天然氣管道失效致因與事故鏈模型研究*

李新宏 張毅 韓子月 樊恒 楊尚諭 李麗鋒 王建軍

1西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院

2西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院

3石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

管道是天然氣的主要輸送方式，西氣東輸、忠武管道、川氣東送和陜京輸氣管道等已成為保障我國(guó)能源持續(xù)供應(yīng)的支柱力量[1]。然而隨著天然氣管道服役年限的增長(zhǎng)，管道脆弱性也隨之增加，容易受到外界因素干擾而發(fā)生事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果。天然氣管道事故涉及一系列誘發(fā)因素，多因素耦合作用下的天然氣管道事故災(zāi)變過(guò)程較為復(fù)雜。因此，開(kāi)展天然氣管道事故致因分析并探討事故災(zāi)變演化模式具有重要意義。

PAPADAKIS 等[2]通過(guò)分析油氣管道事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)比不同地域管道重大事故特征；狄彥等[3]通過(guò)對(duì)比各國(guó)油氣管道事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并根據(jù)我國(guó)新老管道事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，指出我國(guó)現(xiàn)階段管道事故管理的不足；梁偉等[4]通過(guò)識(shí)別天然氣管道事故的原因，采用蝴蝶結(jié)模型與風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法評(píng)價(jià)管道綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；梁永寬等[5]統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)近10 年公開(kāi)報(bào)道的管道安全事故，分析得出引起管道事故的主要原因；GONG 等[6]基于STAMP 方法分析東黃輸油管道泄漏爆炸事故致因；LAM CHIO 等[7]基于PHMSA 數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)2002—2013 年間美國(guó)輸氣管道里程及事故，分析得出美國(guó)陸上輸氣管道主要故障模式和失效率；BUBBICO 等[8]建立陸上長(zhǎng)輸管道事故數(shù)據(jù)庫(kù)，評(píng)估不同介質(zhì)輸送管道失效事件的發(fā)生概率。

盡管國(guó)內(nèi)外在天然氣管道事故致因與災(zāi)變模式方面已開(kāi)展較多研究，但目前尚未有根據(jù)最新管道數(shù)據(jù)進(jìn)行管道致因分析方面的研究報(bào)道。此外，現(xiàn)有研究欠缺在事故致因分析的基礎(chǔ)上揭示管道事故演變過(guò)程。災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚撝饕獜臑?zāi)害形成和發(fā)生視角表達(dá)災(zāi)害演化過(guò)程，被廣泛應(yīng)用于事故災(zāi)害過(guò)程分析與防控方面[9-10]。本文擬通過(guò)分析歐洲與國(guó)內(nèi)天然氣管道事故數(shù)據(jù)，識(shí)別管道事故致因類型，并計(jì)算管道失效率。在此基礎(chǔ)上，采用災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚搶?duì)天然氣管道事故災(zāi)變演化過(guò)程進(jìn)行分析，從而為我國(guó)天然氣管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管控提供參考。

1 歐洲天然氣管道事故分析

根據(jù)歐洲陸上天然氣管道數(shù)據(jù)組織EGIG 統(tǒng)計(jì)，目前歐洲天然氣管道總長(zhǎng)達(dá)到142 794 km。圖1 為歐洲天然氣管道總長(zhǎng)度與事故總數(shù)之間的關(guān)系，歐洲天然氣管道總長(zhǎng)度在2007—2011 年處于上升階段，其中2010—2011 年漲幅較大，而2011年后呈現(xiàn)出平穩(wěn)狀態(tài)，2015 年有小幅下降，說(shuō)明2011 年后，歐洲天然氣管道整體運(yùn)營(yíng)狀況良好，絕大多數(shù)管道仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)。2007—2016年間，歐洲天然氣管道共發(fā)生208 起事故，其中2009 年和2015 年發(fā)生事故最多，達(dá)到28 起，從而也導(dǎo)致2015 年天然氣管道總長(zhǎng)有小幅下降。2014年歐洲天然氣管道發(fā)生17 起事故，為10 年中最少。2007—2016 年間，歐洲天然氣管道事故數(shù)量波動(dòng)較大，但都處于30 起以下。說(shuō)明歐洲已形成較為成熟的天然氣管道安全管理機(jī)制，可以較好地控制天然氣管道事故發(fā)生率，但仍需加強(qiáng)隱患監(jiān)管，進(jìn)一步降低并控制事故發(fā)生率。

