技術發(fā)展最快、管道總里程最長、相關技術最為成熟的國家。1865年，美國在賓夕法尼亞州建成第一條原油輸送管道[6]，在之后的一百多年中，美國累計修建了長達數(shù)百萬公里的原油、成品油、天然氣等各類運輸管道。在管道運輸業(yè)高速發(fā)展的同時，也不可避免發(fā)生管道事故。管道事故對國家經(jīng)濟造成巨大損失的同時也給操作人員的生命帶來嚴重的威脅。為此，美國各界均對管道安全給予了高度的重視，并成立管道安全辦公室（OPS）作為美國管道運輸系統(tǒng)的聯(lián)邦管理機構[7]，對能源管道的安全運營進行監(jiān)督和管理，其成品油輸送管道事故的處理及預防領域處于國際領先地位。因此，加強我國管道安全管理，提高管道安全整體水平以及管道事故預防和應急處理等方面，可以借鑒美國等發(fā)達國家在管道安全領域的相關經(jīng)驗及事故處理與預防方法。

本文以美國近期幾起發(fā)生在水源地旁的成品油管道事故作為例子，簡要分析了美國管道運營及環(huán)境保護部門對事故的處理過程并總結了一些經(jīng)驗教訓，為我國成品油管道安全運營以及周邊環(huán)境保護提出建議[8-9]。

1 美國管道安全概況

1.1 管道立法

美國作為目前全球管道運輸業(yè)最發(fā)達的國家，具有十分完善的管道運營安全檢測系統(tǒng)和管道事故處理能力。在安全檢查方面，美國采用監(jiān)督與檢驗一體的機制，由美國管道安全局（OPS）和美國國家運輸部的下屬機構管道與危險品管理局（PHMSA）對美國3 000多家管道運營公司進行安全運營監(jiān)督[10-11]。美國法律部門也對油氣管道的安全運營制定了安全管理監(jiān)督法規(guī)，并建立法律法規(guī)保護油氣運輸管道的安全。立法概況見表1。

表1 美國油氣運輸管道安全立法概況Tab.1 General situation of the safety legislation for US oil and gas transportation pipelines

美國管道公司運營以《管道安全法》作為基本法律準則。1996年更新了《管道安全責任和合作法案》，設立最低安全標準和管道操作人員認證標準[10]。1999年6月10日，美國華盛頓州Bellingham鎮(zhèn)鋼質汽油管道泄漏并發(fā)生燃燒爆炸，造成3人死亡8人受傷。該事件直接促成了《油氣管道安全促進法令》的制定。美國眾議院與參議院在2006對《管道安全法》進行了補充，制定了《管道檢測、保護、執(zhí)法安全法令》，該法律進一步鞏固了美國運輸部管道與危險品管理辦公室的相關權利[12]。目前，該法案于2011年進行了最后一次修改，確定了《管道安全、監(jiān)管確定性和創(chuàng)造就業(yè)法案》，目的在于提高管道安全標準，加大安全監(jiān)管，強化管道安全教育，增加公民知情權[13]。

1.2 管道事故損失

截至2017年，美國共計鋪設440.7×104km的油氣管道。根據(jù)美國管道與危險品管理局（PHMSA）記錄的事故數(shù)據(jù)顯示，自1997年至2017年間，合計發(fā)生管道事故11 459起，共造成323人死亡、1 337人受傷，累計財產(chǎn)損失約350億美元（圖1）。僅2017年就發(fā)生483起事故，造成3人死亡、27人受傷，財產(chǎn)損失達1.1億美元[14]。圖2列舉了自1997年至2017年間美國管道事故發(fā)生次數(shù)。

圖1 美國1997—2017年管道事故累計傷亡人數(shù)統(tǒng)計Fig.1 Cumulative casualties of US pipeline accidents from 1997 to 2017

圖2 PHMSA記錄的美國1997—2017年管道事故統(tǒng)計Fig.2 Records of US pipeline accident statistics from 1997 to 2017 by PHMSA

