淺析油氣管道完整性管理技術(shù)研究與應(yīng)用

王盼鋒 常明亮 陳偉聰 李明德

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司西安設(shè)計(jì)分公司，陜西 西安 710021）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，以及《十四五規(guī)劃綱要》對(duì)能源戰(zhàn)略的要求，2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，加快推進(jìn)能源全產(chǎn)業(yè)鏈自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化升級(jí)，世界油氣能源快速發(fā)展，油氣行業(yè)凸顯出了巨大優(yōu)勢(shì)得以快速發(fā)展［1-3］。2020年以來(lái)全世界受新冠肺炎疫情肆虐，油氣行業(yè)也處于一個(gè)嚴(yán)冬時(shí)期，但是油氣管道建設(shè)卻未停下前進(jìn)的步伐，尤其是2020 年中俄東線的投入使用，使得中國(guó)油氣行業(yè)發(fā)展又向前邁進(jìn)了一步，也再次凸顯出中國(guó)對(duì)天然氣的需求在進(jìn)一步提升中。但是，目前許多現(xiàn)役管道始建于20世紀(jì)80 年代，運(yùn)行年限較長(zhǎng)，管道已進(jìn)入高故障期［4-6］。

在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中油氣管道發(fā)展有著重要的作用，管道的安全管理也同時(shí)成為油氣行業(yè)發(fā)展的核心組成部分。近幾年管道運(yùn)營(yíng)管理者清晰地認(rèn)識(shí)到管道安全管理還有許多的不足，與國(guó)外的先進(jìn)管理模式相比還有較大的提升空間［7］。國(guó)外致力開(kāi)展的完整性管理成為保證管道安全的最佳選擇，也成為國(guó)內(nèi)各管道運(yùn)營(yíng)單位和學(xué)者研究的熱點(diǎn)。各位學(xué)者也相繼研究了基于管道完整性管理的高后果區(qū)分析、風(fēng)險(xiǎn)分析、完整性評(píng)價(jià)等眾多方面的內(nèi)容，同時(shí)也在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管道中有了深入的應(yīng)用［8］。但是較國(guó)外完整性管理技術(shù)，國(guó)內(nèi)還有很大的發(fā)展空間，因此如何建立完善的管道完整性管理體系［9］，執(zhí)行管道完整性管理方案，提高管道完整性評(píng)估技術(shù)，是中國(guó)油氣行業(yè)現(xiàn)階段需要攻堅(jiān)克難的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

1 完整性管理定義與體系

管道完整性PI（Pipeline Integrity）主要是指管道正常操作條件下，管道系統(tǒng)各部分均能滿(mǎn)足運(yùn)行要求，安全、高效、經(jīng)濟(jì)地完成輸送油氣各項(xiàng)性能指標(biāo)的完整程度［10］。管道完整性管理PIM（Pipeline In?tegrity Management）基本思路是調(diào)動(dòng)全部因素來(lái)提高管道安全性，這是一個(gè)與時(shí)俱進(jìn)、動(dòng)態(tài)發(fā)展的連續(xù)管理過(guò)程，因此必須不斷地對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、檢測(cè)、分析、完整性評(píng)價(jià)等完整性管理（圖1）。

圖1 管道完整性管理流程圖

從圖1也可以看出管道完整性管理的5步循環(huán)是管道完整性管理的核心技術(shù)內(nèi)容和關(guān)鍵組成部分，從數(shù)據(jù)角度來(lái)看，這5步循環(huán)完全是以管道完整性數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析、發(fā)布的過(guò)程［11］。數(shù)據(jù)的完整性是管道完整性管理的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性制約完整性管理的結(jié)果，完整性管理必須以數(shù)據(jù)為依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)管道完整性管理的成功實(shí)施。

2 完整性數(shù)據(jù)采集與管理

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是實(shí)施管道完整性管理的第一步，也是最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟，貫穿于整個(gè)完整性管理的全過(guò)程［12-13］。目前油氣行業(yè)的數(shù)據(jù)現(xiàn)狀均存在不完整、不準(zhǔn)確的問(wèn)題，同時(shí)管道數(shù)據(jù)也只是孤立的存在，“信息孤島”較為普遍存在，造成了完整性實(shí)施困難。因此必須對(duì)管道數(shù)據(jù)進(jìn)行全面搜集與分類(lèi)整理，保證數(shù)據(jù)完整性，以滿(mǎn)足管道完整性管理的需要。完整性數(shù)據(jù)采集主要可以分為施工建設(shè)期和運(yùn)行維護(hù)期兩大時(shí)間段的數(shù)據(jù)（表1）。

