油氣管道完整性技術研究進展

田斯赟

摘 要：針對近幾年國內外油氣管道完整性技術，分別從管道風分析、完整性管理及管道腐蝕評價三個方面進行了對比與分析，總結典型管道完整性技術，分析得出國內技術的不足之處，并針對這些不足對國內未來油氣管道完整性技術的發展提出了展望。

關 鍵 詞：油氣管道；風險分析；完整性管理；管道腐蝕

中圖分類號：TE 866 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-2033-04

Abstract： The oil and gas pipelines integrity technologies at home and abroad were compared and analyzed based on three aspects of pipeline risk analysis， integrity management and pipeline corrosion evaluation. And the typical pipelines integrity technologies were summarized. Deficiencies of the domestic technologies were analyzed； and in view of these problems， future prospect of oil and gas pipelines integrity technology in China was proposed.

Key words： oil and gas pipelines； risk analysis； integrity management； pipeline corrosion

由于油氣管道是目前輸送速度最快、安全的運輸方式之一，油氣管道在目前及今后很長一段時間內將作為油氣運輸的重要工具。在長距離運輸中，油氣管道一般具有為大管徑、高壓、連續工作時間長、年限長等特點，多為埋地敷設，且無備用管路，因此，一旦管道發生泄漏或其他事故，不容易被發現且可能造成全線停輸等問題，最終造成重大事故。2011年山東蓬萊的19-3管道漏油事故以及著名的墨西哥灣管道泄漏事故，這些事故可直接或間接地表明保障管道完整性具有重要的安全意義。

在油氣管道完整性管理技術方面，盡管國內相關研究取得了大量的研究成果，但隨著世界范圍內油氣管道的陸上服役時間的增加，管道老齡化給管道完整性帶來了新的挑戰。日益增長的社會需求與油氣管道發生失效破壞的現狀直接要求我們對管道的完整性分析理論和保障問題進行進一步深入的研究。本文針對近幾年國內外油氣管道完整性技術，分別從管道風分析、完整性管理及管道腐蝕評價三個方面進行了對比與分析，總結典型管道完整性技術，分析得出國內技術的不足之處，并針對這些不足對國內未來油氣管道完整性技術的發展提出了展望。

1 管道風險分析技術

油氣管道完整性技術需要有效的管道風險分析技術支撐。油氣管道風險載荷可以通過風險分析技術獲得，以此可更有針對性地采取措施降低風險[1]。

1.1 國內研究現狀

呂奎等[2]從輸氣管道、自然災害、第三方破壞及工藝站場四個方面針對天然氣管道進行了定性的風險分析，并合理提出了應急管理的具體措施。張杰等[3]結合主成分分析及聚類分析法，對油氣管道進行風險評價，該方法有效降低了指標間的相關程度及專家打分帶來的主觀性，提高了風險評價體系的實用性及準確性。石磊明等[4]對北京市燃氣管道是管理及典型事故原因進行了總結，根據結果改進了評分法，即調整了肯特法中各評分項目的分值分布，提高了評分法在進行油氣管道風險評價中的適用性及準確性。李大全等[5]針對油氣管道風險評價過程中的管段劃分，運用模糊聚類的方法，可使管段劃分動態化，劃分結果更合理，同時通過程序實現計算過程，提高了劃分效率及準確性。劉晅亞等[6]根據百余例城市油氣管道事故統計結果，對城市高壓油氣管道事故場景進行了分析，分別運用Fluent計算事故危險性，并結合事件樹對事故影響因素進行討論，提出城市中高壓管道防護措施及控制措施。

