低溫凍土區油氣管道失效事故分析

房劍萍　段慶全

中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院,　北京　102249

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低溫凍土區油氣管道失效事故分析

房劍萍段慶全

中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院,北京102249

摘要：近年來,隨著凍土區油氣資源的開發和利用,凍土區管道運輸受到越來越多地關注。由于凍土區域地質與環境的特殊性,對管道運行具有嚴重的不利影響,因此,對凍土區域的油氣管道事故進行分析顯得尤為重要。對近年來美國與加拿大輸油氣管道事故進行數據統計與分析,比較凍土區與非凍土區管道事故的區別與聯系；參考相關文獻,將凍土區管道事故原因分為7類：融沉、凍脹、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水。對此數據進行統計與分析為我國凍土區的油氣管道事故分析、應急處理、風險管理等提供參考,也為凍土區管道的設計、施工及其凍害防治等提供科學依據。

關鍵詞：油氣管道；凍土；凍脹；事故分類

0前言

目前,隨著溫暖地區油氣資源的日益枯竭,多年凍土地帶的油氣資源得到了普遍關注[1]。由于凍土區蘊含大量的油氣藏,且非凍土區的油氣資源開采成本不斷上升,因此,很多跨國石油公司和政府都將開發凍土區域油氣資源作為長期發展計劃的重要部分。但凍土區尤其是多年凍土區地質條件復雜,管道有別于溫暖地區管道。凍土環境直接影響了凍土區油氣管道的安全運營,一旦發生事故,會給人們的生命財產及生態環境造成很大危害。如Canol管道在敷設完成后的第二年發生了凍土融沉事故；美國的阿拉斯加(Alaska)輸油管道也發生過嚴重的融沉和凍脹問題,造成部分埋地管段失穩,經濟損失慘重[2]；中國的格拉輸油管線由于凍脹和融沉問題造成多次露管現象和泄漏事件,經濟損失嚴重[3]。因此,對凍土區域尤其是多年凍土區域的管道失效事故案例的統計與分析顯得尤為重要。目前，美國的OPS、NTSB、PHMSA,歐洲的EGIG,加拿大的NEB，英國的UKOPA等機構在這方面都做了相關工作,中國石油天然氣管道局、中國特種設備監測研究院等機構也做了相關工作[4]。文中以美國和加拿大凍土區管道失效事故案例為依據進行調查分析,全面掌握管道事故的次數、損失及原因,從而掌握凍土區域管道失效事故發生的規律性,進一步為凍土區管道的設計、施工，凍害防治，事故預防和事故應急以及制定管道運行工作方針、政策提供科學依據。

1凍土區管道事故原因分析

近些年,美國、加拿大等國為解決能源危機,加快了開發北極和北極近海等多年凍土區能源的步伐,管道事故也是屢見不鮮,同時造成了財產損失、人員傷亡、環境破壞等危害。以美國與加拿大的凍土區管道事故案例為依據,對凍土區域管道事故原因重新分類。參考相關文獻[5-10]和事故報告[11-15],將凍土區管道事故原因分為凍脹、融沉、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水7類,但這7類事故原因有些為凍土區域所特有,而有些如露管、地震等并不是凍土區域獨有的現象,在非凍土區也時有發生,但在凍土區事故后果更加嚴重,這主要與凍土區域的自然環境與地貌特征有關。

采用定性分析方法對以上7種事故原因進行風險分析,把發生事故的可能性與嚴重度分別劃分成不同等級,并根據經驗及相關資料確定發生事故的可能性與嚴重度,以事故嚴重度為橫坐標,事故發生可能性為縱坐標,畫出風險分析矩陣,見圖1。可能性與嚴重度等級的不同組合可以區分不同事件所導致的風險程度。根據事件導致的事故后果制作表1,對7種管道失效事故原因進行對比分析,包括是否為凍土特有、易發季節、引起原因、影響、可能性、嚴重度和風險等級。

