油氣管道全生命周期安全監測預警探析

李明　吳斌　劉思良　陳天民　張廷廷

摘 要：基于國內外油氣管道安全事故統計分析，指出管道事故主要致因為外部干擾、腐蝕、材料失效以及自然災害，其中第三方損壞是我國管道失效事故首要因素，提出應開展全生命周期管道安全監測預警進行風險防控，從源頭做好風險防控和失效防護；分析國內外管道安全監測預警技術與管理現狀，探討監測預警技術對全生命周期管道安全監測預警的適用性、可行性、經濟性，提出光纖傳感、聲波、視頻安防、地質災害監測、腐蝕監測等對油氣管道風險防控具有較高的適用性和經濟性；應加強管道安全預警技術性能評估方法和適用性準則研究，建立涵蓋技術選擇、系統設計、建設施工、運行評價的綜合監測預警管理體系和運行機制，并有效納入管道完整性管理體系范疇。

關 鍵 詞：油氣管道；全生命周期；監測預警；完整性管理

中圖分類號：TE88；TE988 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1385-04

Analysis on Safety Monitoring and Early Warning on Oil/Gas Pipelines

LI Ming1， WU Bing2， LIU Si-liang2， CHEN Tian-min2， ZHANG Ting-ting2

（1. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， SINOPEC， Liaoning Fushun 113001，China；

2. Yulin-Jinan Gas Pipeline Division of Nature Gas Company， SINOPEC， Shandong Jinan 250101，China）

Abstract： Main reasons of pipeline accidents were analyzed based on oil and gas pipeline safety accident statistics at home and abroad， such as third party damage， natural and geological disasters， corrosion and material failure. The third party damage was the primary factor of pipeline failure in China， and the whole life cycle pipeline safety monitoring and early warning should be carried out for risk prevention and control from the sources. Current situation of pipeline safety monitoring and early warning was analyzed， as well as the applicability， feasibility and economy of various monitoring techniques， in which the optical fiber sensing monitoring， sound monitoring， video monitoring， geological disaster monitoring and corrosion monitoring were most applicable technology for full life cycle pipeline risk prevention. The research on the evaluation method and applicability criterion of pipeline safety early warning technology should be strengthened. The comprehensive monitoring and early warning management system including technology selection， system design， construction and operation evaluation should be established and effectively incorporated into the pipeline integrity management system.

Key words： Oil and gas pipeline； Full-life cycle； Monitoring and early warning； Integrity management

近年來，隨著我國經濟發展和科技進步，油氣管道增長迅猛。由于受到管道路由、設施投資、區域經濟等諸多因素限制，油氣管道不可避免會經過人口密集、地質災害、經濟發達等高后果、高風險區域，一旦發生泄漏極易引發火災、爆炸等重大事故，造成嚴重損失和巨大社會影響。

國內外經驗表明：推廣應用完整性管理技術，特別是引入全生命周期完整性管理是保障管道本質安全的根本[1]。全生命周期管道完整性管理是指在管道設計建設期以及運行期不斷識別出管道可能發生的風險，并采取合適的控制措施，實現管道本質安全。安全監測可以實時掌握管道風險水平并提前預警而成為一種重要的風險防控手段[2]。我國當前處于油氣管道的大發展時期，如何科學高效地實施全生命周期管道完整性管理安全監測預警并形成標準體系是當前管道行業面對的重要課題。

1 油氣管道危害因素

1.1 管道事故致因統計

據美國運輸部（PHMSA）統計，自1994年至2013年美國共發生各類管道事故10 620起，其中材料失效因素占28.7%，腐蝕與挖掘破壞分別占18.3%和17.8%（見表1）[3]。加拿大國家能源局（NEB）統計，1992-2011年加拿大發生各類管道破裂事故34起，其中管道開裂事故11起，金屬損失事故9起，外部影響、材料、地質災害事故各2起，其他原因5起。歐洲輸氣管道事故數據組織（EGIG）統計，外部干擾破壞引發的管道泄漏事故最多達到48.4%，其次是制造缺陷/材料失效和腐蝕，分別為16.7%和16.1% [4]。我國四川輸氣管道1969年至2003年事故統計表明腐蝕、施工缺陷、外部干擾以及材料缺陷是事故主要致因[4]；針對我國2004-2013年可檢索到的28起重大管道泄漏事故中，其中第三方施工導致10起占比36%，打孔盜油7起，地質災害3起，腐蝕2起，設備材料導致3起，操作不當1起，其余2起原因不明[4]。

