美國天然氣輸送管道失效事故深度分析

李為衛(wèi)，黃永場 編譯

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2.西安石油大學 陜西 西安 710065)

0 引 言

在美國，天然氣主要用作燃料和化工原料。據(jù)預測，到2040年，美國能源消費的30%將來自天然氣，高于2018年的28%。據(jù)美國能源信息署(EIA)統(tǒng)計，自2010年以來，天然氣消費量增長了12.5%，達到27.5×1012ft3(1 ft=0.304 8 m)，而2000年為23.3×1012ft3。

管道是天然氣輸送的主要方式。天然氣管道一般分為兩大類，即輸送(Transmission)管道和分輸(Distribution)管道。輸送管道一般是大直徑管道，運行壓力較高，在州、縣、市、鎮(zhèn)之間輸送天然氣。分輸管道通常是較小直徑的管道，在較低壓力下運行，將天然氣直接輸送至當?shù)丶彝ズ推髽I(yè)。美國管道與危險品管理局(PHMSA)在2017年進行的一項研究表明，美國有254×104mi(1 mi=1.609 km)的天然氣管道，其中分輸管道占總管道的87%(130×104mi里的分輸干線和93×104mi的分輸服務線)，輸送管道占12%(30×104mi)，其余1%的管道由集氣管道組成，還有許多額外的不受監(jiān)管的集氣管道。隨著經濟的發(fā)展，預計到2025年，天然氣管道行業(yè)將增加180萬人的就業(yè)崗位，其中包括50萬個制造業(yè)崗位和32萬個化工行業(yè)崗位。該行業(yè)規(guī)模預計到2025年將增長至5 330億美元，主要是由于水力壓裂技術的發(fā)展而帶來的頁巖氣的開發(fā)。

天然氣主要由甲烷(CH4)組成，是一種比CO2危害更大的溫室氣體。由于生產和運輸損失，天然氣需求的增加也可能導致CH4排放量的增加。根據(jù)PHMSA統(tǒng)計，輸送和分輸管道的泄漏主要來自腐蝕、開挖損壞、操作不正確、管子或焊縫材料失效、自然力損傷。管道事故不僅會對環(huán)境造成影響，在許多州天然氣公司還將輸氣的成本轉嫁給客戶。

相關文獻指出，2000年至2011年間，美國消費者為天然氣損失和下落不明支付了200多億美元。PHMSA定義的損失和未計算(LAU)氣體是購買的天然氣數(shù)量(例如，進入城市門戶的天然氣)與銷售的天然氣數(shù)量(例如，向客戶計量)之間的差額。一項利用PHMSA天然氣采集、輸送和分輸數(shù)據(jù)發(fā)布的研究顯示，自2010年以來，大約129×108ft3的天然氣流入大氣中，足夠超過17萬戶家庭使用一年。此外，過去10年來，美國天然氣輸送和分輸管道的事故平均每年造成6人死亡、30人受傷和8 500萬美元財產損失。

事故分析有助于交通部(DOT)掌握發(fā)展趨勢，因此執(zhí)行新的建議，以幫助減輕傷害、死亡和無意的氣體自然損失。PHMSA提供的數(shù)據(jù)的獨立分析，表明在事件預防方面的結果，圖1以圖形方式顯示了過去20年內管道里程與事件數(shù)之間的關系。自1998年以來，事件總數(shù)一直保持相對不變，考慮到分輸管道里程總數(shù)略有增加(16%)，而輸送管道里程保持相對恒定。最后，自1998年以來，重大事件占所有事故的50%以上，表明管道事故的風險和嚴重性上升。

圖1 近20年管道總里程和事故變化趨勢

本文分析了與美國天然氣管道重大事故相關的各種數(shù)據(jù)，研究的目的是對天然氣管道行業(yè)的事故進行全面深入分析，這一分析被分為兩個獨立而獨特的類別：輸送管道和分輸管道，本文為輸送管道數(shù)據(jù)的分析，分輸管道的數(shù)據(jù)分析另行介紹。通過美國國家運輸安全委員會(NTSB)、PHMSA以及附加的當?shù)毓檬聵I(yè)委員會的數(shù)據(jù)收集作為案例，進一步分析了3起輸送管道的重大事故。文中使用的數(shù)據(jù)來自3個值得關注的組織的文獻綜述：PHMSA、美國石油學會(API)和國際管道研究理事會(PRCI)。