1.2 國外研究現狀

Carlos E. Restrepo等[7]在對美國2002-2005年期間的1582次管道事故原因和結果進行了分析，應用邏輯回歸分析對影響因素與物料、財產、清潔和回復損失成本之間的關系進行了研究。Ali Jamshidid等[8]基于Matlab模糊邏輯工具中Mamdani算法，結合相對風險評分（RRS）方法，對管道評估中的不確定性進行建模，該方法既可定性分析也可定量計算，模型適用性較高。Anjuman Shahriar等[9]采用模糊邏輯來處理事故樹中基本事件和結果事件概率大小，研究了多種因素間的相互依賴關系對分析結果的影響。基于TBL持續準則，引入模糊效用量（FUV）來表征天然氣管道風險分析的結果。Lei Ma等[10]提出一種基于GDPSs的城市天然氣管網風險定量評估新方法，詳細的考慮了管網結構、不同失效模式的可能性大小以及失效后果大小。其風險結果以風險輪廓線表示，并可基于風險可接受準備得到相應的保護范圍。在文獻[11]中，他也提出了一種基于地理信息系統（GIS）的城市天然氣管道網絡定量風險分析方法，更有效地提高風險分析的準確性。

2 管道完整性管理技術

管道完整性管理是為使管道達到設備完整性標準，并使其更為可靠和安全地運行而建立的系統管理體系，并可根據不同需求進行不斷修改，從而盡可能多的找出管道存在的潛在風險源，并進行風險評價，根據結果采取相應防護措施[12]。

2.1 國內研究現狀

由于設計知識的不完備性，在大量制造時，使得現今許多新建管道難適應使用新工藝及材料進行制造。隨著《特種設備安全法》、《中國石油天然氣管道保護法》等法律的頒布，將油氣管道定義為特種設備，因此其監管要求也得到了相應的提高，使得管道制造商也提高安全生產要求[13]。文獻[14，15]均提出將油氣管道完整性管理與信息化相結合，結合其大數據的特點，充分利用計算機網絡的優勢，構建了基于完整性平臺的開放生態應用環境，較好地解決了實際管理中的問題，有力地推進了企業的精細化管理，確保了企業管理體系的落地和切實執行。油氣管道完整性管理效能評價能發掘現有管道完整性管理的可改進的空間，但現有方法與技術并不成熟。谷雨雷等[16]提出一種基于數據包絡分析（DEA）方法的效能評價計算模型，考慮各單元的相對有效性，運用DEA計算效能值，通過數值進行分級，并給出改進建議。馮慶善等[17]在對管道完整性效能評價過程中，根據管道風險水平等效能影響因子來規定修正因子，評價基礎則以實際工作情況與管理方案規定之間的符合度為基礎，使得管道完整性管理方案得到質量的考核，有利于進行體系改進。

2.2 國外研究現狀

完整性管理方面，T.A. Netto等[18]基于數據包絡分析的數學模型方法，對管道系統不同結構部分進行了風險排序，其中分別考慮了主觀和客觀判斷權重。最終提出了一種基于數據包絡分析的新的管道完整性管理工具，使得觀測失效機制輸入量與預期失效模型之間的耦合成為可能。Wellison J.S. Gomes等[19]對影響管道運行和維修的不確定性因素進行了量化，其目標函數考慮了可能的后果損失，使埋地腐蝕管道監測周得到優化，同時可作為完整性管理體系的制定基礎。

3 管道腐蝕評價技術

管道腐蝕是管道完整性破壞的常見形式，每年因腐蝕而造成的管道爆裂和泄漏事故屢見不鮮。在中國，油氣田開發已超過30年，在役管道有將近60%已運行超過20年，進入了“老齡化”階段，增加了管道腐蝕的可能。

3.1 國內研究現狀

在國內對于管道腐蝕的評價技術，一般集中于針對某種材料的管道及對其剩余強度的評價所開展的。吳燕等[20]對直接評價方進行了研究，增加了對管道內外腐蝕的考慮因素和完善了評價步驟，并對外腐蝕的評價過程中的剩余強度評價及剩余壽命預測模型進行了改進研究。駱正山等[21]在管道腐蝕后，運用彈塑性力學，深入分析軸向及環向應力，建立了剩余強度評價模型。高建華等[22]分別對均勻腐蝕、點腐蝕及局部腐蝕運用API579準進行管道剩余強度的評價研究，改善了ASME B31G準則的局限性，同時也增加了腐蝕評價的應用范圍。郭勇等[23]針對大牛地氣田埋地管道運用直接評價法并結合管道壁厚瞬變電磁檢測技術進行腐蝕評價，達到不需挖開管道、管道受損降低就能較快評價出管道總體質量情況的目的。謝閣新等[24]針對埋地鋼制管道完整的構建了管道外腐蝕指標體系，并結合模糊理論及層次分析方法構建了鋼制管道外腐蝕綜合評價方法。

