油氣管道安全管理技術(shù)研究

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1落實完整性管理是關(guān)鍵

1.1信息化與完整性

經(jīng)過10余年的發(fā)展，我國油氣管道完整性管理技術(shù)日臻成熟，通過搭建系統(tǒng)的完整性管理體系和組織機構(gòu)，消除了大量安全隱患，解決了諸多技術(shù)問題，變革了管理決策模式，提高了管理決策的科學性、投資的針對性、維檢修的有效性。信息化技術(shù)在管道完整性管理的規(guī)范化和智能化方面發(fā)揮了重要作用，國內(nèi)外業(yè)已在信息化的技術(shù)標準、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)架構(gòu)和決策分析等方面取得了豐碩成果，未來需進一步發(fā)揮數(shù)據(jù)整體價值，提升數(shù)據(jù)應用水平。全球信息化發(fā)展已步入大數(shù)據(jù)時代，互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、GPS、醫(yī)學影像、安全監(jiān)控、金融、電信都在瘋狂產(chǎn)生著數(shù)據(jù)，有市場研究機構(gòu)預測，至2020年整個世界的數(shù)據(jù)總量將達到35.2ZB?；诖耍髷?shù)據(jù)正迅速成為最值得關(guān)注的IT領(lǐng)域之一，2012年3月29日奧巴馬政府公布了“大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃”，其目標是改進現(xiàn)有人們從海量和復雜的數(shù)據(jù)中獲取知識的能力，從而加速美國在科學領(lǐng)域發(fā)明的步伐，由此，“大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”上升為美國最高國策對數(shù)據(jù)占有和控制，作為海權(quán)、陸權(quán)、空權(quán)之外的另外一種國家核心能力。大數(shù)據(jù)并非單指“海量數(shù)據(jù)”，而是“海量數(shù)據(jù)”與“復雜類型的數(shù)據(jù)”共同構(gòu)成大數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)具有4V特征：大量化（Volume）、多樣化（Variety）、快速化（Velocity）、價值密度低（Value）。隨著管道完整性管理的深入，管道歷史數(shù)據(jù)資料、內(nèi)外檢測信息、日常管理數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)不斷積累，經(jīng)過校準、對齊、整合，使各類數(shù)據(jù)均可對應管道各環(huán)焊縫信息，從而形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)表，即管道大數(shù)據(jù)。對于管道企業(yè)來講，在激烈的國際競爭中先人一步，從數(shù)據(jù)分析層面的角色快速向數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理層面的角色轉(zhuǎn)變，對數(shù)據(jù)資產(chǎn)進行有效性劃分，厘清有效資產(chǎn)，借助大數(shù)據(jù)分析平臺，發(fā)掘數(shù)據(jù)價值并形成洞察力，為管道的運行管理提供決策支持，將可以極大地提高企業(yè)的競爭力?；谙嚓P(guān)關(guān)系分析法的預測是大數(shù)據(jù)應用的核心，因此，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)高效應用的前提，必然是徹底變革原有的思維模式——熱衷于尋找事物間的因果關(guān)系，由果推因或由因推果做出判斷，轉(zhuǎn)而通過對海量數(shù)據(jù)和復雜數(shù)據(jù)的聚類分析和關(guān)聯(lián)規(guī)則分析等，推斷事物的發(fā)展規(guī)律。顯然，大數(shù)據(jù)的應用包括4個環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘。數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)利于存儲，但海量數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、更新等操作效率低下；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如圖片、視頻及word、pdf、ppt等格式文件，不利于檢索、查詢和存儲；半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或是轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲或是按照非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲。管道大數(shù)據(jù)的應用需要根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)模、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)分析方式、數(shù)據(jù)投資成本幾方面制定技術(shù)發(fā)展路線，基于自然語言處理、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、聚類分析、建模仿真等技術(shù)構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析平臺，使其具有標準性、易用性、易管理、高可用性、成熟性、高效性、互通性、安全性。目前，針對管道大數(shù)據(jù)的研究剛剛起步，周利劍指出在大數(shù)據(jù)中獲取有用的知識并為管道生產(chǎn)決策服務，是未來管道信息化技術(shù)的重要發(fā)展方向。馮慶善率先對“管道大數(shù)據(jù)”進行了定義，指出管道大數(shù)據(jù)在很多方面具備了“樣本=總體”的基礎(chǔ)，若數(shù)據(jù)達到“樣本=總體”水平，則工程上將不再需要風險評估，而在管道大數(shù)據(jù)條件下，風險分析模型從依據(jù)外在現(xiàn)象類比推測轉(zhuǎn)變?yōu)橐罁?jù)內(nèi)因統(tǒng)計分析，從風險專家評估風險轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)分析人員依據(jù)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析、識別風險，進而徹底改變現(xiàn)有的管道風險評估和管理運營模式。王維斌對管道大數(shù)據(jù)管理架構(gòu)進行了深入探討，指出建立管道大數(shù)據(jù)管理架構(gòu)，需要開展以下5個方面的工作：