表1 數(shù)據(jù)收集信息表

2.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息化管理的基石，對(duì)于管道完整性管理來(lái)說(shuō)，目前大量關(guān)鍵的管道完整性與設(shè)備數(shù)據(jù)以各種各樣的方式存在，使得管道管理效率低下，這就需要一種工具將這些數(shù)據(jù)整合起來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)庫(kù)正好能滿(mǎn)足這一要求。管道完整性數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)是沿線管道地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，合理的數(shù)據(jù)架構(gòu)是完整性系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵步驟。數(shù)據(jù)庫(kù)目前最大眾化的采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，即改進(jìn)后的新奧爾良（NewOrleans）方法設(shè)計(jì)（圖2）。

圖2 管道完整性數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)流程圖

管道完整性數(shù)據(jù)庫(kù)是指基于管道完整性數(shù)據(jù)模型，管理管道核心數(shù)據(jù)，把運(yùn)營(yíng)管理中各種數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中高效、合理地組織與存儲(chǔ)，使上層的應(yīng)用程序準(zhǔn)確獲得查詢(xún)將檢索數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為集中統(tǒng)一的、可隨時(shí)隨地利用的知識(shí)信息，從而有效地支撐管道完整性管理應(yīng)用的一種數(shù)據(jù)庫(kù)。管道完整性數(shù)據(jù)庫(kù)采用RDBMS（Oracle）+SDE的方式存儲(chǔ)組織數(shù)據(jù)，管道完整性數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 管道完整性數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 完整性數(shù)據(jù)分析

管道完整性數(shù)據(jù)分析是在管道完整性數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的一系列分析評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)是一切分析評(píng)價(jià)的前提，從完整性管理角度來(lái)看，數(shù)據(jù)分析主要以高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)進(jìn)行，以達(dá)到管道的全生命周期管理。

3.1 高后果區(qū)識(shí)別

高后果區(qū)（HCAs）主要是發(fā)生不可控事故后，造成破壞較大的影響區(qū)域。高后果區(qū)識(shí)別是完整性管理的重要環(huán)節(jié)，是預(yù)測(cè)、預(yù)防事故發(fā)生的重要手段，也可以讓運(yùn)營(yíng)管理者清晰地識(shí)別由于管道發(fā)生危險(xiǎn)而產(chǎn)生嚴(yán)重危害的區(qū)域。高后果區(qū)識(shí)別是完整性管理的基礎(chǔ)，同時(shí)必須對(duì)高后果區(qū)識(shí)別計(jì)劃的內(nèi)容進(jìn)行不定期的更新，不斷更新和刪除數(shù)據(jù)庫(kù)資料。

3.2 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

風(fēng)險(xiǎn)一般是事故發(fā)生的可能性與其后果的綜合。管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要是識(shí)別對(duì)油氣管道平安運(yùn)行有不利影響的破壞因素，評(píng)判事故發(fā)生的可能性與后果，從而綜合管道風(fēng)險(xiǎn)大小，并制定出對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施的一種分析過(guò)程。管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)針對(duì)的主要對(duì)象是管道系統(tǒng)的線路部分，對(duì)于油氣站場(chǎng)一般只是將它視為具有截?cái)喙δ艿拈y門(mén)，在失效后果分析中予以考慮。管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)一般采用如圖4所列流程。

圖4 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程圖

基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程對(duì)高后果區(qū)的失效主要是兩個(gè)方面，管道失效可能性和管道失效后果性。失效可能性主要考慮外腐蝕、內(nèi)腐蝕、第三方損壞、制造與施工缺陷和自然與地質(zhì)災(zāi)害等5大因素，失效后果主要是潛在的人員傷亡、環(huán)境影響、財(cái)產(chǎn)損失和停輸影響等4個(gè)因素。按照表2的風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖將其管道分為四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表2 風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖表

3.3 管道完整性評(píng)價(jià)