圖1 2007—2016 年歐洲天然氣管道總長(zhǎng)和事故總數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of total natural gas pipeline length and total number of accidents in Europe from 2007 to 2016

天然氣管道事故致因主要包括5 個(gè)方面：第三方破壞、腐蝕、施工缺陷/材料失效、錯(cuò)誤帶壓開(kāi)孔、地面運(yùn)動(dòng)，事故原因類型占比如圖2 所示。2007—2016 年歐洲天然氣管道事故原因占比最多為第三方破壞（占28.37%）。受覆土過(guò)淺、早期管網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理、埋設(shè)情況不清等因素影響，天然氣管道受第三方施工破壞最為頻繁；且由于天然氣管道在城市發(fā)展過(guò)程中不可或缺的經(jīng)濟(jì)地位，恐怖分子也通過(guò)對(duì)天然氣管道破壞來(lái)阻礙城市建設(shè)。2007—2016 年歐洲天然氣管道事故原因占比第二的是腐蝕（占25%），原因在于歐洲天然氣管道建設(shè)時(shí)間較早，天然氣管道長(zhǎng)期用于內(nèi)部運(yùn)輸，在介質(zhì)所含雜質(zhì)以及外部土壤酸堿度、溫度、濕度等因素的耦合作用下，造成內(nèi)、外腐蝕嚴(yán)重，對(duì)管道零部件造成影響，從而導(dǎo)致管道泄漏事故。

圖2 2007—2016 年歐洲天然氣管道事故原因類型占比統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics on the types of causes of natural gas pipeline accidents in Europe from 2007 to 2016

EGIG 將管道失效率定義為事故次數(shù)除以風(fēng)險(xiǎn)暴露值，其中風(fēng)險(xiǎn)暴露值是指管道總長(zhǎng)度乘以管道運(yùn)行時(shí)間。同時(shí)，為了闡明管道失效率變化趨勢(shì)，EGIG 定義了5 年平均失效率，通過(guò)前5 年（包括該年）時(shí)間內(nèi)的整體平均失效率，反映5 年內(nèi)單位時(shí)間單位管長(zhǎng)的管道事故數(shù)。根據(jù)EGIG 統(tǒng)計(jì)，在2007—2016 年間，天然氣管道由于以上6 種事故原因?qū)е鹿艿赖氖逝c5 年平均失效率如表1 和圖3 所示。

表1 2007—2016年不同原因?qū)е職W洲天然氣管道的失效頻率Tab.1 Failure frequency of European natural gas pipeline caused by different accident causes from 2007 to 2016

圖3 2007—2016 年歐洲天然氣管道不同事故原因?qū)е碌墓艿榔骄蔉ig.3 Average failure frequency of natural gas pipeline caused by different accident causations in Europe from 2007 to 2016

從圖3 可知，由第三方破壞導(dǎo)致的天然氣管道失效率與5 年平均失效率最大，但整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明在2007—2016 年間，歐洲在管道第三方施工以及管道安全管理方面已逐漸成熟。2011 年以前，天然氣管道因腐蝕而導(dǎo)致失效呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明腐蝕對(duì)于管道影響是長(zhǎng)期的過(guò)程，短時(shí)間的影響并未造成嚴(yán)重?fù)p失，所以沒(méi)有引起相關(guān)運(yùn)營(yíng)商重視。隨著腐蝕對(duì)管道損壞嚴(yán)重度加重，運(yùn)營(yíng)商對(duì)于管道腐蝕的治理力度開(kāi)始增強(qiáng)，使腐蝕導(dǎo)致的管道失效率在2012 年開(kāi)始下降。因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注易腐蝕老化管道，對(duì)其進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)、維修和更換。