①建立合理、準確的大數(shù)據(jù)基準線；

②建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)記錄和存儲方式，建立關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫；

③實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的全面采集；

④建立基本準則和管理模式，開發(fā)通用數(shù)據(jù)管理平臺；

⑤建立基于大數(shù)據(jù)的分析決策程序。

1.2可靠性、安全性與完整性

油氣管道的可靠性與安全性已經(jīng)成為國家能源供應安全戰(zhàn)略的重要組成部分，二者的含義和目的各異?？煽啃允侵赣蜌夤艿涝谝?guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，其研究對象是故障，目的是減少故障發(fā)生；安全性是指油氣管道在各種環(huán)境下都不發(fā)生事故的能力，其研究對象是危險，目的是減少事故發(fā)生。可見，可靠性是安全性的基礎(chǔ)，是防范風險的保證。根據(jù)美國空軍MIL-A-97221《飛機結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》的定義，結(jié)構(gòu)完整性是以保證結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性為出發(fā)點的。依據(jù)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)完整性的概念，管道完整性是指管道結(jié)構(gòu)的適用性或合于使用性，而合于使用是指油氣管道在規(guī)定壽命期內(nèi)具有足夠的可以承受預見載荷與環(huán)境條件的能力，是結(jié)構(gòu)完整性的目標。綜上可見，可靠性與失效對應，安全性與風險對應，完整性與損傷對應。損傷是結(jié)構(gòu)的功能退化，損傷的程度對結(jié)構(gòu)的完整性產(chǎn)生影響，損傷的極限是失效。結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性很大程度上依賴于結(jié)構(gòu)的完整性。因此，結(jié)構(gòu)的完整性是油氣管道安全性的關(guān)鍵，研究管道失效機制及風險問題的根本是保證結(jié)構(gòu)的完整性。根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性、安全性與完整性的辨證關(guān)系，管道完整性管理的主要任務有：管道破壞（或失效）模式分析、風險分析及完整性評價。

