海底管道完整性管理研究進展

程 濤，朱夢影, 李 嘉, 曹亞文

（1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452； 2. 長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710016）

自20世紀50年代美國在淺水區域鋪設了第一條海底管道以來[1]，如何保持和維護海底管道的安全運行一直是海底管道運營企業面臨的一大挑戰。如今，海底管道沿線與港口、海洋工業、商業或休閑娛樂區域、環境敏感地區相交叉，使得海底管道面臨的挑戰與威脅更為復雜。相比與陸上油氣管道，海底管道服役于惡劣的海洋環境中，監測維修難度大，一旦發生失效，不僅經濟損失巨大，而且會對海洋環境造成嚴重污染。

1 海底管道完整性管理概述

海底管道完整性管理(SPIM)指管道運營企業為了達到保障海底管道完整性，經濟合理地保證海底管道安全運行而采取的一系列管理活動。主要任務是識別和評價海底管道運營中的風險因素，制定相應對策來改善風險因素；在事故發生前做好典型事故應急預案，并加強演練，避免突發事件時處理不當，造成巨大損失和傷害[2,3]。

海底管道完整性(SPI)與管道完整性要求一致，主要包括3個方面：（1）海底管道始終處于安全可靠的狀態；（2）海底管道在物理結構和設計功能上是完整的，始終處于受控狀態；（3）海底管道運營方采取相應的技術管理措施來減少管道在運行過程中發生事故的頻率[4]。海底管道完整性(SPI)在其設計和建設（制作和安裝）階段建立，在操作階段持續維護。常規的在役管道完整性管理技術主要圍繞六步循環進行，如圖1所示。

2 海底管道失效原因

分析統計國內外海底管道失效事故原因[5]發現由于內部流體的腐蝕，海洋波流的沖刷作用，拖網撞擊、錨擊等第三方破壞是導致管道事故的主要因素；管材缺陷和施工缺陷等工程質量問題也是比較常見的事故原因。除此之外，施工前期的設計缺陷、管道運行過程中的操作失誤等也是海底管道失效的原因，具體的海底管道失效原因分類如圖2所示。

圖1 在役管道完整性管理Fig.1 Integrity Managmnet of Pipeline In Service

圖2 海底管道失效原因Fig.2 Failure reasons of submarine pipeline

英國PARLOC2001 數據庫收集了北海1567條海底管道的泄漏數據。這些管道包括鋼質（Steel）管道和柔性（Flexible）管道，369起事故進行了統計分析，結果如圖3和圖4所示。由圖可知海底鋼質管道的主要失效原因排在前四位的分別為沖擊、管道腐蝕、拋錨撞擊和材料缺陷，共導致80%以上海底管道事故；柔性管道失效的主要原因是材料、沖擊、拋錨、結構和建造[6]。

圖3 海底鋼質管道失效因素Fig.3 Failure reasons of submarine steel pipeline

圖4 海底柔性管道失效因素Fig.4 Failure reasons of submarine flexible pipeline

對國內1998-2012年公開發表和報道的19起海底管道泄漏事故進行分析，如圖5所示，可以看出，從公開的統計數據中，第三方破壞、沖刷懸空、管道腐蝕、海底自然災害是導致海底管道失效的主要因素，共導致85%以上海底管道事故。

圖5 中國海底管道事故失效原因統計Fig.5 Failure reasons of submarine pipeline in China

3 海底管道完整性管理標準現狀

為了滿足日益增長的能源需求，能源的開發逐步伸向海洋，并且石油天然氣開發規模不斷擴大，海底管道長度迅速增長。為確保海底管道的安全高效運行，相應的完整性管理也日益引起管理公司的重視。2001年，美國石油學會和焊接協會發布了API STD 1160和ASME B31.8S標準，通過多年實踐，這兩部標準也不斷更新；為強制進行海底管道安全運行管理，2002年美國國會決議通過了第一個管道安全運營法規H.R.3609號法規；2010年美國交通部(DOT)頒布了49CFR Section 192和Section 195，管道完整性管理法規[7]。

英國、挪威、澳大利亞、丹麥等國政府正聯合協作，積極推動海底管道完整性管理方案的建立。目前國外使用較多的是PiMSlider管理系統，該系統是BV結合10余年管道分析經驗開發出的管道完整性管理系統，是目前唯一大規模廣泛應用的完整性管理工具。

2005年我國國家發改委發布了《輸氣管道系統的完整性管理》標準，該標準等同于ASME B31.8S標準，并以此作為我國石油天然氣行業的推薦標準。2009年中國石油天然氣集團公司推出了最新企業標準《管道完整性管理規范》，但這些標準主要針對陸上管道，對海底管道所處的海床、波浪、海流、海水等特殊情況考慮較少，還不能作為海底管道開展完整性管理研究的依據[5]。

中國海洋石油總公司自 2008年啟動海底管道完整性管理項目，已初步建立了海底管道的數據管理系統，但并未完成包括 GIS、數據管理、風險評價、管道內外檢測、穩定性分析、懸跨分析、位移分析在內的海底管道完整性管理系統的開發，也未能實現海底管道完整性管理系統的應用。

