美國天然氣分輸管道失效事故深度分析

李為衛(wèi) 編譯

(中國石油集團(tuán)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(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077)

0 引 言

在美國，天然氣用作燃料和化工原料。據(jù)預(yù)測，到2040年，美國能源消費的30%將來自天然氣，高于2018年的28%。管道是天然氣輸送的主要方式，美國將天然氣管道分為兩大類，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(dāng)?shù)丶彝ズ推髽I(yè)。圖1為天然氣管道系統(tǒng)示意圖。截止2018年，美國有254萬英里的天然氣管道，其中分輸管道為總管道的87%(1.3×106mi的分輸干線和9.3×105mi的分輸服務(wù)線)(1 mi=1 609.344 m)，輸送管道的比例為12%(3.0×105mi)，其余1%的管道由集輸管道組成，另外還有許多額外的不受監(jiān)管的集輸管道。兩類管道在地理分布、材料類型、運行參數(shù)以及失效類型和后果等方面存在較大的差異，本刊第8卷第3期介紹了美國天然氣輸送管道失效事故的深度分析結(jié)果，本文介紹美國天然氣分輸管道失效事故的深度分析結(jié)果。

圖1 天然氣管道系統(tǒng)示意圖

1 分析與討論

PHMSA提供了1個20年的數(shù)據(jù)庫，其中包含了1997年至2017年間超過5 015起輸送管道和分輸管道事故的信息。為了對事故進(jìn)行合理的分析，本工作僅對重大事故進(jìn)行了分析，以避免大量的小泄漏導(dǎo)致結(jié)果偏差，分析的類別有：事故次數(shù)、管材、釋放形式、著火爆炸、事故位置、管道年限、經(jīng)濟(jì)損失、傷亡人數(shù)和事故原因。

1.1 管 材

圖2為1997～2017年各種類型管子材料的分輸管道的失效數(shù)量。根據(jù)PHMSA提供的信息，2017年地下最豐富的分輸管道材料是塑料，這種材料在20世紀(jì)70年代早期開始流行。在塑料之前，自20世紀(jì)50年代以來，鋼管被廣泛使用，為無涂層鋼管，也稱為裸鋼管，由于老化和缺乏保護(hù)，已被系統(tǒng)地停止使用。最后，從管道運輸?shù)脑缙诘?0世紀(jì)40年代，鑄鐵和熟鐵管道一直被使用，被認(rèn)為有非常高的風(fēng)險。盡管制定了拆除鑄鐵和熟鐵管道的計劃，如2011年的《管道安全、監(jiān)管確定性和創(chuàng)造就業(yè)法案》，但其中許多管道今天仍然向家庭和企業(yè)輸送天然氣。此外，PHMSA管道安全更新表明，由于老化和過時的技術(shù)，一旦管道使用超過60年，鋼質(zhì)和鐵質(zhì)管道發(fā)生事故的概率將大幅增加。

圖2 各種類型管材的分輸管道的失效數(shù)量及其比例(2010～2017年)

天然氣工業(yè)正在用新的塑料管取代舊的分輸管道。圖2中分輸管道的大量塑料材料破壞(29%)可歸因于地下塑料管數(shù)量的增加。目前，塑料管道為總主要分輸管道的54%，而鋼管道的比例為40%。鋼材在主要分輸管道的比例已從2010年的45.2%降至2017年的40.6%。PHMSA將無涂層鋼管定為加速更換計劃的一部分，因為其事故率較高。