1.2 管道事故危害因素分析

國內外管道事故統計表明，盡管各國或組織對管道事故類型和原因劃分存在一定的差別，但整體上外部干擾、腐蝕、材料失效以及自然災害是誘發管道事故的最主要因素。國內管道事故早期危害因素主要為管道腐蝕，但隨著近十余年經濟建設快速發展，第三方損壞因素上升并成為首要危害因素，其次為自然與地質災害、腐蝕和材料失效[5]。

顯然，如果針對管道實施全生命周期安全監測預警，可以對管道設計建設階段以及運行階段識別出的高后果、高風險因素從源頭上實施安全監測與風險防控，并提供管道原始安全狀態數據，提升管道監測預警精度和安全管理水平。

2 油氣管道監測預警現狀

2.1 管道監測預警技術現狀

2.1.1 光纖傳感監測預警

分布式光纖傳感基于光纖散射及干涉原理實現管道溫度、應力、泄漏以及安全防御等監測預警，如日本ANDO公司研制的光纖應變/損耗分析儀可檢測光纖沿線80 km的應變信息[6]。英國QinetiQ公司產品Opta Sense利用通信光纜監測50 km內管道附近人員、車輛和機器等[7]。澳大利亞FFT公司的分布式光纖管道安全防御系統可檢測管道泄漏、挖掘、機械施工等事件[8]。國內中石油管道科技中心研制的管道分布式光纖預警系統可對人工破壞、機械挖掘等分類報警和準確定位[9]。準分布式光纖光柵傳感多用于管道局部敏感危險點的監測，如英國Smart Fibers公司開發的4通道光纖光柵傳感分析儀可用于監測變化很慢的應力、溫度和壓力[10]。

2.1.2 功能化安全監測預警

針對管道外部干擾，美國GE公司開發了Threat Scan聲學入侵探測系統并被美國和歐洲管道公司廣泛采用；美國Magal Senstar公司開發的Dream Box視頻圖像探測系統可實現各類破壞行為的報警[7]。美國CORTEST公司針對管道內腐蝕開發了MICROCOR磁感應傳感器和監測系統評估管內介質腐蝕能力與腐蝕狀態[11]。針對管道外腐蝕，美國INCON公司的TS-CPM陰極保護監測系統可實現恒電位儀輸出電壓、電流、管地電位和雜散電流等的遠程監測[12]。美國ASI公司開發的 Wave Alert音波管道泄漏檢測系統在美國、澳大利亞和我國的20 多個管道工程得到應用[13]。國內中石油管道科技中心等單位開發了管道聲波預警、地質災害預警、智能陰保監測和音波泄漏檢測等實用化安全監測系統并局部應用[9，14]。

2.2 管道監測預警管理現狀

歐美國家管道安全監測體系較為完善并得到法律保障，如美國2006年發布的《管道檢測、保護、實施及安全法案》。國內較多規范涉及管道安全監測，如SY/T 6186《石油天然氣管道安全規程》中提出油氣管道安全設施包括有毒有害氣體監測報警系統、腐蝕控制與監測系統、自然災害防護和安全保護設施等，GB 32167《油氣輸送管道完整性管理規范》中指出對管道第三方損壞、自然與地質災害以及腐蝕等風險應實施監測或安全預警等控制措施，SY/T 6827 《油氣管道安全預警系統技術規范》中提出管道安全預警系統可選擇光纖預警、聲波預警、智能防腐層預警、視頻安全監控等技術，但尚未建立系統的管道監測預警標準體系。此外，國內管道企業開展安全監測預警多集中于在役管道的單一風險因素管理及應急管理[15]，如西氣東輸一線管道針對地質災害建立了沿線地質災害風險前期監測網和監測預警體系[16]，港棗管道針對外部破壞建立了管道聲波預警系統和技術體系[9]，東黃管道針對管道外腐蝕應用了極化電位檢測與無線遠傳實時掌控陰極保護真實狀態[17]；此外，各企業開展安全監測預警時間不同，技術水平參差不齊，與管道完整性管理系統結合度不高。

3 油氣管道全生命周期監測預警

3.1 管道監測預警技術適用性

油氣管道實施監測預警風險防控，首先應基于管道高后果區、風險評價及危險源識別等確定管道敏感因素，并依此制定安全監測目標與指標，綜合考慮不同技術的性能特點、施工難度及投資費用等綜合評估選?。ㄒ姳?）。

