油气管道安全管理技术研究

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1落实完整性管理是关键

1.1信息化与完整性

经过10余年的发展，我国油气管道完整性管理技术日臻成熟，通过搭建系统的完整性管理体系和组织机构，消除了大量安全隐患，解决了诸多技术问题，变革了管理决策模式，提高了管理决策的科学性、投资的针对性、维检修的有效性。信息化技术在管道完整性管理的规范化和智能化方面发挥了重要作用，国内外业已在信息化的技术标准、数据管理、系统架构和决策分析等方面取得了丰硕成果，未来需进一步发挥数据整体价值，提升数据应用水平。全球信息化发展已步入大数据时代，互联网、移动互联网、物联网、车联网、GPS、医学影像、安全监控、金融、电信都在疯狂产生着数据，有市场研究机构预测，至2020年整个世界的数据总量将达到35.2ZB。基于此，大数据正迅速成为最值得关注的IT领域之一，2012年3月29日奥巴马政府公布了“大数据研发计划”，其目标是改进现有人们从海量和复杂的数据中获取知识的能力，从而加速美国在科学领域发明的步伐，由此，“大数据战略”上升为美国最高国策对数据占有和控制，作为海权、陆权、空权之外的另外一种国家核心能力。大数据并非单指“海量数据”，而是“海量数据”与“复杂类型的数据”共同构成大数据。大数据具有4V特征：大量化（Volume）、多样化（Variety）、快速化（Velocity）、价值密度低（Value）。随着管道完整性管理的深入，管道历史数据资料、内外检测信息、日常管理数据、环境数据不断积累，经过校准、对齐、整合，使各类数据均可对应管道各环焊缝信息，从而形成统一的数据库或数据表，即管道大数据。对于管道企业来讲，在激烈的国际竞争中先人一步，从数据分析层面的角色快速向数据资产管理层面的角色转变，对数据资产进行有效性划分，厘清有效资产，借助大数据分析平台，发掘数据价值并形成洞察力，为管道的运行管理提供决策支持，将可以极大地提高企业的竞争力。基于相关关系分析法的预测是大数据应用的核心，因此，实现大数据高效应用的前提，必然是彻底变革原有的思维模式——热衷于寻找事物间的因果关系，由果推因或由因推果做出判断，转而通过对海量数据和复杂数据的聚类分析和关联规则分析等，推断事物的发展规律。显然，大数据的应用包括4个环节：数据采集、数据存储、数据管理、数据分析与挖掘。数据分为结构化数据、非结构化数据及半结构化数据，结构化数据利于存储，但海量数据的查询、统计、更新等操作效率低下；非结构化数据如图片、视频及word、pdf、ppt等格式文件，不利于检索、查询和存储；半结构化数据或是转化为结构化数据存储或是按照非结构化数据存储。管道大数据的应用需要根据数据规模、数据类型、数据处理能力、数据分析方式、数据投资成本几方面制定技术发展路线，基于自然语言处理、关联规则分析、聚类分析、建模仿真等技术构建大数据分析平台，使其具有标准性、易用性、易管理、高可用性、成熟性、高效性、互通性、安全性。目前，针对管道大数据的研究刚刚起步，周利剑指出在大数据中获取有用的知识并为管道生产决策服务，是未来管道信息化技术的重要发展方向。冯庆善率先对“管道大数据”进行了定义，指出管道大数据在很多方面具备了“样本=总体”的基础，若数据达到“样本=总体”水平，则工程上将不再需要风险评估，而在管道大数据条件下，风险分析模型从依据外在现象类比推测转变为依据内因统计分析，从风险专家评估风险转变为数据分析人员依据数据相关性分析、识别风险，进而彻底改变现有的管道风险评估和管理运营模式。王维斌对管道大数据管理架构进行了深入探讨，指出建立管道大数据管理架构，需要开展以下5个方面的工作：

①建立合理、准确的大数据基准线；

②建立统一的数据记录和存储方式，建立关联数据库；

③实现相关数据的全面采集；

④建立基本准则和管理模式，开发通用数据管理平台；

⑤建立基于大数据的分析决策程序。

1.2可靠性、安全性与完整性

油气管道的可靠性与安全性已经成为国家能源供应安全战略的重要组成部分，二者的含义和目的各异。可靠性是指油气管道在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，其研究对象是故障，目的是减少故障发生；安全性是指油气管道在各种环境下都不发生事故的能力，其研究对象是危险，目的是减少事故发生。可见，可靠性是安全性的基础，是防范风险的保证。根据美国空军MIL-A-97221《飞机结构通用规范》的定义，结构完整性是以保证结构安全性和经济性为出发点的。依据现代结构完整性的概念，管道完整性是指管道结构的适用性或合于使用性，而合于使用是指油气管道在规定寿命期内具有足够的可以承受预见载荷与环境条件的能力，是结构完整性的目标。综上可见，可靠性与失效对应，安全性与风险对应，完整性与损伤对应。损伤是结构的功能退化，损伤的程度对结构的完整性产生影响，损伤的极限是失效。结构的可靠性和安全性很大程度上依赖于结构的完整性。因此，结构的完整性是油气管道安全性的关键，研究管道失效机制及风险问题的根本是保证结构的完整性。根据结构可靠性、安全性与完整性的辨证关系，管道完整性管理的主要任务有：管道破坏（或失效）模式分析、风险分析及完整性评价。