通過(guò)對(duì)天然氣管道事故分析可知，并非所有泄漏都會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此可依據(jù)泄漏尺寸將管道泄漏事故分成三種情形，分別是穿孔、裂紋以及斷裂。圖4 為2007—2016 年歐洲天然氣管道失效頻率與事故原因、不同泄漏尺寸的關(guān)系?？梢钥闯?，不同的事故原因類型會(huì)使管道造成不同程度的泄漏。第三方破壞由于施工類型復(fù)雜，會(huì)造成管道不同程度的泄漏，但主要集中在裂紋以及穿孔；腐蝕以及施工缺陷/材料失效導(dǎo)致泄漏是由于管道內(nèi)部介質(zhì)含有雜質(zhì)，土壤長(zhǎng)期對(duì)管道作用以及設(shè)計(jì)施工缺陷導(dǎo)致管壁脆弱，逐漸形成裂紋。據(jù)此可根據(jù)不同事故類型所導(dǎo)致不同泄漏程度進(jìn)行針對(duì)性修復(fù)，提高管道維修質(zhì)量及效率。

圖4 2007—2016 年歐洲天然氣管道不同泄漏尺寸下各種原因類型的失效率Fig.4 Failure frequency of various accidents causes under different leak sizes of European natural gas pipelines from 2007 to 2016

2 國(guó)內(nèi)天然氣管道事故分析

近年來(lái)，我國(guó)天然氣管道運(yùn)輸業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展，與此同時(shí)，天然氣管道的運(yùn)行安全受到了廣泛的關(guān)注。我國(guó)天然氣管道直接失效原因主要集中在施工破壞、蓄意破壞、腐蝕老化、地質(zhì)災(zāi)害、施工/材料缺陷、誤操作6 種類型。對(duì)2007 年至今我國(guó)所報(bào)道主要典型的天然氣管道事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，部分典型事故案例如表2 所示。

對(duì)國(guó)內(nèi)天然氣管道事故進(jìn)行分析，事故原因占比如圖5所示。我國(guó)天然氣管道泄漏事故原因主要類型為施工破壞、蓄意破壞以及腐蝕老化。其中施工破壞和蓄意破壞都屬于管道第三方破壞范疇，共占比50%以上，究其原因是由于第三方在管道周圍進(jìn)行施工時(shí)對(duì)地下天然氣管道鋪設(shè)情況缺乏了解，盲目施工最終導(dǎo)致管道泄漏事故；此外，天然氣管道因運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、零部件老化、土壤內(nèi)酸堿度不平衡以及溫度和濕度等因素是造成管道腐蝕的主要原因。

圖5 國(guó)內(nèi)天然氣管道泄漏原因分布Fig.5 Distribution of natural gas pipeline leak causes in China

3 典型天然氣管道重大事故災(zāi)變分析

3.1 鏈?zhǔn)綖?zāi)變模型

災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚撜J(rèn)為災(zāi)變是由物質(zhì)、能量等信息形式的載體進(jìn)行具有延續(xù)性的演化過(guò)程，具有鏈?zhǔn)降囊?guī)律性，因此，災(zāi)變過(guò)程可以用鏈?zhǔn)疥P(guān)系進(jìn)行表征[9]。災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ透鶕?jù)事故發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)階段，分別為孕育階段、潛存階段和誘發(fā)階段。孕育階段作為災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ偷某跗?，物質(zhì)和能量都處于集聚和耦合的過(guò)程，尚未形成較大的破壞力；當(dāng)物質(zhì)和能量集聚到一定程度，儲(chǔ)存大量能量的系統(tǒng)已形成較大破壞力，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入潛存階段；一旦事故誘因形成，災(zāi)變進(jìn)入最后的誘發(fā)階段，系統(tǒng)將迅速釋放出巨大能量，對(duì)周邊人員環(huán)境造成較大的破壞，進(jìn)而引起事故發(fā)生?；谏鲜鍪鹿手乱蝾愋徒y(tǒng)計(jì)，運(yùn)用災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摌?gòu)建天然氣管道事故災(zāi)變模型，分析天然氣管道事故的發(fā)展過(guò)程。

表2 我國(guó)2007 年至今所報(bào)道的天然氣管道事故(部分)Tab.2 Natural gas pipeline accidents reported in China since 2007（part）