光纖傳感監測預警通過獲取管道沿線及重點區段溫度、應力及振動信號識別并定位異常事件，如機械/手工挖掘、車流負載、鉆孔施工、農業耕種、表面爆破、管道泄漏、自然及地質災害、管道應變/變形等，因而適用于管道人口密集區、工業區、地質災害區以及管道轉彎處、接頭部位等區域。聲波監測預警采用高靈敏度傳感器檢測管道沿線機械挖掘、打孔盜油等異常聲波信號而判別預警，因此對管道無光纜管段、打孔盜油易發區以及高后果區等較為適用；視頻安防監測適用于管道高后果區、站場、庫區、閥室、隧道、穿跨越等重點區域，實現外部入侵實時預警；聲波監測預警和視頻安防監測預警初期投資較高，可依防護目標和監測指標局部選用。

管道布設地質災害監測預警系統，可在設計建設期即評估管道沿線地質災害與管道位置和危險性，掌握管道初始結構狀態，對運行期管道失效狀態準確判斷預警；系統通常局部應用，投資適中。音波泄漏監測和光纖氣體傳感對管道泄漏風險能實現較好的預警，但均屬于事后預警，同時音波泄漏監測預警投資較高，且對運行壓力較高管道布設音波探頭存在一定風險。針對管道介質流速、高程變化，存在外界干擾等重點區段部署腐蝕監測可以掌握管道腐蝕規律和趨勢，評估和檢驗腐蝕控制技術效能。針對水域大開挖穿越管道安全監測預警的標記漂浮物技術，可結合管道建設施工在穿越段布設固定線、固定鏈和標記漂浮物等實現穿越管道裸露懸空的安全監測[18]，系統施工簡單，投資較低。

因此，針對全生命周期管道安全監測預警，應用光纖傳感安全監測、聲波監測、視頻安防監測、地質災害監測、腐蝕監測可有效實現第三方損壞、地質災害、腐蝕等風險因素的預警防控，且監測預警精度高、整體投資適中；針對高后果區、重大危險源等重點區域，還可以復合使用多種技術；在管道設計建設階段即部署監測預警系統，還可與管道建設工程同期配套施工，有效降低投資并避免了管道運行階段安裝須停產或帶壓安裝風險。

3.2 管道監測預警技術規范建立

選擇監測預警技術需考慮管道環境條件和需求并結合不同技術特點?，F行的SY/T 6827油氣管道安全預警系統技術規范僅涵蓋光纖預警、聲波預警和視頻監控等技術內容，對監測預警技術選擇依據、管道監測預警實施技術要求等內容也未涉及。因此，有必要開展管道安全預警技術性能評估方法和適用性準則研究，明確不同監測預警技術適用性條件和針對全生命周期不同階段管道實施技術要點，建立系統的油氣管道安全監測預警技術規范，為企業科學應用安全監測預警技術提供量化標準和科學依據。

3.3 管道全生命周期監測預警體系

監測預警體系建設是保障管道安全的有效方式。對油氣管道全生命周期面臨的多風險因素防控，應系統化考慮并設計安全需求和技術方案，建立涵蓋監測預警技術選擇、監測預警系統開發、與管道工程配套施工、全維度監測預警運行、信息安全評價預警的綜合技術體系，并與完整性管理系統進行集成和數據庫共享，實現運行參數、管道結構、油氣泄漏、腐蝕防護、外部干擾等多種信號的多功能、一體化監測預警管理；此外，應構建企業全維度安全監測預警技術規范、操作程序、實施細則、決策支持等管理體系和運行機制，細化全生命周期管道安全監測預警技術要點與決策支持，重點開展全維度監測信息的綜合風險分析，將油氣管道安全監測預警有效納入全生命周期管道完整性管理體系范疇。

4 結 論

（1）國內外管道事故統計表明，外部干擾、腐蝕、材料失效以及自然災害是管道事故主要致因，其中第三方損壞是我國管道失效事故首要因素；有必要開展管道全生命周期安全監測預警建設，從管道設計建設源頭做好風險防控和失效防護，提高監測精度和預警效率。

（2）針對管道全生命周期監測預警，管道光纖傳感、聲波、視頻安防、地質災害、腐蝕等監測預警技術對油氣管道第三方損壞、地質災害、腐蝕等風險因素防控適用性和經濟性較高，并可與管道建設工程同期進行監測預警施工，降低施工風險和投資。

（3）有必要開展管道監測預警技術規范及體系建設，加強管道安全預警技術性能評估方法和適用性準則研究，建立預警技術選擇、監測預警系統開發、與管道工程建設配套施工、全維度監測預警運行、信息安全評價預警的綜合體系和運行機制，并有效納入管道完整性管理體系范疇。

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