PHMSA和EGIG的天然氣管道失效率對(duì)比研究

張維智，付勇，陳宏健，唐德志，朱世豪

(1.中國(guó)石油油氣和新能源分公司，北京 100007；2.中國(guó)石油規(guī)劃總院，北京 100083；3.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司，四川 成都 610095)

0 引言

管道安全影響因素復(fù)雜，管道事故后果更為嚴(yán)重。油氣管道發(fā)展向著更大口徑、更高鋼級(jí)、更高壓力的方向邁進(jìn)。在這種背景下，管道完整性管理工作變得尤為重要[1-3]。國(guó)外管道的失效數(shù)據(jù)主要來(lái)源于失效數(shù)據(jù)庫(kù)，世界上多數(shù)油氣儲(chǔ)運(yùn)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均建立了管道失效或事故數(shù)據(jù)庫(kù)，用于指導(dǎo)本國(guó)油氣管道的設(shè)計(jì)、建設(shè)和風(fēng)險(xiǎn)管理[4]。目前比較有代表性的數(shù)據(jù)庫(kù)包括美國(guó)的PHMSA、歐洲的EGIG和英國(guó)的UKOPA等。本文以陸上的天然氣長(zhǎng)輸管道為研究對(duì)象，首先介紹了兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本信息，其次說(shuō)明了兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)所采用的失效率計(jì)算模型，最后進(jìn)行對(duì)比分析和總結(jié)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

美國(guó)的管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)由管道和有害介質(zhì)安全管理部(the pipeline and hazardous materials safety administration，PHMSA)管理，目前，PHMSA收集的管道類(lèi)型包括海上和陸上有害液體管道、集輸氣管道和長(zhǎng)輸管道、城市燃?xì)夤艿馈⑦B接氣體輸送與燃?xì)夤艿赖囊夯烊粴夤艿酪约暗叵绿烊粴獯鎯?chǔ)設(shè)施。歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)組(european gas pipeline incident data group, EGIG)成立于 1982 年，它是歐洲天然氣管道和事故數(shù)據(jù)的重要信息來(lái)源。目前，EGIG收集了歐洲十幾個(gè)國(guó)家自1970年以來(lái)有關(guān)天然氣輸送管道的里程數(shù)據(jù)和事故數(shù)據(jù)。

2 失效率計(jì)算模型

管道完整性對(duì)管道失效的定義是指管道發(fā)生不能按設(shè)計(jì)完成傳輸任務(wù)的事件。管道失效率的計(jì)算通常有兩個(gè)方法，而PHMSA與EGIG數(shù)據(jù)庫(kù)正好分別采用了這兩種計(jì)算模型。它們的主要區(qū)別在于公式的分母上所代表的含義不同，但都是通過(guò)統(tǒng)計(jì)年限內(nèi)事故發(fā)生的次數(shù)來(lái)衡量的。表1是對(duì)兩個(gè)計(jì)算模型中會(huì)使用到的一些參數(shù)的解釋。

表1 計(jì)算模型參數(shù)含義

美國(guó)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)采用的方法得到的是每年具體的管道失效率，計(jì)算步驟如下：

第1步：計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)管道總失效數(shù)α；

第2步：選取統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的管道總里程L；

第3步：用統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的總失效數(shù)比上管道的總里程，即可得到管道失效率ηP。

歐洲EGIG采用的方法是目前國(guó)際上通用的曝露值方法，這種方法得到的是平均失效率。它將失效率分為整體平均失效率和分類(lèi)平均失效率，具體計(jì)算步驟如下：

(1)整體平均失效率ηE

第1步：計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)管道總失效數(shù)α；

第2步：計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)的曝露值β，它的含義是管道里程乘上管道的持續(xù)暴露時(shí)間。其計(jì)算公式如下：

第3步：用統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)發(fā)生的失效數(shù)α比上曝露值β，即可得到整體平均失效率ηE，單位：次/公里·年。

(2)分類(lèi)平均失效率u

第1步：計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)由某一種失效原因?qū)е碌墓艿朗?shù)量γ；

第2步：選取統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)的曝露值β；

第3步：用統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)發(fā)生的失效數(shù)γ比上統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的曝露值β，即可得到分類(lèi)平均失效率μ，單位：次/公里·年。

由上可知，PHMSA的計(jì)算方法較EGIG更為簡(jiǎn)單，但EGIG考慮到不同建造年代的管道服役時(shí)長(zhǎng)不同，管道的失效率自然不同，比直接用管道里程計(jì)算更科學(xué)。此外，EGIG的分類(lèi)平均失效率還可以針對(duì)某一管道屬性的曝露值去分析管道失效原因，這也是其他計(jì)算方法所不具備的。

3 天然氣長(zhǎng)輸管道失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、失效率計(jì)算及分析

3.1 PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)天然氣長(zhǎng)輸管道

基于PHMSA的失效率計(jì)算模型，本文計(jì)算了PHMSA不同事故類(lèi)型造成的管道失效率。圖1展示了四種類(lèi)型的事故發(fā)生率。15年間，可事先檢測(cè)的泄漏造成的管道平均失效率約為0.060次/千公里·年，不可事先檢測(cè)的泄漏造成的管道平均失效率約為0.223次/千公里·年，重大事故率約為0.123次/千公里·年，嚴(yán)重事故率約為0.008次/千公里·年。可以觀察到不可事先檢測(cè)的泄漏率遠(yuǎn)高于可事先檢測(cè)，這說(shuō)明目前多數(shù)的泄漏都還不能被預(yù)防。