1.3地区等级变化与完整性管理

管道系统及周边环境的复杂性、变化性，注定了完整性管理应该具有全面性、持续性和发展性。油气管道系统完整性技术发展到今天，基本上覆盖了从规划设计、施工建造到投产运行，从管道干线、输油气站场到储罐、储气库、LNG接收站的各个领域。当前，在油气管道完整性管理的过程中，还有两个问题需要特别关注：一是随着城市化进程的推进，管道沿线地区等级的升级；二是埋地油气管道与市政地下管涵空间的相互影响。2013年黄岛输油管道泄漏爆炸事故、2014年大连输油管道泄漏燃烧事故、2014年台湾高雄丙烯管道泄漏爆炸事故，均与上述问题有关。我国油气管道普遍存在初期设计条件与当前状况不符的情况，有必要从管道风险出发，系统研究管道地区等级升级问题，确定我国管道地区等级升级的必要条件，给出管道地区等级升级后需要采取的措施。管道地区等级升级后，其风险承受能力发生了变化，最大允许运行压力（MAOP）需要重新确定或修改，将高后果区（HCA）中的地区升级管段纳入完整性管理方案，迅速对风险评估、泄漏检测和巡护方案做出调整。油气管道与地下市政管网布置不合理及缺乏检测维护而使油气泄漏进入给排水管涵及电缆沟、电缆井等地下空间，导致爆燃事故，绝非小概率事件，已经成为城市的巨大安全隐患。通常情况下，给水、直埋热力、电缆等地下埋设管道，周围没有容纳油气管道泄漏物的空间，爆燃风险很低；交通地下通道及防空洞等地下空间，发生危险的概率亦相对较小；与油气管道靠近或交叉且有长距离地下空间的排水管涵、电缆沟、电缆井、热力管沟等，若油气管道泄漏，则极易导致严重事故，需要重点关注。对城市内油气管道进行排查、检测与评估，预防第三方破坏，在地下管涵安装可燃气体检测装置，制定事故应急预案，是预防此类事故、降低事故危害的主要技术措施，具体包括：建立城市内油气管道数据库，将管道详细分段，取准、取全各种数据，明确油气管道与市政地下管涵的交错关系；对油气管道进行腐蚀、缺陷检测，包括内外检测，必要时甚至开挖检测；对于无法检测的情况，需要进行专门评估，采用特殊方法，如济南在全市电缆沟上安装GPRS在线监测系统，纽约通过大数据分析预测市内电缆沟井盖被炸飞的概率等，都可以参考借鉴；对排查数据进行统计分析，开展风险评估，进行风险排序，对于高风险管段，制定和实施改造措施。此外，除城市燃气管道外，新建油气管道尽量不穿过城市繁华区，可以规划设计专门的管廊，保持与各种设施的距离，并采取相应的防护措施。

2技术发展与文化建设是基石

根据欧美发达国家的经验，管道安全管理的成效主要得益于先进的技术。近年来，我国油气管道事业蓬勃发展，建成了西北、东北、西南三大陆上跨国通道，三纵四横管道走廊及全国性骨干管网，形成了由油气输送、油气储存、管道建设、运行维护、材料装备5部分组成的油气管道工程技术体系，为国民经济发展做出重要贡献，管道技术达到国际先进水平。

2.1管道选材与设计

随着天然气市场需求的持续增长，大口径、高压力、高钢级成为长输天然气管道发展的必然趋势。高钢级管材难以依靠自身韧性止裂，使管道安全面临严峻挑战，因此，有必要研究高钢级管线钢管在各种环境下的开裂行为和止裂控制技术，制定高钢级管线钢管止裂器设计的相关准则，开发与高钢级管线钢管相适应的止裂器。来源于极限设计理念的基于应变的管道设计方法已经得到广泛应用，其是一种塑性设计，当重大地质灾害发生时，作用于管道的载荷以位移为控制参量。随着跨国管道的发展和管道规模的不断扩大，管道途经地区的自然环境、地质条件、地形地貌日渐复杂，比如高寒冻土地区，地震活动频繁、地震烈度高的地区，地形起伏剧烈地区，需要采用多管并行敷设、站场合建等方案，因而加大了管道的设计建造难度，需要在多年冻土区管道选材、大落差输油管道工艺、并行管道、站场合建、抗震及地质灾害防治、水工保护、隧道及河流穿跨越、石方无细土段管道敷设、管道分段试压等方面开展创新性设计，确保管道的本质安全。

