國外長輸管道安全管理技術(shù)現(xiàn)狀綜述

應(yīng)未，常通，李貴榮，馬偉平

1.中油國際管道有限公司（北京 100029）2.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司 天水輸油氣分公司（甘肅 天水 741002）3.國家管網(wǎng)集團北方管道有限責任公司 管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

0 引言

“十四五”期間我國長輸管道仍處于快速發(fā)展時期，截至2020年底我國油氣長輸管道總長度約為14.5×104km，未來發(fā)展方向是大口徑、高鋼級和高壓力。如發(fā)生管道失效事故，將導致重大經(jīng)濟損失、人員傷亡和環(huán)境污染。2009年12月蘭鄭長成品油管道渭南支線投產(chǎn)過程中發(fā)生油品泄漏事故，污染黃河近百公里水體；2013年青島11.22 中石化輸油管道火災爆炸事故，造成62 人死亡、136 人受傷。這些事故說明在安全監(jiān)管機制、管道企業(yè)安全管理體系、事故風險評價及次生災害預警、管道應(yīng)急響應(yīng)及處置等方面存在不足[1]。保證管道安全、平穩(wěn)、高效運行是國家和管道企業(yè)共同面臨的重大問題。

美國是世界上石油天然氣管道系統(tǒng)很完善的國家，截至2018年美國已建成的危險液體和輸氣管道分別為35×104km 和51×104km，并建立了嚴格細致的管道安全管理體系和機制，值得研究借鑒[2]。介紹了美國管道安全方面的法規(guī)標準、監(jiān)管機構(gòu)和企業(yè)文化，以及美國政府在促進管道安全方面的實踐做法。闡述了美國管道行業(yè)在制造、運輸、施工、運行和維護等階段預防機械損傷的技術(shù)措施。通過借鑒美國管道行業(yè)先進經(jīng)驗和管理策略，致力于改進我國管道安全管理體系的薄弱環(huán)節(jié)，旨在降低管道失效概率，提升我國管道行業(yè)安全管理水平。

1 美國管道事故統(tǒng)計及原因分析

美國管道及危險品安全管理局（Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration，PHMSA）建立了管道失效數(shù)據(jù)庫，可查詢近20年發(fā)生的管道安全事故信息。PHMSA 劃分管道重大事故的標準為導致人員死亡或受傷住院、經(jīng)濟損失超過50 000美元、高揮發(fā)性液體泄漏量0.8 m3或其他液體泄漏量8 m3、液體泄漏導致火災或爆炸。從2005年至2015年，美國危險液體管道失效率為0.4～0.6 次/（103km·a），天然氣管道失效率為0.12～0.15 次/（103km·a）[3]。美國管道事故次數(shù)近20年呈下降趨勢，重大事故從20世紀90年代約80次/年降至21世紀約50 次/年。管道安全狀況改善歸結(jié)于美國政府和管道運營商致力于持續(xù)改進管道安全管理體系，以及管道泄漏檢測、應(yīng)急響應(yīng)和維搶修技術(shù)進步。

2010年以來美國發(fā)生432次危險液體管道事故和238 次輸氣管道事故，統(tǒng)計危險液體管道事故原因依次是腐蝕、管體/焊縫材料失效和設(shè)備失效，輸氣管道事故原因依次是管體/焊縫材料失效、開挖損傷和腐蝕。管道失效事故致因因素分為以下類型：

1）腐蝕。危險液體管道失效，腐蝕是最重要因素，輸氣管道排第三。腐蝕失效中外腐蝕約占60%，以電偶腐蝕為主；內(nèi)腐蝕以微生物腐蝕為主。

2）管體/焊縫材料失效。管體/焊縫材料失效是美國長輸管道失效的最主要因素，占所有失效因素的比例大于50%，其中現(xiàn)場施工失誤是造成管體/焊縫材料失效的重要原因。

3）開挖損傷。開挖損傷是美國管道失效的另一個重要因素，占危險液體管道失效的15%，占輸氣管道失效的22%，以第三方開挖損傷比例最高。統(tǒng)計1991—2010年因開挖損傷造成的管道事故約占所有重大事件的24.3%。