圖1 PHMSA不同事故類(lèi)型的失效率

3.2 EGIG數(shù)據(jù)庫(kù)天然氣長(zhǎng)輸管道

EGIG數(shù)據(jù)庫(kù)將管道失效的類(lèi)型分成系統(tǒng)整體平均失效率和分類(lèi)平均失效率，這是它與其他數(shù)據(jù)庫(kù)最大的不同所在。下面將分別給出兩種失效率的含義及相應(yīng)的失效率值。

3.2.1 管道整體平均失效率

管道整體平均失效率是在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)用事故數(shù)量除以相應(yīng)的總曝露值的結(jié)果。圖2顯示出2007—2016年間整體平均失效率在穩(wěn)定下降，從0.367次/千公里·年降至0.31次/千公里·年。5年移動(dòng)平均失效率不是很穩(wěn)定，主要是因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)時(shí)間取得比較短，但總體也呈下降趨勢(shì)，并且遠(yuǎn)低于整體平均失效率。

圖2 EGIG系統(tǒng)整體平均失效率

3.2.2 分類(lèi)平均失效率

本文根據(jù)第2部分提出的分類(lèi)失效率計(jì)算公式，針對(duì)6種失效原因計(jì)算了EGIG數(shù)據(jù)庫(kù)中每類(lèi)原因的平均失效率。

(1)外力干涉與管道直徑、埋深、壁厚。通過(guò)計(jì)算可知，大直徑管道的失效率較低，說(shuō)明其抗外部干擾的能力更強(qiáng)；埋深較大的管道失效率較低；壁厚較大的管道失效率較低，當(dāng)壁厚大于15 mm時(shí)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)由外力干涉引起的事故。

(2)腐蝕與建造年代、涂層類(lèi)型、壁厚。通過(guò)計(jì)算可知，管道失效率隨著管道建造年代的增加而降低；涂有聚乙烯涂層的管道比涂有其他類(lèi)型涂層的管道失效率低得多；因腐蝕引起的管道失效率也隨著壁厚的增加而降低。

(3)施工缺陷/材料失效與建造年代、材料等級(jí)。通過(guò)計(jì)算得到了“施工缺陷”和“材料失效”的失效率數(shù)據(jù)?？芍艿朗释ǔｋS著建造年代的增加而降低。

(4)操作失效導(dǎo)致的熱沖擊與管道直徑。操作失效導(dǎo)致的熱沖擊是指有另一條管道錯(cuò)誤地連接到天然氣長(zhǎng)輸管道上，而發(fā)生爆炸火災(zāi)類(lèi)的熱沖擊事故。操作失效造成的管道失效率隨著管道直徑的增加而降低。

(5)地質(zhì)移動(dòng)與管道直徑。在2007—2016年的10年里，地質(zhì)移動(dòng)造成了大約15%的事故，且主要影響的是管徑尺寸偏小的管道，這也說(shuō)明了管道直徑越小就越容易受到地質(zhì)移動(dòng)的影響。

(6)其他和未知?！捌渌臀粗敝饕侵赣勺匀煌饬p害造成的管道失效，所以并沒(méi)有考慮管道自身的屬性。1970—2016年間，EGIG共記錄了29起因閃電引起的事故，管道失效率約為0.006 6次/千公里·年。

4 管理建議

通過(guò)上述對(duì)兩個(gè)輸氣管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)比分析，提出建議如下[5]：

(1)規(guī)范事故匯報(bào)格式、明晰收集數(shù)據(jù)內(nèi)容。PHMSA會(huì)在其網(wǎng)站上公布管道失效的原始采集數(shù)據(jù)，EGIG也有公開(kāi)管道事故的調(diào)查報(bào)告，便于研究人員做相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析和學(xué)術(shù)研究。因此我國(guó)需要建立相應(yīng)的管道事故數(shù)據(jù)組進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，明晰數(shù)據(jù)內(nèi)容及范圍。

(2)借鑒EGIG管道失效率的計(jì)算模型。EGIG將失效率分為整體平均失效率和分類(lèi)平均失效率。前者與PHMSA的方法一樣適合觀察多年宏觀的變化趨勢(shì)，后者可以分析由某一失效原因引起的管道失效率，因此更為全面。

(3)劃分管道屬性，結(jié)合失效原因分析失效率。管道失效原因與管道的某些屬性息息相關(guān)，因此需要根據(jù)我國(guó)管道建設(shè)的設(shè)計(jì)參數(shù)，參考EGIG對(duì)于管道屬性的劃分種類(lèi)，確定我國(guó)管道相應(yīng)的屬性并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。用管道屬性結(jié)合失效原因的方法去分析管道失效率，有助于找到具有針對(duì)性的解決措施。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)美歐兩大管道失效數(shù)據(jù)庫(kù)PHMSA和EGIG的數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)，給出了美歐天然氣長(zhǎng)輸管道失效率計(jì)算方法，并對(duì)不同事故類(lèi)型失效率、整體平均失效率、分類(lèi)失效率進(jìn)行了計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，EGIG將失效率分為整體平均失效率和分類(lèi)平均失效率，前者與PHMSA的方法一樣適合觀察多年宏觀的變化趨勢(shì)，后者可以分析由某一失效原因引起的管道失效率。EGIG還考慮到管道服役時(shí)長(zhǎng)，引入了曝露值的概念，總體來(lái)說(shuō)其失效率模型考慮更全面。國(guó)內(nèi)在計(jì)算管道失效率時(shí)可以借鑒EGIG的方法，其提出的5年移動(dòng)平均失效率也適合觀察近些年的管道失效趨勢(shì)和進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。