2017年鑄鐵/熟鐵管道僅為分輸管道總里程的0.01%，但卻是分輸管道總事故的約7%，如圖2所示。因鑄鐵/熟鐵管道的高事故率，運輸部要求對所有此類管道進(jìn)行年度分析，分析包括剛度測試、清管和地質(zhì)分析。進(jìn)行地質(zhì)分析以減少鑄鐵/熟鐵管道在地殼運動應(yīng)力下發(fā)生疲勞的幾率。理解這些數(shù)據(jù)的局限性是很重要的，因為圖2中的數(shù)據(jù)沒有體現(xiàn)出不同材料的管道里程，為了解決這一限制，繪制了不同材料管道每次失效事故的平均管道里程對比圖，如圖3所示。我們沒有用相應(yīng)管道材料的英里數(shù)來體現(xiàn)事故發(fā)生的概率，而是選擇描繪每個事故管道發(fā)生的英里數(shù)。使用的平均英里數(shù)來自2017年P(guān)HMSA數(shù)據(jù)，該數(shù)字每年都略有增加。正如所預(yù)期的情況，圖3表明鋼和鐵材料的分輸管道每英里發(fā)生的事故更多，或每一事故的英里數(shù)最少。請注意，鋼管道的失效概率大約是塑料管道的5倍，而鑄鐵/熟鐵和鑄熟鐵管道分別是塑料管道的716倍和46倍，比塑料分輸管道更容易發(fā)生事故，鑄鐵和熟鐵管道的失效率明顯高于所有其他管道材料。

圖3 不同材料管道每次失效事故的平均管道里程對比

1.2 釋放類型

圖4為分輸管道事故釋放類型的分析：泄漏、破裂、穿孔和其它。2010年至2017年，分輸管道主要是其它類型(42%)的釋放形式。分輸管道往往位于人口密度更高的區(qū)域，因此出現(xiàn)更多釋放類型的機會，其中包括管道受到開挖等的影響。破裂造成的事故最少(5%)，穿孔和泄漏分別為25%和28%。而在2002～2009年，其他釋放比例為57%、泄漏比例為21%及破裂比例為22%，沒有發(fā)現(xiàn)穿孔。

圖4 天然氣釋放到大氣中的失效形式(總次數(shù)及百分比)

1.3 著火和爆炸

圖5為導(dǎo)致著火、爆炸的事件的分析，二次著火也記錄在這組數(shù)據(jù)中。2010年至2017年分輸管道75%的失效事件導(dǎo)致著火或爆炸，其中著火比例為41%，爆炸引起的著火比例為31%，爆炸比例為3%。2002年至2009年的事故趨勢與2010年后的趨勢幾乎相同。

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)

1.4 事故位置

圖6為管道失效事故發(fā)生位置的分析。分輸管道主要位于地下，2010～2017年50%以上的事故發(fā)生在地下，41%的事故發(fā)生在地上。2002～2009年早期數(shù)據(jù)提供了路面下、建筑物內(nèi)/建筑物下、水下和明溝中的額外分類，地上和地下泄漏也占主導(dǎo)地位(分別為34%和29%)，路面下泄漏(12%)和建筑物內(nèi)/地下泄漏(11%)比例近似為25%。

圖6 失效事故發(fā)生的位置(總次數(shù)及百分比)

1.5 管道壽命

圖7為分輸管道失效時的使用年限的深入分析。根據(jù)DOT所說明的信息，過去20年來，一直有一項舉措，即更換60年以上的所有管道，這一舉措減輕了舊管道的潛在事故。然而，根據(jù)圖7可以看到在60年窗口期之前發(fā)生了大量事故。60年內(nèi)由于各種原因，該窗口期內(nèi)發(fā)生事故主要是其他外力破壞，其次是開挖破壞。

圖7 管道失效事故發(fā)生的年限(1997～2017年)

圖8為分輸管道安裝后的前五年的失效分析評估，該分析包括失效原因以及所涉及管道的材料，包括早期(2002～2009年)和最近(2010～2017年)的數(shù)據(jù)。在這兩個時間段內(nèi)，其他外力破壞和開挖破壞是導(dǎo)致事故的前兩個原因，塑料是導(dǎo)致分輸管道失效的主要材料。

圖8 管道安裝后前五年的失效的分析

1.6 事故和死亡分析

圖9是管道事故處理費用與死亡人數(shù)的分析。

圖9 分輸管道失效事故處理費用(USD)及死亡人數(shù)

2010～2017年，分輸管道與事故相關(guān)的最高費用(柱狀圖)是開挖損壞，與此相關(guān)的損失接近8.5×107美元，其他外力損傷是導(dǎo)致死亡(折線圖)的主要原因，其它事故原因次之。2002～2009年，分輸管道的主要事故費用是2005年8月發(fā)生的破壞性極強的卡特里娜颶風(fēng)(5級)造成的自然力破壞，其他外力破壞和開挖破壞是造成人員死亡的主要原因。