4 海底管道風險評價技術

4.1 風險評價方法分類

按照風險量化程度可以分為三類：定性方法、半定量方法和定量方法。定性方法一般為風險等級的定性描述；半定量方法一般為指標體系法，結果為一相對數值，數值大高低表示風險的高低，為無量綱值；定量方法結果為具有一定實際意義的數值，大小表示風險的高低，為有量綱值。常用的海底管道風險評價方法如表1所示：

表1 常用的海底管道風險評價方法Table 1 Typic method of risk assessment

當進行海底管道風險評價時，根據被評價管道的特點，現有的基礎材料，以及具體的實際情況進行分析比較來選擇合理的評價方法。甚至對于一個評價對象進行多種評價方法進行互補，綜合分析，相互驗證從而提高評價的準確性[8,9]。

4.2 海底管道風險評價模型

胡顯偉[10]，提出一種新的模糊 Bow-tie 模型定量風險評價方法。綜合運用Bow-tie 圖、模糊集以及德爾菲法，定量分析海底油氣管道泄漏概率，同時，結合風險矩陣，實現對高風險深水海底管道的定量風險評價。

李毅[11]，基于Kent法的基本原理，結合我國海底管道管理的實際情況，梳理劃分了第三方破壞與機械損傷、腐蝕與沖蝕、結構與設計、誤操作、自然與地質災害5 大類海底管道風險因素，設計了包含73個指標的風險評價指標體系，建立了半定量的海底管道風險評價模型。

丁鵬[12,13]，基于模糊數學理論提出了一種海底管道風險評價方法，這種方法能夠有效的避免常規評價風險中的出現的主觀新，使評價結果更具客觀性與管道實際情況更加接近，因此具有一定的應用價值。

4.3 管道風險評價軟件

管道風險評價過程涉及大量數據處理和計算工作，通常需要軟件輔助完成，國外比較著名的風險評價軟件有加拿大的C-Fer公司的Piramid軟件，美國Dynamic Risk Assessment Systems公司IRAS軟件中的RiskAnalyst模塊，美國American Innovation公司Bass-Trigon開發的風險評價模塊、美國GE PII公司開發的 PVI軟件及挪威 DNV開發的OrbitOffshore軟件。上述這些風險評價軟件能幫助客戶實現數據管理、風險計算、結果展示功能。

國內中國石油管道公司基于肯特打分法的半定量風險評價模型開發了適合中國石油自身特點的風險評價軟件工具RiskScore管道風險評分系統。該軟件可系統全面的識別影響管道完整性的風險因素。另一款軟件為 RiskSharp管道定量風險評分系統，該系統是一款基于失效統計的管道風險定量評價專業軟件。該軟件對各風險因素引起的管道失效后果進行貨幣化計算，采用貨幣損失來定量展示風險等級[14]。

雖然我國管道風險評價技術有所發展但是相比國外技術差距很遠主要表現在：① 缺乏有效的量化管道風險評價技術；② 缺少我國海底管道故障數據的收集和分析；③缺少對海底管道失效后果的全面估算和評價；④缺少針對海底管道的風險評價實證研究。

5 結束語

國內外對海底管道完整性管理的研究較為零散，還沒有形成完整的管理體系；完整性管理方法不統一，側重于力學的理論分析較多。

而目前已開展的管道完整性管理多應用于陸上管道，針對海底管道的運用還不夠系統。因此在鑒國內外先進管道完整性管理方法及技術的基礎上，建立海底管道風險識別評系統，實現海底管道風險因素監控自動化，編制海底管道事故應急預案等，對保障海底管道安全運行具有重要意義。

［1］董紹華,楊祖佩.全球油氣管道完整性管理技術與管理的最新進展[J].油氣儲運運,2007,26 (4):1-17.

［2］American Petroleum Institute, Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipeline[S].API 1160-2001, 2001.

［3］ASME, Managing System Integrity of Gas Pipelines[S]. ASME B31.8S-2009, 2010.

［4］DNV. Integrity Management of Submarine Pipeline Systerm[S]. DNV-RP-F109, 2009.

［5］胡軍.海底管道完整性管理解決方案研究[D].天津:天津大學,2012.

［6］原文娟. 基于屏障的在役海底管道量化風險評價技術研究[D]. 中國地質大學（北京）, 2014.

［7］趙冬巖,余建星.海底管道完整性管理研究[J]. 海洋技術, 2008, 27(4):71-74.

［8］謝云杰. 海底油氣管道系統風險評價技術研究[D]. 南充：西南石油大學, 2007.

［9］楊娥. 海底管道風險評價研究[D]. 南充：西南石油大學, 2012.

［10］胡顯偉, 段夢蘭, 官耀華. 基于模糊 Bow-tie 模型的深水海底管道定量風險評價研究[J]. 中國安全科學學報, 2012, 22(3):128-132.

［11］李毅, 王增國, 詹燕民, 等. 基于 Kent 法的海底管道風險評價模型[J]. 油氣儲運, 2014, 12: 011.

［12］丁鵬, 張敏. 基于模糊數學的海底管道風險評價方法研究[J]. 管道技術與設備, 2011 (5): 6-8.

［13］丁鵬. 海底管線安全可靠性及風險評價技術研究 [D]. 東營: 中國石油大學 (華東), 2008.

［14］姚偉. 油氣管道完整性管理技術[M].北京:石油工業出版社，2010:10-40.