從圖1、圖2可以看出，管道事故造成了巨大的經(jīng)濟損失。水源地具有特殊自然環(huán)境意義和敏感性，管道事故發(fā)生在水源地旁會對水環(huán)境造成巨大的影響和破壞，并對沿線的土壤和動植物生態(tài)系統(tǒng)形成連鎖反應。僅2014—2017年間，引發(fā)水源地污染和周圍環(huán)境破壞的事故共計37起[15]，產(chǎn)生后續(xù)環(huán)境問題處理時間均達3個月或超過3個月。應對管道事故導致的水源地污染，并針對事故做出及時有效、快速準確的處理方案十分關鍵。

2 事故原因及案例分析

由于管道事故的頻繁發(fā)生，美國政府和民眾也越來越重視管道運營安全。美國管道和危險材料安全局（PHMSA）對各種管道設施進行數(shù)字化技術動態(tài)管理，對管道安全進行全方位的檢測[16]。水源地是寶貴的資源，管道事故對水污染會使本就十分短缺的水資源更加緊張。在水源地旁發(fā)生的油氣管道事故中，引起事故的主要原因包括設備本身的故障因素和外力因素。其中，設備故障主要包括事故性故障和老化性故障；外力因素主要是作用在管道上的外界作用力[17]。針對水源地特殊的自然環(huán)境，管道受力除了來自土壤，還來自于水流和風力以及外界人為施加的作用力，因此管道事故普遍由多種因素共同作用引發(fā)。

2.1 腐蝕

腐蝕破壞是水源地旁油氣管道面臨的一個常見問題，也是引發(fā)油氣運輸管道事故的一項重要原因。近20年來，危險液體運輸管道事故中由腐蝕引起的事故占比為22.8%，重大管道事故中由腐蝕引起的占比為24.3%。例如，2015年5月19日晚，美國平原管道公司1條位于加利福尼亞州圣巴巴拉以西約20 mile（1 mile=1.69 km）處的原油管道發(fā)生破裂泄漏事故[18]，沿海岸線約有20 mile的海面遭到污染并出現(xiàn)明顯的浮油層。據(jù)事故報告統(tǒng)計，泄漏約11×104gal（1 gal=3.785 L）的原油，其中約有21 000 gal原油通過地下土壤涵洞滲透流入太平洋。在平原管道公司后續(xù)的事故報告中顯示，管道泄漏原因為管道發(fā)生嚴重的內(nèi)腐蝕。泄漏事故發(fā)生時，平原管道公司操作部門并未及時根據(jù)事故情況作出應急反應，導致相關泵站沒有及時停泵從而使事故加劇。加利福尼亞州漁業(yè)和野生動物保護部門派出3艘船只進行海面溢油收集，并派出6艘船只部署圍欄油。事故造成221只海鳥及138只海洋哺乳動物死亡，平原管道公司在本次事故中約損失1.5億美元。事后，美國平原管道公司遭到起訴，指控中包括涉嫌制造重大石油泄漏事件等46起刑事指控。

2017年6月22日，美國得克薩斯州布拉佐里亞瓊斯河流域附近1條輸油管道，由于管道內(nèi)腐蝕原因泄漏約75 bbl（1 bbl=0.159 m3）成品油，造成94 000美元的經(jīng)濟損失；2015年10月22日，1條位于得克薩斯州加爾維斯頓的輸油管道，由于內(nèi)腐蝕原因泄漏約100 bbl成品油，造成約35萬美元的經(jīng)濟損失；2015年8月1日，美國得克薩斯州布拉佐里亞港口附近1條成品油管道，由于管道內(nèi)腐蝕原因發(fā)生泄漏約300 bbl成品油，造成40萬美元的經(jīng)濟損失。