1.7 事故原因

圖10為事故原因的分析。2010～2017年，分輸管道事故以其他外力損傷為主(34%)，其次為開挖損傷(28%)，管材及焊縫的失效比例僅為7%。其他外力損傷是指因汽車、卡車或其他未參與開挖的機動車輛/設(shè)備對管道的損害而發(fā)生的事故，它還將工業(yè)、人為或其它火災(zāi)/爆炸作為事件的主要原因。分輸管道內(nèi)的高著火率和爆炸率可能是由這些其他外力因素造成的，部分原因是這些因素位于人口較集中的地區(qū)。2002年至2009年期間，管道事故的主要原因是其他外力損傷，其它外力和開挖損傷再一次為事故的近2/3(62%)，管材及焊縫的失效比例僅為5%。

圖10 失效事故的原因分析

2 分輸管道事故案例介紹

2.1 2014年紐約州紐約市案例

2014年3月12日，兩棟相鄰的多用途5層建筑被天然氣爆炸摧毀，并引發(fā)火災(zāi)。該分輸管道由紐約聯(lián)合愛迪生公司(Con Edison)運營，爆炸事故造成8人死亡，48人受傷，損失近3×106美元。NTSB的調(diào)查確定了事故的兩個可能原因，第一個是2011年Con Edison安裝的三通的一個有缺陷的熔合接頭發(fā)生事故，導(dǎo)致天然氣從天然氣管道泄漏，并流入其所在的建筑物引起著火。第二，至少從2006年起，紐約環(huán)境保護(hù)部就一直沒有修復(fù)這條下水道的裂縫，這使地下水和土壤流入下水道，導(dǎo)致天然氣管失去支撐，從而導(dǎo)致管道下沉，并使有缺陷的熔合接頭承受過大應(yīng)力。

事故發(fā)生日的上午9點06分，附近一棟名為Con Edison大樓的居民報告有天然氣氣味，然而，由于調(diào)度員和紐約消防局(NYFD)代表之間的溝通失誤，導(dǎo)致天然氣泄漏沒有向應(yīng)急響應(yīng)人員報告。隨后，9:30管道破裂。最后，建議紐約州公共服務(wù)委員會修改其天然氣公用事業(yè)運營商計劃。

2.2 2018年德克薩斯州達(dá)拉斯案例

2018年2月23日早上6點38分，德克薩斯州達(dá)拉斯一棟新裝修的單層住宅發(fā)生了一次天然氣爆炸。爆炸發(fā)生在前兩天發(fā)生的兩起事件之后。根據(jù)國家運輸安全委員會的初步報告，最初的爆炸發(fā)生在2018年2月21日凌晨5:49，地點是杜蘭戈大道3527號，距離最終的埃斯帕諾拉大道爆炸大約415 ft(1 ft=0.304 8 m)。第一起事故是由于暖通空調(diào)裝置事故引起的爆炸引發(fā)的火災(zāi)，第二起事故是結(jié)構(gòu)火災(zāi)，發(fā)生于2018年2月22日上午10:21左右，地點為杜蘭戈大道3515號，原因是“紅色失控”的燃?xì)鉅t火焰。這起事故距離埃斯帕諾拉大道房屋爆炸不到310 ft。

根據(jù)聯(lián)邦調(diào)查人員的通報，Atmos Energy公司在爆炸發(fā)生前的7個多星期內(nèi)就已經(jīng)意識到達(dá)拉斯西北部的一個街區(qū)有燃?xì)庑孤?，以前在整個街區(qū)都發(fā)現(xiàn)了多處泄漏。2018年1月1日，報道有異味由社區(qū)內(nèi)漏出。NTSB的初步報告表明，Atmos在這3起事件發(fā)生之前和發(fā)生期間進(jìn)行了各種修復(fù)工作。在爆炸前一晚上，Atmos人員為應(yīng)對杜蘭戈大道發(fā)生的爆炸和隨后的火災(zāi)，正在調(diào)查和修復(fù)房屋后面的泄漏。

為應(yīng)對第三起事故，向居住在北面3個街區(qū)和南面3個街區(qū)的住宅(包括埃斯帕諾拉大道和杜蘭戈大道)的居民發(fā)布了強制疏散令。在疏散過程中，Atmos Energy公司在整個區(qū)域內(nèi)更換了長度為2.5 mi的管道。