1.3地區(qū)等級變化與完整性管理

管道系統(tǒng)及周邊環(huán)境的復雜性、變化性，注定了完整性管理應該具有全面性、持續(xù)性和發(fā)展性。油氣管道系統(tǒng)完整性技術(shù)發(fā)展到今天，基本上覆蓋了從規(guī)劃設(shè)計、施工建造到投產(chǎn)運行，從管道干線、輸油氣站場到儲罐、儲氣庫、LNG接收站的各個領(lǐng)域。當前，在油氣管道完整性管理的過程中，還有兩個問題需要特別關(guān)注：一是隨著城市化進程的推進，管道沿線地區(qū)等級的升級；二是埋地油氣管道與市政地下管涵空間的相互影響。2013年黃島輸油管道泄漏爆炸事故、2014年大連輸油管道泄漏燃燒事故、2014年臺灣高雄丙烯管道泄漏爆炸事故，均與上述問題有關(guān)。我國油氣管道普遍存在初期設(shè)計條件與當前狀況不符的情況，有必要從管道風險出發(fā)，系統(tǒng)研究管道地區(qū)等級升級問題，確定我國管道地區(qū)等級升級的必要條件，給出管道地區(qū)等級升級后需要采取的措施。管道地區(qū)等級升級后，其風險承受能力發(fā)生了變化，最大允許運行壓力（MAOP）需要重新確定或修改，將高后果區(qū)（HCA）中的地區(qū)升級管段納入完整性管理方案，迅速對風險評估、泄漏檢測和巡護方案做出調(diào)整。油氣管道與地下市政管網(wǎng)布置不合理及缺乏檢測維護而使油氣泄漏進入給排水管涵及電纜溝、電纜井等地下空間，導致爆燃事故，絕非小概率事件，已經(jīng)成為城市的巨大安全隱患。通常情況下，給水、直埋熱力、電纜等地下埋設(shè)管道，周圍沒有容納油氣管道泄漏物的空間，爆燃風險很低；交通地下通道及防空洞等地下空間，發(fā)生危險的概率亦相對較小；與油氣管道靠近或交叉且有長距離地下空間的排水管涵、電纜溝、電纜井、熱力管溝等，若油氣管道泄漏，則極易導致嚴重事故，需要重點關(guān)注。對城市內(nèi)油氣管道進行排查、檢測與評估，預防第三方破壞，在地下管涵安裝可燃氣體檢測裝置，制定事故應急預案，是預防此類事故、降低事故危害的主要技術(shù)措施，具體包括：建立城市內(nèi)油氣管道數(shù)據(jù)庫，將管道詳細分段，取準、取全各種數(shù)據(jù)，明確油氣管道與市政地下管涵的交錯關(guān)系；對油氣管道進行腐蝕、缺陷檢測，包括內(nèi)外檢測，必要時甚至開挖檢測；對于無法檢測的情況，需要進行專門評估，采用特殊方法，如濟南在全市電纜溝上安裝GPRS在線監(jiān)測系統(tǒng)，紐約通過大數(shù)據(jù)分析預測市內(nèi)電纜溝井蓋被炸飛的概率等，都可以參考借鑒；對排查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，開展風險評估，進行風險排序，對于高風險管段，制定和實施改造措施。此外，除城市燃氣管道外，新建油氣管道盡量不穿過城市繁華區(qū)，可以規(guī)劃設(shè)計專門的管廊，保持與各種設(shè)施的距離，并采取相應的防護措施。

2技術(shù)發(fā)展與文化建設(shè)是基石

根據(jù)歐美發(fā)達國家的經(jīng)驗，管道安全管理的成效主要得益于先進的技術(shù)。近年來，我國油氣管道事業(yè)蓬勃發(fā)展，建成了西北、東北、西南三大陸上跨國通道，三縱四橫管道走廊及全國性骨干管網(wǎng)，形成了由油氣輸送、油氣儲存、管道建設(shè)、運行維護、材料裝備5部分組成的油氣管道工程技術(shù)體系，為國民經(jīng)濟發(fā)展做出重要貢獻，管道技術(shù)達到國際先進水平。