在當(dāng)前的天然氣長(zhǎng)輸管道施工與運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中，對(duì)于完整性管理的評(píng)價(jià)手段依然需要加以明確，并且要進(jìn)一步完善完整性管理的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，以保證完整性管理的實(shí)際價(jià)值得以體現(xiàn)。如圖5 所示，推薦了不同類(lèi)型管道的完整性評(píng)價(jià)方法，I類(lèi)管道主要以?xún)?nèi)檢測(cè)為主，Ⅱ類(lèi)管道主要以直接評(píng)價(jià)為主，Ⅲ類(lèi)管道結(jié)合區(qū)域法的理念開(kāi)展直接評(píng)價(jià)。

圖5 各類(lèi)管道完整性評(píng)價(jià)方法圖

管道完整性評(píng)價(jià)一般會(huì)以管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)內(nèi)檢測(cè)等一系列手段發(fā)現(xiàn)管體缺陷（金屬損失、凹陷、外接金屬物等缺陷），以此判別管道金屬材料是否完好，以及對(duì)管道運(yùn)營(yíng)的可靠性和整體安全情況等進(jìn)行全方位分析和評(píng)判的方法。完整性評(píng)價(jià)方法主要有內(nèi)檢測(cè)評(píng)價(jià)法、壓力試驗(yàn)法和直接評(píng)價(jià)法等。各種檢測(cè)方法特點(diǎn)如表3所示。

表3 管道完整性評(píng)價(jià)方法及特點(diǎn)列表

3.4 完整性數(shù)據(jù)的應(yīng)用

在當(dāng)前的天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中，對(duì)于完整性管理的評(píng)價(jià)依然是目前全生命周期管理的重中之重，并且要進(jìn)一步完善完整性管理的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，以保證完整性管理的實(shí)際價(jià)值得以體現(xiàn)。管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是管道完整性管理的最重要部分，因此采用半定量打分的（Kent 法）方法，以某條管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為例說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在完整性數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用。

某管道全長(zhǎng)為276.9 km，管徑為DN600 mm，設(shè)計(jì)壓力為8 MPa，設(shè)計(jì)輸氣能力為730 × 104t／a。根據(jù)管道分段原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、專(zhuān)家意見(jiàn)，將管道劃分為7個(gè)管段，各管段主要情況列入表4。

表4 各管段主要情況列表

通過(guò)實(shí)地踏勘，結(jié)合管道運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用Kent打分法以管段1為例進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)其他幾項(xiàng)指數(shù)進(jìn)行分項(xiàng)評(píng)分后可以得到管段1的各項(xiàng)指數(shù)得分（表5）。

表5 管段1得分表

管段1的風(fēng)險(xiǎn)值可以計(jì)算：

對(duì)每個(gè)管段重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，可以得到此管道的風(fēng)險(xiǎn)分布結(jié)果（圖6）。

圖6 管道風(fēng)險(xiǎn)分布圖

上述計(jì)算的管道風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果，可以看出管段3和管段4屬于高風(fēng)險(xiǎn)管段，因此將上述結(jié)果用于實(shí)際運(yùn)行中，提前加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與管控，制定應(yīng)對(duì)措施，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，為完整性管理提供可靠的方法。

4 結(jié)論與展望

1）針對(duì)目前油氣管道全生命周期管理過(guò)程中存在的問(wèn)題與不足，特別是油氣管線進(jìn)入“老齡期”和總里程不斷增加的現(xiàn)狀，為保障油氣管線的安全、經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行，特提出了一套系統(tǒng)的以預(yù)防為主的管道完整性管理體系。

2）詳細(xì)介紹了管道完整性的基本概念與理論，對(duì)完整性數(shù)據(jù)管理與完整性管理的關(guān)系進(jìn)行了闡述，同時(shí)對(duì)管道完整性數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理的方法、內(nèi)容與步驟進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，為管道完整性管理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和支持。

3）最后通過(guò)實(shí)例和理論介紹了管道完整性系統(tǒng)中用到的一些數(shù)據(jù)分析技術(shù)，著重介紹了管道完整性管理過(guò)程中高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)在數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用，并介紹了基于半定量打分法對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在完整性管理過(guò)程中的實(shí)例，以保證油氣管道安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

4）未來(lái)，中國(guó)管道完整性管理必將以管道本體安全為核心，綜合各類(lèi)技術(shù)手段，全方位實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的高效運(yùn)行與安全管控，以保障能源供給，實(shí)現(xiàn)智能管道，打造智慧管網(wǎng)。