2.3 2011年賓夕法尼亞州案例

2011年2月9日賓夕法尼亞州阿倫頓一場雷鳴般的燃?xì)獗ù輾Я艘粋€聯(lián)排式住宅區(qū)，造成5人死亡。賓夕法尼亞州艾倫鎮(zhèn)艾倫街道路面下1928年安裝的鑄鐵主管道破裂，導(dǎo)致爆炸。導(dǎo)致爆炸的天然氣來源是一個有周向裂紋的12 in(1 in=25.4 mm)鑄鐵主管道。公用事業(yè)委員會進(jìn)行了為期16個月的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)1979年12月的UGI工作指令建議更換管道，但該管道從未進(jìn)行過更換。

除了1979年12月的工作指令外，1991年8月國家運輸安全委員會還提醒UGI，鑄鐵管道的所有運營商執(zhí)行一項計劃，以識別和更換可能威脅公共安全的鑄鐵管道。根據(jù)PHMSA的數(shù)據(jù)，2009年底塑料和鋼管占美國天然氣分輸管道里程的約97%，剩下的3%主要是鑄鐵管(無論是鑄鐵、可鍛鑄鐵還是球墨鑄鐵)。艾倫鎮(zhèn)泄漏管道由鑄鐵制成、安裝于1928年。管道開挖后，發(fā)現(xiàn)外部腐蝕導(dǎo)致主管壁厚損失80%。

賓夕法尼亞公共事業(yè)委員會發(fā)布的安全報告顯示，沒有人準(zhǔn)備好應(yīng)對阿倫頓或圣布魯諾這樣的重大事故。一系列事件導(dǎo)致了阿倫頓的爆炸，如果采取適當(dāng)?shù)木敬胧?，這些事故是可以預(yù)防的。阿倫頓事件表明了遵循國家運輸安全委員會建議的重要性。

2.4 2018年馬薩諸塞州波士頓案例

2018年9月13日，一條天然氣分輸管道在波士頓以北25 mi處破裂，引發(fā)數(shù)十起爆炸和火災(zāi)，如圖11所示。這最終影響了附近的3個社區(qū)，60～80個家庭起火，一人死亡，數(shù)十人受傷，近8 000人從周圍地區(qū)撤離。此外，近1.8萬戶家庭和企業(yè)斷電。初步調(diào)查表明，事故原因是因為管道壓力過高。然而，PHMSA和其他機構(gòu)尚未完成完整的事故調(diào)查，以確定根本原因。天然氣管道歸馬薩諸塞州哥倫比亞天然氣公司所有。

圖11 2018年波士頓天然氣分輸管道泄漏后房屋起火

3 結(jié) 論

通過對近20年美國天然氣分輸管道事故數(shù)據(jù)庫的分析，可以得出如下結(jié)論：

1)分輸管道最常使用的材料是塑料，是總分輸管道的54%，而鋼質(zhì)管道的比例為40%。塑料是最安全的管道材料，平均每5 000 mi發(fā)生一次事故，而鋼質(zhì)管道平均每1 000 mi發(fā)生一次事故。鑄鐵/熟鐵和球墨鑄鐵管是風(fēng)險最高的材料，其管道失效概率分別是塑料管的約700倍和50倍。

2)分輸管道更有可能由于車輛或人員撞擊管道、或腐蝕發(fā)生事故，事故更有可能導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)和/或爆炸。

3)分輸管道通常位于陸地，通常分布于地下，近年來58%的泄漏事故發(fā)生在地下。

4)其它外力破壞和開挖破壞是分輸管道失效事故的兩個主要原因，是總事故的60%，也是早期(投產(chǎn)5 a內(nèi))分輸管道事故的主要原因。塑料材料在安裝后5 a內(nèi)比其它材料的事故率更高，這可能是因為它是新建分輸管道使用最多的材料。

5)分輸管道事故中，開挖破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失最大，其次是其它外力破壞。其它外力損傷是造成人員傷亡的主要原因。

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.JournalofLossPreventionintheProcessIndustries60 (2019) 317-333.

參 考 文 獻(xiàn)(略)