基于災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摌?gòu)建的天然氣管道事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ腿鐖D6 所示。天然氣管道事故致因如蓄意破壞、施工破壞、腐蝕老化等作為災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ椭械闹聻?zāi)環(huán)，受這些因素影響管道本體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或者缺陷，但處于仍未發(fā)生的狀態(tài)，此時(shí)認(rèn)為天然氣管道事故處于災(zāi)變鏈的孕育階段。隨著天然氣管道運(yùn)行時(shí)間不斷增加，由環(huán)境因素、管理因素和人為因素等對(duì)管道造成的安全隱患導(dǎo)致災(zāi)變鏈中危險(xiǎn)能量逐漸集聚，進(jìn)而使得管道周邊環(huán)境遭到破壞，管道自身脆弱性變大，此時(shí)管道事故狀態(tài)進(jìn)入災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ偷募ぐl(fā)環(huán)，處于災(zāi)變潛存階段。管道周邊環(huán)境以及自身脆弱性的改變會(huì)使管道由于人為破壞或隨時(shí)間的積累進(jìn)一步遭到破壞，發(fā)生穿孔、裂紋、斷裂造成天然氣泄漏。此時(shí)若遇到點(diǎn)火源極可能發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，造成人員傷亡或環(huán)境破壞。

根據(jù)災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ?，天然氣管道事故?zāi)害處于孕育階段時(shí)能量最少，為減災(zāi)斷鏈的最佳時(shí)間節(jié)點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)注重于危險(xiǎn)隱患監(jiān)測(cè)預(yù)警，及時(shí)切斷危險(xiǎn)因素蔓延和發(fā)展途徑。當(dāng)處于危險(xiǎn)因素潛存階段時(shí)，對(duì)于管道環(huán)境以及管體本身?yè)p壞的激發(fā)環(huán)應(yīng)致力于環(huán)境改善以及管道自身檢查維護(hù)工作，加強(qiáng)自身對(duì)災(zāi)害的防御能力；對(duì)于已經(jīng)造成管道穿孔、裂縫或斷裂的損壞環(huán)應(yīng)做好排查工作，及時(shí)對(duì)損壞管段進(jìn)行維修，避免造成更嚴(yán)重的后果；在危險(xiǎn)因素誘發(fā)階段，應(yīng)及時(shí)對(duì)火源進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，當(dāng)發(fā)生事故后，快速地對(duì)事故作出應(yīng)急響應(yīng)，控制事故發(fā)展態(tài)勢(shì)，通過(guò)對(duì)各個(gè)階段危險(xiǎn)因素的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管道事故的斷鏈減災(zāi)處理。以下將運(yùn)用災(zāi)變鏈模型對(duì)四川“1.20”輸氣站天然氣管道泄漏燃燒爆炸事故進(jìn)行討論。

3.2 事故災(zāi)變演化

2006 年1 月20 日，四川省中石油西南油氣田分公司仁壽縣富加輸氣站Φ720 mm 輸氣管道發(fā)生天然氣泄漏爆燃事故，燃燒持續(xù)5 h 23 min，共造成10 人死亡，3 人重傷，47 人輕傷，526 戶房屋受損，27 戶房屋損毀，事故波及人數(shù)達(dá)1 837 人?；谑鹿收{(diào)查報(bào)告構(gòu)建的事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ腿鐖D7 所示。

圖6 天然氣管道事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ虵ig.6 Natural gas pipeline catastrophic chain model

運(yùn)用災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚?，?duì)四川“1.20”輸氣站天然氣管道泄漏爆燃事故進(jìn)行分析。該天然氣管道事故過(guò)程包括三個(gè)階段：①孕育階段為輸氣站天然氣管道由于焊接缺陷并且在管內(nèi)壓力的作用下出現(xiàn)裂紋，同時(shí)因?yàn)楣艿澜ㄔO(shè)時(shí)間較早，運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，管材疲勞受損嚴(yán)重，加之運(yùn)行期間壓力頻繁變化導(dǎo)致管內(nèi)局部產(chǎn)生金屬疲勞，且在建設(shè)期間防腐工藝落后，管內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間輸送的含硫濕氣導(dǎo)致天然氣中攜帶硫化亞鐵造成管內(nèi)嚴(yán)重腐蝕；②潛存階段是由于企業(yè)安全管理能力薄弱，未進(jìn)行及時(shí)的隱患排查，導(dǎo)致危險(xiǎn)因素未能及時(shí)清除，隨著時(shí)間的積累導(dǎo)致天然氣管道裂紋加深，腐蝕嚴(yán)重最終導(dǎo)致天然氣管道泄漏；③誘發(fā)階段是在天然氣管道泄漏后，由于天然氣內(nèi)攜帶硫化亞鐵，硫化亞鐵自燃后導(dǎo)致天然氣與空氣混合形成的易燃易爆氣體達(dá)到爆炸極限后發(fā)生一次爆炸，同時(shí)在一次爆炸后，使天然氣產(chǎn)生相對(duì)負(fù)壓，造成部分高熱空氣迅速回流至管內(nèi)與天然氣混合在管內(nèi)密閉空間中形成易爆氣體，從而發(fā)生第二次爆炸和第三次爆炸。在發(fā)生爆炸后，由于企業(yè)安全意識(shí)淡薄，員工缺乏應(yīng)有的應(yīng)急逃生能力，且城市發(fā)展建設(shè)需要，沒(méi)有做好合理規(guī)劃布局，導(dǎo)致輸氣站周圍有大量建筑物，沒(méi)有合理的安全逃生通道，最終造成嚴(yán)重的人員傷亡。