4）自然災害。形式以土體移動和暴雨洪水引發(fā)的滑坡、滑塌等引起的地質(zhì)災害。

5）誤操作。誤操作失效因素以設(shè)備未正確安裝的比例較高。

2 國外管道安全管理機制

從20 世紀60年代至今，美國為應(yīng)對管道重大事故的挑戰(zhàn)，持續(xù)推進管道安全立法，設(shè)置專門的管道安全監(jiān)管機構(gòu)，將長輸管道納入國家公共安全體系管轄。美國石油協(xié)會API等標準化組織考慮利益相關(guān)方訴求，按照協(xié)商一致原則，制定一系列先進適用的管道安全標準。管道運營商建立了以完整性管理為基礎(chǔ)的事前預防程序，重視應(yīng)用研發(fā)和應(yīng)用新技術(shù)。美國從國家、行業(yè)和企業(yè)3 個層面建立了管道安全管理體系和運行機制，是近年來管道事故失效率降低的根本原因。

2.1 管道安全監(jiān)管機構(gòu)

美國管道安全監(jiān)管部門是在運輸部（Department of Transportation，DOT）專設(shè)的管道安全辦公室（Office of Pipeline Safety，OPS），負責跨國和州際管道安全管理、檢驗，審核管道運行商事故報告情況和安全狀況報告，處罰管道運營商違法行為。DOT制定管道設(shè)計、運行、維護和應(yīng)急的最低安全標準，國土安全部（Department of Homeland Security，DHS）實施管道運營商安全資質(zhì)審查。我國長輸管道監(jiān)管部門繁雜，涵蓋能源、安監(jiān)、建設(shè)、規(guī)劃、質(zhì)安和環(huán)保部門，存在權(quán)責不清晰和交叉問題[4]，應(yīng)進一步規(guī)范管道安全監(jiān)管部門職責和權(quán)限。

2.2 管道安全技術(shù)法規(guī)

1968年《天然氣管道安全法》和1979年《危險液體管道安全法》是基本法律。2002年《管道安全改進法案》要求管道運營商建立完整性管理程序，在高后果區(qū)開展風險評估。該法案促進管道完整性管理技術(shù)進步，完整性管理已成為國際公認的管道安全管理理念。2006年《管道檢驗、保護、執(zhí)法和安全法案》授權(quán)DOT 處理開挖損壞管道事件，將預防第三方開挖損傷管道提升至聯(lián)邦政府管轄。2011年《管道安全、監(jiān)管和勞工法案》規(guī)定了管道運營商違法處罰情形，例如未提供管道地理信息，未及時報告管道事故，未開展管道風險評估，未建立最大允許運行壓力超限報告和審查機制。

管道技術(shù)法規(guī)對于保障管道安全運行和預防第三方破壞作用顯著，美國法規(guī)健全、監(jiān)管部門明確、監(jiān)管責懲到位、公平公正大環(huán)境下，管道運營商在預防第三方破壞和干擾的安全隱患較為輕松[5]。我國已頒布《石油天然氣管道保護法》，還不能覆蓋管道安全的全部領(lǐng)域，應(yīng)制定預防第三方破壞、管道檢測檢驗、安全防護等方面的配套支持的技術(shù)法規(guī)。

2.3 管道安全技術(shù)標準

美國管道安全管理、完整性管理、應(yīng)急響應(yīng)、預防第三方破壞等領(lǐng)域的代表性標準是：API RP 1173—2015《管道安全管理系統(tǒng)》、API RP 1162—2010《管道運營商公共警示程序》、ASME B31.8S—2016《天然氣管道的完整性管理系統(tǒng)》、API Std 1160—2013《危險液體管道的完整性管理規(guī)范》、API RP 1174—2015《陸上危險液體管道應(yīng)急響應(yīng)推薦做法》、API RP 1166—2015《開挖監(jiān)測和觀測》。這里僅介紹兩項典型標準。

1）API RP 1162—2010《管道運營商公共警示程序》規(guī)定組織公共開放性參觀油氣站場，向公眾了解管道潛在危險、油氣泄漏特征和應(yīng)急處置技術(shù)，讓公眾認知到管道輸送是安全、可靠的運輸方式。推薦管道運行商采用網(wǎng)絡(luò)、媒體、社區(qū)、慈善等方式，增強公眾保護管道的意識，獎勵公眾報告威脅管道安全的異常事件。相對美國管道運營商的公開透明做法，國內(nèi)管道行業(yè)對技術(shù)標準視為企業(yè)秘密[6]。

2）API RP 1109—2010《液體石油管道設(shè)置標識推薦做法》規(guī)定了管道干線標識的設(shè)置原則（埋設(shè)深度、間距、制作工藝），以及空中巡檢牌制作樣式，要求管道警示標識除提供詳細信息，重視標識牌的色彩、亮度、可視度和耐用性。我國管道標識設(shè)置位置和制作樣式差異較大，對管道管理和安全警示作用不能充分發(fā)揮[7]。