3.2 國外研究現狀

Amir Samimi等[25]結合試驗和調查研究，對波斯灣油氣運輸管道腐蝕泄露原因進行了分析，得出影響腐蝕的主要因素和腐蝕產物、探究了腐蝕機理，并提出了一些實用的建議控制措施。I.S. Cole等[26]從影響土壤腐蝕的因素、點腐蝕和均勻腐蝕影響因素區別、電化學腐蝕機理和目前腐蝕模型四個方面對該領域先前研究文獻進行了調研，并提出多尺度（MSM）土壤腐蝕模型框架，該框架使得水、溶質運移和氧溶解模型的有機結合成為可能。M.N.Ilman等[27]結合目視檢查、光學顯微術、掃描電子顯微鏡檢查法、能量色散x射線（EDX）分析以及三電極電位技術對海洋油氣管道內部腐蝕致因和機理進行了分析，并提出相應的防護措施。

4 技術不足與發展方向

針對管道的風險防范及安全問題，國內外均對其完整性管理、風險分析技術及腐蝕評價方面進行了一定的研究。國內的研究相對滯后于國外。

目前，國外對油氣管道完整性管理技術已經建立相對于國內更加完善的制度，并且早已將信息化融入到油氣管道完整性管理技術當中，然而多數國內管道完整性管理技術仍處于理論制度論述階段。近幾年，隨著信息化的發展以及管道完整性管理所具有的大數據特點，我國也逐漸開始重視對完整性管理建立信息化平臺的具體事項。將來，我國計劃進一步研究油氣管道完整性技術，如對風險分析技術的研究逐漸集中在定量化評價方面，壓縮機組及泵機組的故障監測與診斷技術及其線平臺的軟件開發，提出更實用有效的管道內檢測技術以及有限元仿真技術、失效分析等。同時，將會逐步拓寬管道完整性管理的應用領域，如海底管道、燃氣管網等對象[28]。

我國的風險分析技術雖然已經開始有許多的定量的評定，但是仍較多得集中于定評的評價。經過比較可以發現，國外的風險分析，已經開始致力于發現事故的內在相互作用，對事故機理進行詳細分析。然而國內還停留在識別系統存在的風險源、風險等級評定階段。對事故的溯源分析工作仍存在較大的欠缺。

5 結 論

中國國民經濟的快速發展，全社會對清潔能源的迫切需求，以及中國油氣資源產地遠離消費市場的特點，這導致中國在未來較長的時間內，油氣管道完整性管理體系建設任務依舊困難重重。目前，風險管理技術在國外已經在管道完整性管理領域里得到普遍的應用，且已經獲得了顯著的社會經濟效益，然而，國內的風險分析技術仍處于定量化評價方法的初級階段。國外無論是對于管道事故的相關數據記錄、管道事故的追因溯源，還是對事故原因的相互作用機理的研究，都比國內發展得更近一步。

因此，我國需對油氣管道完整性技術進行以下幾個方面的研究與發展：

1）完成對油氣管道事故的統計及運行歷史數據庫的建立。這是進行風險評估的基礎，有助于對事故機理的溯源研究，對與管道相關的基礎性研究具有重要作用。

2）我國的管道風險評價盡管較多得集中于定性評價以及通過不同方法識別危險源并進行危險等級劃分，然而，需要國家制定統一的技術標準，以實現全行業的推廣，并保證風險評價的可靠度。因此，針對我國管道風險，需加快建立適合我國油氣管道運行特點的風險評價標準。

3）雖然國內技術已將信息化技術運用在油氣管道完整性管理，但是僅還僅限小范圍運用在個別單位。國內尚沒有可以廣泛使用、具有較高實用性和適用性的管道風險評價軟件。因此，我國需開發高度適用于我國油氣管道運行特點的風險評價軟件，加快其廣泛使用。

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