圖1　風險分析矩陣

由表1可知，凍脹、融沉、露管的風險等級最高,為Ⅳ級。這是因為凍脹、融沉是凍土區常見也是容易發生的管道失效事故,且可能造成嚴重后果；露管事故的后果雖然不嚴重,但發生的可能性較高,凍脹、融沉、地震、滑塌、洪水都有可能造成露管的發生,因此風險等級也是Ⅳ級。冰堵、地震、一般斜坡滑塌、季節性凍土區斜坡滑塌、暴雨洪水的風險等級為Ⅲ級,融雪洪水、冰凌洪水的風險等級為Ⅱ級。根據表1及凍土區域某一管線周圍環境可以預測該管線可能發生事故的類型、時間、原因、后果等情況,可以采用適當的方法及預防措施以減少管道事故發生的可能性。

表1凍土區油氣管道事故原因對比分析

分類凍脹融沉冰堵天然氣管道冰堵輸油管道冰堵露管地震滑塌洪水一般斜坡滑塌季節性斜坡滑塌暴雨洪水融雪洪水冰凌洪水是否為凍土特有是是是是否否否是否是是易發季節冬(季節性)春(季節性)冬(季節性)冬(季節性)全年(永久性)春夏(永久性)全年(永久性)全年(永久性)全年-全年春夏春夏秋春夏(特殊地區除外)秋末初春引起原因低溫導致的土體凍后膨脹升溫導致的凍土融化后土體壓密天然氣水露點高,管中存有液態水地溫太低,管中存有液態水凍脹、熱融滑塌、凍土融化、取土不當,河流沖刷、埋深不足-河流、雨水積雪、地下水使土體失穩斜坡土體產生凍脹、融沉,春季凍結土體融化降雨量大積雪或冰川在春夏季節因氣溫升高融化封冰期河流積聚的水量在解凍期急劇釋放下泄影響管道彎曲變形管道彎曲變形管道堵塞停運管道堵塞停運管道彎曲變形管道開裂錯斷管道彎曲變形管道彎曲變形移位斷裂泄漏移位斷裂泄漏移位斷裂泄漏可能性容易發生容易發生偶爾發生不常發生非常容易發生不常發生偶爾發生偶爾發生容易發生偶爾發生偶爾發生嚴重度ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅡⅡⅡⅡⅡ風險等級ⅣⅣⅢⅢⅣⅢⅢⅢⅢⅡⅡ

2國外凍土區管道事故統計分析

2.1美國管道事故統計分析

2.2加拿大凍土區域管道事故統計分析

根據加拿大能源管道協會(CEPA)統計,加拿大各類地下油氣管道總長約84×104km,其中運輸干線為11.3×104km,包含天然氣管道77 750 km、液體管道37 388 km[16]。本文統計分析的加拿大管道事故均來自于加拿大運輸安全委員會(TSB)的輸油氣管道事故報告。本文對1992～2012年之間的86篇管道事故報告進行了詳細統計,得出加拿大凍土區管道失效事故原因與凍土區管道腐蝕分類的餅狀圖,見圖3。

圖2　美國凍土區與非凍土區的管道事故原因對比圖

圖3　加拿大凍土區域管道失效原因圖

3結論

1)與美國相比,加拿大凍土區域管道更容易發生管道腐蝕事故,而美國凍土區管道失效的主要原因是外部干擾。這是由加拿大凍土區的地質條件所決定,如土壤電阻率，pH值低也會促進管道的腐蝕進度。我國黑龍江北部情況和加拿大情況相近，而新疆及西藏凍土區域與加拿大則不盡相同。

2)通過對凍土區管道事故案例的分析總結,將凍土區油氣管道事故原因分為凍脹、融沉、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水7類。其中凍脹、融沉、露管是最主要原因,應采取措施加以防范。

3)由于凍土區域地質與環境的特殊性,凍土對油氣管道運行具有嚴重的不利影響,使得事故屢有發生,造成重大的人員、財產損失。大多數北半球的國家為此問題所困,凍土區油氣管道得到了廣泛重視。但我國對凍土區管道的設計、施工、應急處置、運行管理等科學技術難題研究不足,尤其是管道工程的研究,對事故案例缺乏足夠的統計與全面分析。因此,對該類事故案例的統計分析尤為重要。

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收稿日期：2016-02-29

基金項目：中國石油大學(北京)青年教師專項培養基金項目(KYJJ 2012-04-26)

作者簡介：房劍萍(1989-)，女，河南商丘人，碩士研究生，從事油氣生產裝備失效分析與完整性管理等研究工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.002