2.1管道選材與設(shè)計

隨著天然氣市場需求的持續(xù)增長，大口徑、高壓力、高鋼級成為長輸天然氣管道發(fā)展的必然趨勢。高鋼級管材難以依靠自身韌性止裂，使管道安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)，因此，有必要研究高鋼級管線鋼管在各種環(huán)境下的開裂行為和止裂控制技術(shù)，制定高鋼級管線鋼管止裂器設(shè)計的相關(guān)準則，開發(fā)與高鋼級管線鋼管相適應的止裂器。來源于極限設(shè)計理念的基于應變的管道設(shè)計方法已經(jīng)得到廣泛應用，其是一種塑性設(shè)計，當重大地質(zhì)災害發(fā)生時，作用于管道的載荷以位移為控制參量。隨著跨國管道的發(fā)展和管道規(guī)模的不斷擴大，管道途經(jīng)地區(qū)的自然環(huán)境、地質(zhì)條件、地形地貌日漸復雜，比如高寒凍土地區(qū)，地震活動頻繁、地震烈度高的地區(qū)，地形起伏劇烈地區(qū)，需要采用多管并行敷設(shè)、站場合建等方案，因而加大了管道的設(shè)計建造難度，需要在多年凍土區(qū)管道選材、大落差輸油管道工藝、并行管道、站場合建、抗震及地質(zhì)災害防治、水工保護、隧道及河流穿跨越、石方無細土段管道敷設(shè)、管道分段試壓等方面開展創(chuàng)新性設(shè)計，確保管道的本質(zhì)安全。

2.2管道泄漏監(jiān)測和定位技術(shù)

油氣管道泄漏監(jiān)測和定位手段是多學科、多技術(shù)的集成，傳感器、模式識別、遠程通訊、信號識別等技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)、粗糙集理論等人工智能技術(shù)的發(fā)展，使泄漏監(jiān)測定位方法獲得實現(xiàn)。由于油氣管道是非線性時變參數(shù)系統(tǒng)，因此，自適應算法的應用成為液體管道泄漏監(jiān)測的重要研究內(nèi)容，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應學習算法。目前，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泄漏監(jiān)測法尚處于試驗階段，有許多問題需要解決。此外，單一的泄漏監(jiān)測方法難以同時滿足泄漏監(jiān)測靈敏度、定位準確度、報警及時及誤報率低等多項要求，可以將多種泄漏監(jiān)測方法有機結(jié)合，使用虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)不同的測試、分析軟件模塊，構(gòu)成以計算機為核心的集測試、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)通信為一體的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)，而有效的濾波方法和信號提取、識別、分析技術(shù)是其中的重要內(nèi)容。

2.3管道完整性評估技術(shù)

在油氣管道事故致因中，自然環(huán)境、管理和本質(zhì)的不足或不利變化是直接原因，而本質(zhì)主要指管道自身的工藝、缺陷、腐蝕、疲勞。因此，為了降低管道風險，減少管道事故，需要全面、系統(tǒng)地開展管道完整性評估。在管道系統(tǒng)完整性評估技術(shù)方面，業(yè)已建立了線路完整性評估技術(shù)體系和場站完整性評估技術(shù)體系。最近幾年，復雜地區(qū)地段管道完整性評估技術(shù)亦取得一定進展，線路方面，如并行管道完整性評估技術(shù)、地區(qū)等級升級管道安全性評估技術(shù)、大口徑高鋼級管道氣體爆破試驗完整性評估技術(shù)；場站方面，如工藝管路綜合檢測評估技術(shù)、閥門磨損與壽命分析技術(shù)、壓縮機故障監(jiān)測與診斷技術(shù)。現(xiàn)階段，管道完整性評估技術(shù)存在如下問題：完整性評估技術(shù)進步滯后于管道資產(chǎn)的發(fā)展速度；各類監(jiān)測技術(shù)的選擇與生產(chǎn)實際結(jié)合不夠；完整性評估手段不系統(tǒng)，評估技術(shù)的應用缺乏審核和監(jiān)督；站場設(shè)備的數(shù)據(jù)收集和分析不深入，缺乏有效的統(tǒng)計分析手段；設(shè)備變更管理缺乏統(tǒng)一規(guī)定，GIS系統(tǒng)的建設(shè)與管道的實際情況不匹配。為此，在完整性評估技術(shù)領(lǐng)域，急需開展以下工作：強化完整性評估技術(shù)文件管理，深化信息應用的技術(shù)手段，加強數(shù)據(jù)管理和風險管控，開展完整性評估技術(shù)應用效果的審核，夯實完整性評估技術(shù)的支撐基礎(chǔ)。完整性管理體系審核是持續(xù)提高油氣管道完整性管理水平的重要基礎(chǔ)和有效手段，帥義等依據(jù)ASME和API相關(guān)標準對管道完整性管理的具體要求，基于策劃-實施-檢查-改進的運行模式原理，以獨立性、簡潔性、系統(tǒng)性為基本原則，建立了油氣管道完整性管理體系審核指標體系，開發(fā)了審核評分系統(tǒng)，其使用效果在現(xiàn)場實踐中得到驗證。