2.4 管道安全促進措施

2.4.1 811開挖一呼通系統(tǒng)

美國各州均建立一呼通系統(tǒng)（One Call System），管道運營商在發(fā)生事故后立即向國家應(yīng)急中心（National Response Center，NRC）報告事故情況。美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communication Commission，F(xiàn)CC）建立811 開挖咨詢電話，該系統(tǒng)的設(shè)立旨在及時有效溝通開挖意圖，幫助開挖方準確定位和避開管道設(shè)施。美國大力推廣“開挖前呼叫”理念的公眾教育，稱之為“安全開挖”做法。實施步驟為：

1）開挖方確定待開挖位置和范圍，通知國家應(yīng)急中心（NRC）。

2）國家應(yīng)急中心通知管道運營商，進行管道定位和做好臨時標識。

3）開挖區(qū)域無管道設(shè)施，管道運營商向應(yīng)急中心發(fā)出“準許”或“無影響”通知。

4）開挖方執(zhí)行開挖程序，如必要，管道運營商監(jiān)督開挖。

2.4.2 國家管道地圖系統(tǒng)

建立國家管道地圖系統(tǒng)（National Pipeline Mapping System，NPMS），公眾和開挖方通過NPMS 獲取管道設(shè)施位置信息，作為管道安全管理的支持平臺，重點監(jiān)測可能發(fā)生地震、洪水等自然災害的區(qū)域，并為管道應(yīng)急響應(yīng)救援提供決策依據(jù)。

2.5 管道安全企業(yè)文化

美國管道運營商設(shè)有安全管理部門，負責管道建設(shè)和運行期間處理突發(fā)緊急事故，近年來職責擴展至公眾安全和環(huán)境保護。例如，加拿大TransCanada 管道公司領(lǐng)導層設(shè)有健康與安全執(zhí)行官（Health&Safety Executive），負責健康、安全與環(huán)境，處理管道泄漏、第三方破壞、管道占壓等威脅管道安全的事件。國外管道企業(yè)將安全理念作為企業(yè)文化重要內(nèi)容。加拿大TransCanada 管道公司的安全理念是安全第一；美國EI Paso 公司的安全理念是絕對安全。

2.6 管道安全新技術(shù)

與管道安全運行控制相關(guān)的新技術(shù)包括內(nèi)檢測、泄漏檢測和應(yīng)急搶修等。《管道安全改進法案》規(guī)定管道運營商定期采用內(nèi)檢測、壓力試驗和直接評價法評價管道系統(tǒng)完整性，優(yōu)先使用內(nèi)檢測方法。美國管道應(yīng)用的內(nèi)檢測技術(shù)有幾何變形內(nèi)檢測、漏磁內(nèi)檢測和電磁超聲檢測。國外知名MFL 檢測公司有美國Ge PII、TuboScope、英國BritishGas、加拿大Corrpro、德國Rosen，已形成系列化產(chǎn)品并提供專業(yè)檢測業(yè)務(wù)[8]。美國管道主要應(yīng)用分布式光纖管道泄漏檢測和定位技術(shù)，泄漏位置定位精度不大于5 m，對于強磁場干擾和高壓交直流干擾具有較高可靠性。管道應(yīng)急搶修應(yīng)用了不停輸封堵技術(shù)，在不影響管道正常運行情況下完成搶修施工。通過引進美國TDW 公司設(shè)備產(chǎn)品，我國研發(fā)應(yīng)用于管徑34～1 219 mm、運行壓力12 MPa以下油氣管道的不停輸開孔封堵維修設(shè)備。

3 管道全生命周期階段事故預防做法

文獻[9]統(tǒng)計美國自1991年以來危險液體和輸氣管道事故原因依次是機械損傷、腐蝕、制造缺陷和自然災害等。管道在制造、運輸、施工、運行和維護過程中受到外部載荷或物體擠壓，造成管道本體局部損傷，統(tǒng)稱為機械損傷。美國管道統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，90%的機械損傷事故導致管道即時失效，10%為延遲失效。管道機械損傷形式有制造損傷、運輸和裝卸中操作失誤、吊管施工中機械設(shè)備與管道碰撞、管道下溝受到巖石擠壓等。應(yīng)根據(jù)管道制造、運輸、施工、運行和維護等全生命周期階段特點以及機械損傷致因，制定有針對性的措施。