1 分析與討論

PHMSA提供了一個20年的數(shù)據(jù)庫，其中包含了1997年至2017年間超過5 015起輸送和分輸管道事故的信息。為了對事故進行合理的分析，本工作僅對重大事故進行了分析，以避免大量的小泄漏導致結果偏差。研究表明，重大事故的原因不一定與輕微事故的原因相同。在本研究中，重大事故被確定為包括人員需要住院治療的死亡或傷害，或以1984年美元計算的50 000美元或以上的直接總成本。PHMSA數(shù)據(jù)集有3個不同的時間段：1997年至2001年、2002年至2009年、2010年至今。例如工藝安全事故是由于天然氣的非預期排放造成的，因此，并非所有事件都造成人身傷害。選擇傷害和成本影響對事件的嚴重性/程度進行分類，隨后分析處理原因和預防/緩解措施。環(huán)境影響也是一個需要分析的因素，但難以進行量化。因此，安全和經濟影響是不可分割的，希望防止兩者同時發(fā)生。

在過去10年中，重大事件平均每年發(fā)生135起，而在最近一段時間內，總事件的年平均數(shù)為230起，幾乎是這一數(shù)字的2倍。對每個數(shù)據(jù)庫的趨勢進行了單獨分析，分析的類別有：事故次數(shù)、管材、釋放形式、著火爆炸、損失位置、管道年限、事故和死亡人數(shù)、事故原因。

1.1 管 材

圖2為1997～2017年各種類型管材的輸送管道的失效數(shù)量分析。

圖2 各種類型管材的輸送管道的失效數(shù)量

根據(jù)PHMSA統(tǒng)計，2017年地下最豐富的輸送管道材料是鋼材，其它管道材料包括非金屬、鋁以及不確定的材料。根據(jù)圖2所示的數(shù)據(jù)，鋼材造成的事故多于任何其他材料造成的事故，因為大多數(shù)輸送管道是由鋼材制成的。圖3為每次失效事故的平均管道里程對比結果。根據(jù)圖3，鋼制管道發(fā)生的每次泄漏的平均管道英里數(shù)少于前面提到的其它類型管子材料，另一方面，每英里長鋼管材料發(fā)生的失效次數(shù)多于其他材料。在2010年之前，未報告每次事故的平均管道里程。

圖3 每次失效事故的平均管道里程對比

1.2 釋放形式

圖4提供了輸送管道事故天然氣釋放到大氣中形式的分析，包括泄漏、破裂、穿孔等，每種形式的釋放都有特定的特征。破裂通常是由表面或近表面的制造缺陷引起的縱向不連續(xù)。通常在破裂過程中，管子會“拉開”(Pulls apart)，而不是開裂(Cracking)。當天然氣無意中從管道中逸出時，例如由于腐蝕造成的管子厚度損失，就會發(fā)生泄漏，最后，當管子厚度損失延伸到一個小區(qū)域的管壁完全喪失時，就會發(fā)生穿孔(Puncture)。另一類包括但不限于事故，如管道被車輛撞擊或因腐蝕而斷裂。雖然此數(shù)據(jù)提供了有關發(fā)布形式的信息，但它并不反映事件的嚴重性。例如，如果逸出的氣體保持在可燃極限閾值以下，則泄漏可能被認為是相對無害的。但是，導致破裂的事件可能是非常嚴重，一個例子是2010年9月發(fā)生在加州圣布魯諾的事件，這起事故導致了一條高壓輸送管道的破裂和爆炸。

圖4 天然氣釋放到大氣中的失效形式(總次數(shù)及百分比)

根據(jù)國家管道測繪系統(tǒng)(NPMS)，天然氣輸送管道往往比分輸管道長得多，除了輸送管道的長度，它們通常由鋼材制成，并且直徑大、工作壓力高于分輸管道內的壓力。2010年至今，超過一半(55%)的輸送管道天然氣釋放是由泄漏引起的，穿孔是最不常見的(8%)失效原因，破裂和其他分別為18%和19%。而在2002～2009年間，其他釋放(44%)和泄漏(34%)是突出的事故釋放形式，破裂是占22%。

1.3 著火和爆炸

圖5提供了導致著火和/或爆炸的事件的分析，二次著火也記錄在這組數(shù)據(jù)中。根據(jù)PHMSA的定義，二次著火是指火源與氣體輸送系統(tǒng)無關的火災，如電氣火災、縱火等，包括不是由管道系統(tǒng)事故或泄漏引起的火災或爆炸，管道系統(tǒng)事故或泄漏是主要原因的事件。例如，煉油廠火災，最初不是由管道系統(tǒng)的事故或泄漏引起的，但隨后由于管道事故或泄漏引起的火災。