與常規(guī)土壤環(huán)境相比，水源地周邊土壤含水率較高，水中溶解的金屬離子以及溶解的氧氣含量也較高，相比于干燥的內(nèi)陸土壤環(huán)境更易發(fā)生吸氧腐蝕與雜散電流腐蝕[19]。腐蝕過程會引起管壁位置的局部破壞，導致硫酸鹽還原菌等細菌在發(fā)生腐蝕處大量繁殖；同時菌落還會附著在管道表面，造成金屬表面缺氧，形成差異充電電池的陽極加速了腐蝕。檢測油品對地下水污染的情況可以采用檢測井法，在泄漏污染區(qū)域及檢測區(qū)域各布置4至5個監(jiān)測井，保持每月均有樣本采集檢測以判斷污染情況[20-21]。

2.2 設備故障/材料失效

目前，國內(nèi)外普遍使用鋼材作為成品油運輸管道的主要材料，鋼材中的化學組成成分、冶煉過程中存在的內(nèi)部殘留應力、材料內(nèi)的夾雜物等原因，會使管道長時間運行后出現(xiàn)疲勞裂紋、偏載、斷裂等失效現(xiàn)象[22]。危險液體運輸管道事故中由設備故障或材料失效引發(fā)的事故比例為40.5%，重大安全事故中由材料失效引發(fā)的事故占比為26.9%[23]。例如，2014年12月9日美國東部時間7時40分，PPL管道公司確認位于安德森縣貝爾頓西北約90 mile處1條直徑26 in（1 in=25.4 mm）鋼制輸油管道發(fā)生泄漏事故[24]。現(xiàn)場泄漏約2 500 gal汽油，總計汽油泄漏量約8 000 gal。泄漏的汽油流入布朗河的支流中，周邊植被遭到破壞，大量魚類死亡[25]。根據(jù)提交的報告顯示，從泄漏位置處切割取樣的A型套管進行冶金分析發(fā)現(xiàn)，用于填充套管下部凹槽位置的填充材料存在質量問題，從而引起套管失效。事后，OPS南區(qū)要求PPL管道公司將管道配件評估修補計劃形成書面文件并提交審核。PPL數(shù)據(jù)分析師對291個鋼制套管（240個A型套管和51個B型套管）進行分析，并根據(jù)套管的安裝日期對其進行修理或加固。當?shù)丨h(huán)保部門對布朗河被污染的支流進行長期水質和空氣質量的檢測，在被污染河流上設置不透水的圍油欄阻止污染擴散，并在該地區(qū)設置71個地下水檢測井、15口回收井和2條回流渠以對水質和周邊環(huán)境進行檢測治理。

2017年8月31日，美國田納西州加萊納市哈里斯縣的1條輸油管道，由于螺紋連接處失效泄漏約800 bbl成品油并造成72萬美元的損失；2017年3月29日，美國俄克拉荷馬州庫欣市林肯縣的油氣運輸管道，由于焊接接口失效導致1 070 bbl油品溢出，造成約16萬美元的損失；2013年10月1日，美國得克薩斯州奧德薩市的1條成品油管道由于套管松動造成油品外泄，導致約5萬美元的損失。

根據(jù)EGIG（歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)組織）記錄的事故統(tǒng)計顯示，1963年前建成的油氣輸送管道由于施工技術落后和材料質量問題事故率較高，每公里每年平均發(fā)生事故0.15～0.2次。近年來隨著施工技術的改進和鋼材質量的提高，事故率降低至每公里每年平均發(fā)生事故0.04次[26]。國內(nèi)外管道事故中由于管道施工技術落后和材料質量問題而引發(fā)的事故比例都很高，近年來隨著管道施工技術和材料質量的提高，管道事故率顯著下降。但在現(xiàn)場施工過程中由于復雜的外界條件和技術限制，如管道的焊接缺陷、劃傷、凹陷等原因所引發(fā)的管道泄漏事故依然會發(fā)生。