圖7 四川“1.20”天然氣管道泄漏爆炸事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ虵ig.7 Catastrophic chain model of"1.20" natural gas pipeline leakage and explosion accident in Sichuan

基于我國(guó)天然氣管道泄漏事故致因與事故災(zāi)變鏈?zhǔn)侥Ｐ头治?，可以通過(guò)對(duì)主要事故致因管理與災(zāi)變模型中關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制來(lái)達(dá)到預(yù)防事故發(fā)生的目的。在主要事故致因管理方面，應(yīng)完善相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系；落實(shí)施工責(zé)任主體，加強(qiáng)對(duì)施工單位資質(zhì)審查、施工單位違章施工以及打孔盜氣等查懲力度[11]。在地下埋有管道的地點(diǎn)設(shè)置警示標(biāo)識(shí)，施工單位在作業(yè)前及時(shí)與市政相關(guān)部門溝通，制定合理的施工方案，避免在施工過(guò)程中對(duì)管道造成損壞；對(duì)公眾開(kāi)展安全教育宣傳活動(dòng)，提高公民安全意識(shí)，減少因經(jīng)濟(jì)利益而進(jìn)行管道破壞等行為；及時(shí)進(jìn)行管道外部防腐處理；提升設(shè)備維修工藝技術(shù)，減少誤操作而造成的管道損壞。在災(zāi)變模型關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制方面，對(duì)于因環(huán)境因素、設(shè)備因素、管理因素、人為因素造成的致災(zāi)環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)注重早期對(duì)危險(xiǎn)有害因素的監(jiān)控預(yù)警[12]；對(duì)于因?yàn)闀r(shí)間積累和人為干擾導(dǎo)致管道周邊環(huán)境以及管體本身脆弱性增強(qiáng)，進(jìn)而造成管道出現(xiàn)不同程度損傷的激發(fā)環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)于管線的巡檢力度，做好隱患排查工作，控制風(fēng)險(xiǎn)因素突變，對(duì)管道進(jìn)行及時(shí)維修和更換；此外，對(duì)已經(jīng)造成管道泄漏或發(fā)生火災(zāi)爆炸的損壞環(huán)節(jié)，應(yīng)對(duì)加強(qiáng)誘發(fā)事故的危險(xiǎn)源有效控制，嚴(yán)格按照應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)，控制事故擴(kuò)大，減少事故造成的人員、經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)分析歐洲與國(guó)內(nèi)天然氣管道事故數(shù)據(jù)，梳理天然氣管道的主要事故致因類型主要包括第三方破壞、腐蝕老化、地質(zhì)災(zāi)害、施工/材料缺陷和誤操作5 個(gè)方面，其中導(dǎo)致天然氣管道事故占比最高的因素為第三方破壞。第三方破壞導(dǎo)致的歐洲天然氣管道失效率與5 年平均失效率最大，但整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（2）構(gòu)建天然氣管道事故災(zāi)變模型，從孕育、潛存和誘發(fā)三個(gè)階段揭示天然氣管道事故的形成過(guò)程，得到事故演變每個(gè)階段的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，并從事故致因管理與鏈?zhǔn)綖?zāi)變過(guò)程關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制的視角提出天然氣管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管控策略，為天然氣管道事故風(fēng)險(xiǎn)防控提供支持。