3.1 制造階段：管道防損傷防護涂層

不同于聚乙烯等管道防腐涂層，為防止管溝回填巖石損傷管道，國外研發(fā)多種包裹式土工織物防護產(chǎn)品。文獻[10]在管道上進行了雙厚度復合涂層HPCC、雙粉末DPC 和熔結(jié)環(huán)氧樹脂F(xiàn)BE 涂層的抗巖石破壞試驗。將具有小網(wǎng)格尺寸和高拉伸強度的織物編織成土工織物，單層或雙層包覆在管道上，可降低管道軸向和側(cè)向載荷，減少土壤或巖石擠壓造成機械損傷。Powercrete 是一種常溫固化的無溶劑環(huán)氧樹脂聚合物液體涂料，在管道形成光滑表層，拖動管道穿越阻力遠小于傳統(tǒng)的混凝土，具有較好耐磨性和耐沖擊性，適用于管道穿越和含礫石或巖石管溝敷設(shè)管道的情形。Rock Jacket是一種在工廠預制成型、可在現(xiàn)場彎曲制作的管道外部防腐+機械保護涂層系統(tǒng)，具有較強的耐沖擊和抗穿透性能。

3.2 施工階段：管溝回填防護措施

為防止管道受到管溝底部巖石擠壓，管溝底部應(yīng)鋪設(shè)墊層，例如細沙、沙袋和泡沫袋。管溝回填過程主要防范碎石對管道的損傷，國內(nèi)外標準均規(guī)定了回填粒土允許的直徑尺寸。國外研發(fā)專用管溝回填填料和機械設(shè)備，例如Ozzies 公司使用流動填料，成分是粉煤灰、水泥、沙子和水，具有自動澆注、填實、校平和無沉降的特點，填料耐穿透性高于土壤（圖1）。

圖1 Ozzies公司管溝回填流動填料

3.3 運行階段：巡線

管道巡線目的是第一時間發(fā)現(xiàn)油氣泄漏特征或第三方破壞活動等異常事件，美國《管道安全法》指出路權(quán)帶巡檢觀察地面擾動，可發(fā)現(xiàn)未經(jīng)批準的開挖，預防第三方破壞行為。巡線有效性取決于巡邏頻率。研究表明，巡線頻率與未經(jīng)批準開挖的概率有關(guān)，每月巡線頻率少于1 次，只能發(fā)現(xiàn)不足5%的開挖事件。我國管道以人工巡線為主，美國管道以飛機、汽車巡線為主，特別是直升機巡線可有效監(jiān)測高寒凍土區(qū)管道位移和沉降問題[11]。衛(wèi)星遙測技術(shù)已應(yīng)用于管道勘測、設(shè)計、運行和維護，多光譜和雷達衛(wèi)星圖像與GIS或CAD集成可以監(jiān)測管道違法占壓情況，也是未來管道巡檢的發(fā)展趨勢。

3.4 運行階段：應(yīng)急響應(yīng)

美國管道運營商在安全管理過程中建立事故指揮系統(tǒng)（incident command system，ICS）。發(fā)生重大事故時，應(yīng)急響應(yīng)涉及的人員組織、資源調(diào)配和救援搶修通過ICS 系統(tǒng)調(diào)控操作，將企業(yè)的人力、設(shè)備資源整合成若干模塊，例如指揮命令、處置搶修、資源配置、資源保障和財務(wù)協(xié)商等。ICS 系統(tǒng)特征是：專業(yè)化術(shù)語、模塊化框架、一體化通信、統(tǒng)一行動和過程監(jiān)督。相對國內(nèi)管道企業(yè)自上而下垂直式應(yīng)急指揮，ICS 系統(tǒng)保證重大事故的高效應(yīng)急運轉(zhuǎn)。除了在管道行業(yè)成功應(yīng)用，ICS 系統(tǒng)是美國國家消防協(xié)會NFPA、美國公共工程協(xié)會APWA 認可的應(yīng)對突發(fā)事件的權(quán)威程序。2004年美國國土安全部DHS 在國家事故管理系統(tǒng)NIMS 中引入ICS 系統(tǒng)，標志著ICS 系統(tǒng)成為美國公共安全領(lǐng)域通用的應(yīng)急指揮系統(tǒng)。