2.3 第三方破壞

水源地旁油氣管道的第三方破壞主要包括違法偷油盜油、近河岸（海岸）的工程施工、岸邊落物沖擊等。近20年來的管道泄漏事故中，由其他外力損傷和自然災害等引起的管道事故占比為16.4%，重大管道安全事故中占比為23.8%。由于水源地周邊環(huán)境復雜程度遠遠大于內(nèi)陸和海洋，不易設置管道警示標識，更易發(fā)生第三方破壞事故。例如，2015年10月21日美國東部時間凌晨3點左右，美國賓夕法尼亞州萊科明縣的1條汽油輸送管道發(fā)生破裂泄漏事故，導致近55 000 gal的汽油泄漏并流入薩斯奎哈納河流域。管道運營公司檢測到管線運行壓力下降后立刻停止了管道的運行并密封管道兩端，拆卸事故處80 ft（1 ft=30.48 cm）長的管道進行更換維修[27]。事故報告顯示，其主要原因是短時間內(nèi)的大量降雨導致河流水位迅速上漲，引發(fā)山體滑坡和河床侵蝕擠壓，致使管道局部變形而引起破損泄漏[28]。賓夕法尼亞州環(huán)境保護署（DEP）在河流污染處部署撇油器和吊臂等設備進行殘留汽油清理工作，同時對空氣和水源質量進行長期檢測并修復受損的河岸。

2017年1月30日，得克薩斯州安娜市柯林縣1條成品油管道，由于第三方挖掘破壞造成5 000 bbl成品油泄漏，導致約240萬美元的經(jīng)濟損失；2016年10月23日，俄克拉荷馬州庫欣市佩恩縣1條成品油管道，由于某工程施工中的開挖破壞引發(fā)約7 500 bbl油品泄漏，造成約780萬美元的損失。

相比于美國，我國經(jīng)常會發(fā)生如打孔盜油等人為破壞事故。例如，2012年2月8日，山東省濟南市成品油管道由于盜孔破裂發(fā)生油品滲漏，防污搶修及回填工作共進行5 h。

在水源地旁，由于社會環(huán)境與公共關系指標系數(shù)很高，泄漏擴散系數(shù)又很大，故因第三方破壞而引發(fā)的管道泄漏事故對環(huán)境的影響極大。除去施工和開挖破壞等原因，水源地旁還存在難以設置警示標志導致誤操作破壞管道的問題。此外，在漁業(yè)作業(yè)中如漁網(wǎng)、船錨、鉸鏈等用具對管道的纏繞、撞擊、刮碰等損害，也易造成管道泄漏事故。

3 對我國管道安全的啟示

近年來，隨著我國管道技術快速發(fā)展，管道與水源地的交匯也越來越多，水源地旁油氣管道事故發(fā)生也越來越頻繁[29]。為減少管道泄漏事故及其造成的財產(chǎn)損失和環(huán)境污染，不僅需要管道運營公司在工程方面加強對管道自身事故的預防與現(xiàn)場安全的檢測，而且需要國家針對水源地旁如何鋪設油氣運輸管道作出相應的法律法規(guī)約束。

3.1 管道工程要求

輸油管道泄漏對周圍環(huán)境的影響區(qū)域一般為兩側各200 m。由于水源地受暴雨或河流汛期等自然災害影響較大，故管道事故具有突發(fā)性和難以預測性。相對于內(nèi)陸管道，水源地旁的管道更易發(fā)生事故；因此，在水源地旁的管道及穿越河流的管道應當針對第三方破壞、沖刷懸空、管道腐蝕、自然災害等原因提出相應的事故決策方案和預防措施。管道腐蝕難以控制與避免，降低水源地旁管道泄漏事故的發(fā)生，除了選用合適的防腐層材料、定期更換金屬陽極之外，還需加強防腐層及管道的完整性檢測[30]。利用現(xiàn)有技術如超聲波法、渦流檢測技術、聲發(fā)射技術等，盡力消除腐蝕形成和管道損傷。同時，應加強對腐蝕檢測、腐蝕防護以及耐腐蝕管道材料的開發(fā)研究，提高我國水源地旁管道鋪設現(xiàn)場的管理標準以及事故應急處理水平。為降低管道第三方破壞風險，可以從加強管道的強度設計和監(jiān)管力度等管道建設安全問題上著手，在管道鋪設區(qū)域設置管道警示標志并規(guī)范捕魚作業(yè)范圍和力度，加強管道巡查力度。針對打孔盜油事件則需要加強管道安全性和完整性的評估和監(jiān)控，建立符合我國客觀實際情況的風險評估模型，提高分析檢測水平[31]。