圖5 著火、爆炸或兩者同時發(fā)生的失效事故的分析(總次數(shù)及百分比)

如圖5所示，2010年至今輸送管道只有17%的失效事件導致著火或爆炸，而在2002～2009年間也只有16%，這兩個類別都不屬于主要地位。2010年至今的爆炸事故為1%，爆炸引起的著火為7%，而2002～2009年分別為7%、0。

1.4 事故位置

圖6提供了管道失效事故時發(fā)生位置的分析。可能發(fā)生損失的位置包括：地上、過渡區(qū)(從地下到地上，或者反之)、地下、船舶和海上。

圖6 失效事故發(fā)生的位置(總次數(shù)及百分比)

輸送管道主要位于地下，這也是2010年至今50%以上事故發(fā)生的地方，大約四分之一(26%)的事故發(fā)生在海上，20%的事故發(fā)生在地面上。2002～2009年間37%的事故發(fā)生在水下，35%發(fā)生在地下，16%發(fā)生在地上。

1.5 管道壽命

圖7提供了輸送管道發(fā)生事故時使用年限的深入分析。大多數(shù)輸送管道事故發(fā)生在60年窗口期內，但在使用35～45年時出現(xiàn)明顯峰值。由于輸送管道主要由鋼材組成(約94%)，過去20年來輸送管道事故主要與鋼管有關。

圖7 管道失效事故發(fā)生的年限(1997年至今)

1.6 事故與死亡人數(shù)分析

圖8提供了輸送管道事故處理費用與死亡人數(shù)的分析。輸送管道因為直徑大、壓力高，事故處理時就支出了較高的相關費用，但死亡的人數(shù)較少。

圖8 輸送管道失效事故處理費用(USD)及死亡人數(shù)

2010年至今，因材料和/或焊接引起的管道失效事故，其相關費用最高，總計將近63億美元，遠遠高于其他類別。此外，因材料和/或焊接導致的失效事件是主要的死亡事件。與這一事件有關的所有死亡事件均來自同一次加利福尼亞州圣布魯諾事件(2010年)，該事件奪走8人生命，并損失了28億美元。2002年至2009年，輸送管道的主要事故費用是卡特里娜颶風造成的自然力損失，開挖損壞是造成人員死亡的主要原因。

1.7 事故原因

根據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)，輸送管道有8類事故原因，圖9提供了事故原因的分析結果。

圖9 失效事故的原因分析

2010年至今，輸送管道事故的主要原因是腐蝕，其比例為31%，其次是管子或焊縫材料事故和設備事故，這兩種事故的比例分別為17%。設備事故是指泄壓/控制設備不能正常運行或發(fā)生螺紋/非螺紋連接事故的事件。泄漏是輸送管道發(fā)現(xiàn)的天然氣主要釋放形式，高腐蝕失效率與此一致。2002年至2009年間，主要的事故原因為腐蝕(26%)，其次是自然力、材料和/或焊縫失效(16%)。自1982年以來，歐洲輸氣管道運營商(目前共17家)也一直在共享和收集事故數(shù)據(jù)，但其事故原因分類與PHMSA有所不同，在2007～2016年期間，事故的主要原因是“外部干擾”，其比例為28%，其次是腐蝕，其比例為25%。

2 管道事故案例分析

1)案例A：2010年加利福尼亞州圣布魯諾事故

2010年加利福尼亞州圣布魯諾事故為十年來單次災難中最具破壞性的管道事故。在2010年9月9日下午6點11分，加利福尼亞州圣布魯諾，一段28 ft長的碳鋼管從地面噴發(fā)出來，降落在離爆炸中心近100 ft的地方，該段管道歸太平洋天然氣電力公司(PG&E)所有和運營。爆炸導致8人死亡，51人受傷，近40所房屋被毀，以及約6億美元的房屋受損。幾乎就在破裂發(fā)生后的同時，逸出的氣體被點燃，形成了一個地獄，如圖10所示。根據(jù)美國國家運輸安全委員會(NTSB)的一份報告，直徑為30 in(1 in=25.4 mm)的管道，其焊縫中有許多缺陷，失效管段最初于1956年焊接，不符合普遍接受的質量控制和實際的焊接標準。