3.5 運行階段：現(xiàn)場作業(yè)安全

管道搶修作業(yè)過程中油氣泄漏形成爆炸蒸氣云，且人員、設(shè)備設(shè)施高度集中，屬于高風險作業(yè)。青島“11.22”輸油管道火災爆炸事故中未提醒操作維修人員進行衍生災害風險識別，且未配備防護裝備情況下人員聚集于可能爆炸管段區(qū)域，造成大量維修人員傷亡[12]。美國標準API RP 1162—2010《管道運營商公共警示程序》將管道中心線兩側(cè)200 m（660 ft）劃定為管道爆炸影響范圍。美國管道搶修作業(yè)前，將油氣泄漏現(xiàn)場劃分為Hot 區(qū)、Warm 區(qū)和Cold 區(qū)，Hot 區(qū)是油氣泄漏的核心區(qū)域，嚴禁未配備防護裝備以及非搶修人員進入。Warm 區(qū)是搶修設(shè)備器材臨時堆放區(qū)域；Cold 區(qū)是非事故影響區(qū)域?，F(xiàn)場指揮中心只能設(shè)置在Cold 區(qū)，且距離泄漏中心至少90 m。ICS 系統(tǒng)指派專門的危險品安全官員，負責指揮操作人員在Hot 區(qū)或Warm 區(qū)完成污染物處理和收集，避免污染環(huán)境。

4 結(jié)論和建議

綜上所述，美國先進、完善、高效的管道安全體系主要歸結(jié)于以下方面：

1）健全、專業(yè)的管道監(jiān)管機構(gòu)。DOT、OPS 和DHS 職責明確，權(quán)限清晰，將管道納入國家公共安全等級管轄。

2）重視管道立法。從1968年《天然氣管道安全法》至今，頒布了一系列嚴格細致的管道技術(shù)法規(guī)，從聯(lián)邦政府和法律層級處理開挖損傷管道的行為。

3）推行行業(yè)協(xié)會標準。API 制定了安全管理、完整性管理、應(yīng)急響應(yīng)、預防第三方破壞等技術(shù)標準，美國管道全面實施完整性管理程序，并促進了內(nèi)檢測、泄漏檢測和應(yīng)急搶修等技術(shù)發(fā)展。

4）多樣化的管道安全促進措施。設(shè)立811開挖一呼通系統(tǒng)，推廣“開挖前呼叫”、“安全開挖”做法；設(shè)立國家管道地圖系統(tǒng)，成為國家管道安全管理和應(yīng)急響應(yīng)的支撐平臺。

5）嚴格掌控管道施工質(zhì)量。研發(fā)管道專用的預防機械損傷防護涂層，研發(fā)專用管溝回填填料和機械設(shè)備。

6）高效的管道應(yīng)急響應(yīng)體系。建立ICS 系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)急響應(yīng)高效指揮和救援處置，作業(yè)現(xiàn)場安全分區(qū)，污染物處理專業(yè)化、規(guī)范化。

分析美國政府和管道運營商在管道安全管理中采取的措施和辦法，認為應(yīng)結(jié)合管道全生命周期階段特點，持續(xù)推進管道安全管理體系建設(shè)。提出提升我國管道安全管理水平的建議：

1）國家層面。加快制定《石油天然氣管道保護法》的配套支持法規(guī)；建設(shè)管道地理信息系統(tǒng)，共享管道走向、位置及周邊環(huán)境信息；探討應(yīng)用開挖呼叫電話報警系統(tǒng)。

2）行業(yè)層面。建立管道事故統(tǒng)計中心，規(guī)范管道失效信息上報機制，定期統(tǒng)計分析并發(fā)布管道事故信息，建設(shè)支撐管道行業(yè)發(fā)展的技術(shù)支持平臺。

3）設(shè)計階段。建立融合設(shè)計標準、管道參數(shù)、環(huán)境因素、地理信息的綜合數(shù)字設(shè)計方法，科學、合理避讓地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)和人員密集高后果區(qū)。

4）施工階段。加強制管及現(xiàn)場施工質(zhì)量監(jiān)管力度，避免管道投產(chǎn)運行前造成安全隱患。完善環(huán)焊縫焊接工藝，提升環(huán)焊縫焊接質(zhì)量，滿足大口徑、高鋼級、高壓力管道的焊接要求。

5）運行階段。管道企業(yè)安全管理中建立ICS，應(yīng)急響應(yīng)指揮實現(xiàn)模塊化管理、高效組織和優(yōu)化調(diào)配。重視管道應(yīng)急搶修中風險評估和次生災害預警。

6）企業(yè)文化。倡導“以人為本、安全第一”的理念，培育盡職盡責、遵章守紀、珍愛生命、遠離事故的管道企業(yè)文化。探索公眾開放性參觀做法，增強公眾對管道輸送技術(shù)認知及公眾保護管道的意識。