2.4管道應急搶險技術(shù)

研究油氣管道輸送介質(zhì)的泄漏特點、建立完善可行的應急搶險機制、研制方便可靠的應急搶險裝備，可以有效提高應對管道突發(fā)事故的能力。目前，基本采用數(shù)值模擬方法研究油氣管道發(fā)生泄漏后泄漏介質(zhì)的擴散速度和范圍，希望藉此為油氣管道泄漏事故的應急搶險提供指導，但總體而言，理論研究與實際應用存在一定脫節(jié)。歐美發(fā)達國家應急管理體系相對成熟，主要體現(xiàn)在各級政府機構(gòu)、油氣管道運營企業(yè)、公共安全管理部門及其他相關(guān)組織的協(xié)調(diào)運行管理，應急搶險法律法規(guī)及標準體系比較完備，為不同原因、規(guī)模、地理位置、復雜程度的事故提供了體系化處理方法，并綜合考慮多種因素進行人員和設(shè)備配置。我國應急管理相關(guān)法律法規(guī)60余部，但一定程度上存在職責不清、分工不明等問題，同時缺少管道基礎(chǔ)信息共享平臺，不利于應急搶險和安全管理。油氣管道內(nèi)的易燃易爆介質(zhì)及較高的運行壓力增加了管道風險，也增加了管道維搶修作業(yè)的難度。目前比較成熟的管道泄漏維搶修方法有：開孔封堵、管內(nèi)智能封堵、外卡夾具，復合材料修復技術(shù)可用于管道尚未發(fā)生泄漏的缺陷管道。此外，近年發(fā)展了鑄鐵接縫密封機器人（使用厭氧型密封膠密封接縫）、針孔泄漏修復夾具等新型修復技術(shù)，為管道維搶修提供了多樣性選擇。

2.5安全文化建設(shè)

在管道設(shè)計、施工、生產(chǎn)運行過程中，安全比經(jīng)濟和高效更重要，必須堅持紅線意識和底線思維。當前，在安全管理五要素（安全文化、安全法制、安全責任、安全投入、安全科技）中，安全文化建設(shè)仍然是最薄弱的環(huán)節(jié)。為杜絕特重大事故，必須高度重視全社會的安全文化建設(shè)，提高企業(yè)、員工及公眾的安全保護和事故應急意識，提高油氣管道設(shè)計的科學性與合理性，確保建設(shè)施工質(zhì)量，確保生產(chǎn)安全，減少事故的發(fā)生，降低事故的損失。

3結(jié)束語

油氣管道在國家經(jīng)濟建設(shè)中的地位日益凸顯，其對于國家、對于人民的貢獻眾所共知。隨著新《生產(chǎn)安全法》的出臺實施，油氣管道安全管理面臨更高的要求。對于油氣管道安全管理，健全法律法規(guī)和標準體系是保障，落實完整性管理是關(guān)鍵，技術(shù)發(fā)展與文化建設(shè)是基石。美國在油氣管道安全管理方面的經(jīng)驗，如建立統(tǒng)一的監(jiān)管和協(xié)調(diào)機制，完善法規(guī)和標準體系，制定系統(tǒng)的檢驗和修復計劃，加大管道安全投入，開展管道安全基礎(chǔ)研究等，值得我國借鑒參考。

作者：關(guān)中原 高輝 賈秋菊 單位：中國石油管道科技研究中心中國石油天然氣集團公司油氣儲運重點實驗室 中國石油集團東南亞管道有限公司 中國石油管道公司第一項目部