圖10 2010年加利福尼亞州圣布魯諾管道事故現(xiàn)場

破裂是由于PG&E Milpitas終端內的一系列問題導致該管段(132號線)壓力過高造成的。當設備斷路導致本地控制面板意外斷電時，一個不間斷電源正在進行設施維護，結果，一系列閥門被完全打開，132號管段壓力處于過高狀態(tài)。安裝了監(jiān)控閥，以防止主管道內發(fā)生過壓，然而由于斷電產生的停機，一系列錯誤信號被發(fā)送到監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)單元后，監(jiān)控閥顯示為關閉。隨后，氣體在管段增壓過度后點燃并爆炸。

根據(jù)國家運輸安全委員會的說法，“調查確定加州公共事業(yè)委員會(CPUC)是加州的管道安全監(jiān)管機構，未能發(fā)現(xiàn)PG&E完整性管理計劃的不足之處，以及PHMSA完整性管理檢查協(xié)議需要改進”。

2)案例B：2015年加利福尼亞州弗雷斯諾事故

2015年4月17日，在加利福尼亞州弗雷斯諾，一臺挖土機撞擊了一條直徑12 in的天然氣管道時發(fā)生了爆炸，爆炸將管道的一部分從震中噴出34 ft，造成1人死亡，11人受傷。CPUC的一份報告顯示，挖土機作業(yè)人員在山坡邊挖土時，撞擊了埋地天然氣管道。事故報告指出，該天然氣管道歸PG&E擁有，該公司沒有責任，該事件由外力損傷引起，經濟損失約28億美元。CPUC的安全和執(zhí)法部門(SED)進行的調查表明，弗雷斯諾縣公共工程從未申請過USA One Call 811單。PG&E每隔3年向PG&E所有壓力大于60 psig(1 psig=0.006 89 MPa)的天然氣輸送管道2 000 ft范圍內的企業(yè)，包括位于弗雷斯諾縣的居民，通知他們注意接近天然氣管道(加利福尼亞公共事業(yè)委員會，2016年)。

綜上所述，CPUC認定弗雷斯諾縣公共工程在開挖前未對開挖現(xiàn)場進行適當?shù)目辈臁Ｈ绻ダ姿怪Z公共工程811號申請單用于確定潛在地下管線，這一事件可能會避免。經調查確定，PG&E已適當通知弗雷斯諾縣有壓力主管道，因此不承擔事故責任。

3)案例C：2011年德克薩斯州迦太基事故

2011年2月14日，德克薩斯州帕諾拉縣Gulf South Pipeline Company LP(海灣南部)迦太基樞紐壓氣站發(fā)生爆炸和火災，爆炸產生的周圍破壞和氣體損失造成了3 500萬美元的損失。據(jù)PHMSA聲稱，迦太基樞紐事件造成的經濟損失僅次于加州圣布魯諾爆炸(2010年以來最大規(guī)模)。系統(tǒng)關閉期間止回閥事故導致壓氣站火災，所涉及的管道部分包含一個24 in的檢查閥門。根據(jù)在德克薩斯州休斯頓的應力工程公司的分析，止回閥的中央裝配螺栓失效，事故導致約14 in長的縱向斷裂。根據(jù)調查，導致事故的因素有很多，其中包括：失效部位小氧化物夾雜區(qū)域的熱影響；止回閥部分事故導致排放閥部分打開；壓縮機反向旋轉；潤滑油火災點燃逸出氣體；潤滑油火災產生的熱沖擊導致24 in彎頭失效；緊急停機(ESD)系統(tǒng)因設計不當而發(fā)生事故。

3 結 論

通過對近20年美國天然氣輸送管道事故數(shù)據(jù)庫的分析，可以得出如下結論：

1)輸送管道最常使用的材料是鋼材，其比例約為94%，大多數(shù)泄漏事故發(fā)生在鋼管上。

2)輸送管道最有可能因泄漏(即腐蝕)而失效，通常不會導致著火和/或爆炸，83%的輸送管道事故未著火。

3)管道通常位于地下，53%泄漏事故發(fā)生在地下，26%的泄漏事故發(fā)生在海上。

4)材料和/或焊縫失效是輸送管道事故造成死亡的主要原因，并導致最大經濟損失。

5)腐蝕是輸送管道失效事故的主要原因，占所有失效事故的31%，其次是管材/焊縫的失效和設備失效，它們的比例均為17%。

本文編譯自CHRISTIAN P. VETTER, LAURA A. KUEBEL, DIVYA NATARAJAN, Ray A. MENTZER. Review of failure trends in the US natural gas pipeline industry: An in-depth analysis of transmission and distribution system incidents. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 60 (2019)317-333.

參 考 文 獻(略)