此外，應當在管道工程項目前期規(guī)劃階段，針對與管道相交互的河流、水庫、下水道等其他公共設施和基礎設施等進行慎重的考慮和分析?？紤]所處地形的特殊性，應向政府行業(yè)管理部門、管道保護部門報告存在的風險問題和潛在的威脅，定期安排人員巡查管道運行安全情況；尤其雨季更應增加安全巡線的頻率，發(fā)現(xiàn)安全隱患立刻向有關部門報告，盡早處理險情。

3.2 管道立法規(guī)定

針對油氣輸送管道如何在水源地旁安全運行及其事故處理，美國與我國均作出了立法規(guī)定。相比于美國在1969年頒布的《管道安全法》，我國于1989年出臺有關《石油天然氣管道保護條例》。同年我國出臺的《環(huán)境保護法》提出，在風景名勝區(qū)、自然保護區(qū)和其他需要特別保護的區(qū)域內(nèi)，不得建設污染環(huán)境的工業(yè)生產(chǎn)設施，建設其他設施其污染物排放不得超過規(guī)定的排放標準。針對油氣集輸管道通過水源保護區(qū)、生態(tài)自然保護區(qū)、林地及森林公園、風景名勝區(qū)等敏感性地域提出了相關的規(guī)定和要求：

（1）飲用水水源地原則上禁止油氣管道穿越，取得有關主管部門的批準，經(jīng)過充分論證后，采取嚴格的環(huán)保措施，加強風險控制可以穿越。

（2）自然保護區(qū)核心區(qū)和緩沖區(qū)范圍內(nèi)原則上禁止油氣輸送管道穿越，確實難以避讓的，應在調整自然保護區(qū)功能區(qū)劃以后實施穿越。

（3）林地穿越不存在法律上的障礙，但應按有關規(guī)定辦理占用征用林地手續(xù)。涉及到森林公園時，原則上禁止從珍貴景物、重要景點和核心景區(qū)范圍穿越，但通過開展論證，取得有關主管部門的批準后有穿越的案例。

從上述幾起事故的處理過程中可以看出，美國管道運營商以及環(huán)境保護部門在事故發(fā)生后積極響應，快速處理。而我國目前尚未建立管道安全檢測以及事故應急處理部門；因此，在吸收美國對管道事故處理的經(jīng)驗基礎上，結合我國的國情，進一步完善管道安全管理運營模式。

4 結論

針對美國水源地旁油氣管道事故應對措施的分析，可以總結如下：

（1）美國建立了完善的管道運營數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，并在PHMSA網(wǎng)站記錄管道事故報告以及操作員信息，這些基礎的信息數(shù)據(jù)為美國油氣管道安全管理和運營提供了足夠的技術支持。我國在這些方面尚未建立完善的全面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，管道事故的基礎數(shù)據(jù)嚴重缺乏。

（2）美國的管道完整性管理工作已經(jīng)取得了良好的效果，并從管道泄漏事故中吸取教訓，在設立法律法規(guī)進行安全監(jiān)管的同時采取嚴格的懲罰措施。相比之下我國目前管道完整性管理工作正處于起步階段，缺少必要的標準和數(shù)據(jù)支撐。同時我國部分地方政府和企業(yè)對管道事故隱瞞，安全監(jiān)管部門檢查不夠徹底，有關法律法規(guī)尚不完善，事故處罰力度和責任追究力度仍有待提高。

（3）在水源地附近發(fā)生管道泄漏污染水源事故后，美國環(huán)境保護署等機構聯(lián)合管道運營部門快速部署專業(yè)設施進行環(huán)境搶救及采取安全補救措施，并進行長期水源質量和空氣質量監(jiān)督管理。相比之下我國在事故處理上仍然沒有做到相關部門協(xié)調聯(lián)動，對事故的處理以及后期監(jiān)管沒有做到嚴格把控。