2.2管道泄漏监测和定位技术

油气管道泄漏监测和定位手段是多学科、多技术的集成，传感器、模式识别、远程通讯、信号识别等技术以及神经网络、模糊逻辑、专家系统、粗糙集理论等人工智能技术的发展，使泄漏监测定位方法获得实现。由于油气管道是非线性时变参数系统，因此，自适应算法的应用成为液体管道泄漏监测的重要研究内容，比如神经网络自适应学习算法。目前，基于人工神经网络的泄漏监测法尚处于试验阶段，有许多问题需要解决。此外，单一的泄漏监测方法难以同时满足泄漏监测灵敏度、定位准确度、报警及时及误报率低等多项要求，可以将多种泄漏监测方法有机结合，使用虚拟仪器技术，开发不同的测试、分析软件模块，构成以计算机为核心的集测试、信号转换、数据分析、网络通信为一体的综合性监测系统，而有效的滤波方法和信号提取、识别、分析技术是其中的重要内容。

2.3管道完整性评估技术

在油气管道事故致因中，自然环境、管理和本质的不足或不利变化是直接原因，而本质主要指管道自身的工艺、缺陷、腐蚀、疲劳。因此，为了降低管道风险，减少管道事故，需要全面、系统地开展管道完整性评估。在管道系统完整性评估技术方面，业已建立了线路完整性评估技术体系和场站完整性评估技术体系。最近几年，复杂地区地段管道完整性评估技术亦取得一定进展，线路方面，如并行管道完整性评估技术、地区等级升级管道安全性评估技术、大口径高钢级管道气体爆破试验完整性评估技术；场站方面，如工艺管路综合检测评估技术、阀门磨损与寿命分析技术、压缩机故障监测与诊断技术。现阶段，管道完整性评估技术存在如下问题：完整性评估技术进步滞后于管道资产的发展速度；各类监测技术的选择与生产实际结合不够；完整性评估手段不系统，评估技术的应用缺乏审核和监督；站场设备的数据收集和分析不深入，缺乏有效的统计分析手段；设备变更管理缺乏统一规定，GIS系统的建设与管道的实际情况不匹配。为此，在完整性评估技术领域，急需开展以下工作：强化完整性评估技术文件管理，深化信息应用的技术手段，加强数据管理和风险管控，开展完整性评估技术应用效果的审核，夯实完整性评估技术的支撑基础。完整性管理体系审核是持续提高油气管道完整性管理水平的重要基础和有效手段，帅义等依据ASME和API相关标准对管道完整性管理的具体要求，基于策划-实施-检查-改进的运行模式原理，以独立性、简洁性、系统性为基本原则，建立了油气管道完整性管理体系审核指标体系，开发了审核评分系统，其使用效果在现场实践中得到验证。

2.4管道应急抢险技术

研究油气管道输送介质的泄漏特点、建立完善可行的应急抢险机制、研制方便可靠的应急抢险装备，可以有效提高应对管道突发事故的能力。目前，基本采用数值模拟方法研究油气管道发生泄漏后泄漏介质的扩散速度和范围，希望藉此为油气管道泄漏事故的应急抢险提供指导，但总体而言，理论研究与实际应用存在一定脱节。欧美发达国家应急管理体系相对成熟，主要体现在各级政府机构、油气管道运营企业、公共安全管理部门及其他相关组织的协调运行管理，应急抢险法律法规及标准体系比较完备，为不同原因、规模、地理位置、复杂程度的事故提供了体系化处理方法，并综合考虑多种因素进行人员和设备配置。我国应急管理相关法律法规60余部，但一定程度上存在职责不清、分工不明等问题，同时缺少管道基础信息共享平台，不利于应急抢险和安全管理。油气管道内的易燃易爆介质及较高的运行压力增加了管道风险，也增加了管道维抢修作业的难度。目前比较成熟的管道泄漏维抢修方法有：开孔封堵、管内智能封堵、外卡夹具，复合材料修复技术可用于管道尚未发生泄漏的缺陷管道。此外，近年发展了铸铁接缝密封机器人（使用厌氧型密封胶密封接缝）、针孔泄漏修复夹具等新型修复技术，为管道维抢修提供了多样性选择。

2.5安全文化建设

在管道设计、施工、生产运行过程中，安全比经济和高效更重要，必须坚持红线意识和底线思维。当前，在安全管理五要素（安全文化、安全法制、安全责任、安全投入、安全科技）中，安全文化建设仍然是最薄弱的环节。为杜绝特重大事故，必须高度重视全社会的安全文化建设，提高企业、员工及公众的安全保护和事故应急意识，提高油气管道设计的科学性与合理性，确保建设施工质量，确保生产安全，减少事故的发生，降低事故的损失。

3结束语

油气管道在国家经济建设中的地位日益凸显，其对于国家、对于人民的贡献众所共知。随着新《生产安全法》的出台实施，油气管道安全管理面临更高的要求。对于油气管道安全管理，健全法律法规和标准体系是保障，落实完整性管理是关键，技术发展与文化建设是基石。美国在油气管道安全管理方面的经验，如建立统一的监管和协调机制，完善法规和标准体系，制定系统的检验和修复计划，加大管道安全投入，开展管道安全基础研究等，值得我国借鉴参考。

作者：关中原 高辉 贾秋菊 单位：中国石油管道科技研究中心中国石油天然气集团公司油气储运重点实验室 中国石油集团东南亚管道有限公司 中国石油管道公司第一项目部