油氣管道運行維護安全技術研究新進展

劉志剛 王禹欽 王學力

中國石油天然氣股份有限公司管道分公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

從中國管道行業發展前景看,今后10～15年,油氣管道將迎來新一輪的建設高峰,預計到2030年中國管道總里程將達到25×104～30×104km,油氣管道行業仍處于發展的黃金時期。油氣管道安全高效運行，不但關系著企業自身的發展,也關系著國家發展能源供應的安全,在國際油價低位徘徊和國民經濟結構轉型的關鍵時期,油氣管道運行維護與安全管理相關技術的創新和提升,是實現管道安全高效運行的重要保障[1]。

中國管道管理存在多部門主管,多層次參與,部分職責不清、重疊等問題。雖然在《安全生產法》《石油天然氣管道保護法》等法律法規中要求對油氣管道進行預防式管理,但未明確規定各管道必須開展完整性管理,與國外相比存在差距。近年來,發生的多次管道事故,暴露出中國在安全管理、應急響應和監管體制等方面存在不足。而歐美發達國家管道公司在政府監管方面法規明確,配套技術標準比較完備[2]。本文對國際上的油氣管道運行維護與安全管理技術研究新進展進行了綜述,以期對提高中國管道本質安全管理水平,預防事故的發生,提供借鑒。

1 管道安全管理體系

1.1 完整性管理程序的實踐與改進

導致油氣管道失效的根本原因是管理制度和相關流程的缺失或執行不到位。完整性管理程序(IMP)建立了在一定架構范圍內評價和減緩風險的流程,以求確保管道系統資產的長久完整性。合理地執行IMP,能夠減少突發事件發生的概率。

歐美發達國家每年或當事故發生時,運營商需向各種監管機構提交運營、維護和資產的數據。Explorer管道公司和DNV GL集團共同研發了IMP的實用績效指標[3],支持計算維修項目的成本效益率/投資回報率,洞悉未來的運營風險。加拿大能源管道協會(CEPA)制訂了完整性一體化?[4]行業規程,融合了北美重要規定和標準中的需求,聚焦安全、環境和社會經濟學,加強整個管道行業效能、合作和交流。基于計劃、實施、檢查、改進(PDCA)循環的方法，被Nidd P等人[5]用于檢驗管道IMP的健康程度,以促進企業管理達到最佳實踐。Sporns R等人[6]基于Enbridge公司多年實施IMP所獲得的深刻見解,也建立了一套完備和有效的保障管理程序(AMP)和相關流程,以促進完整性管理體系循環持續改進。Hodgson J O等人[7]基于Penspen公司過去16年為國際管道運營商開展的30多次管道完整性管理體系審核基礎,歸納出從設計、施工到運營維護等管道全壽命周期最佳實踐做法的一系列推薦性建議。美國交通部管道和危險材料安全管理局(US DoT PHMSA)組織開展了管道施工行為中質量管理體系的改進[8],是按照PDCA的方式實施。CSA Z662附錄N是加拿大管道運營商實施和執行IMP的行業強制執行標準,Waheed B等人[9]在IMP執行5年后對其進行了合規保障評價,并針對性地提出下個5年改進建議。2006年阿拉斯加州北坡油田管道發生泄漏后,當地州政府成立了石油系統完整性辦公室(PSIO),負責石油和天然氣資源相關的設施、設備維護的監管,Norton D等人[10]對PSIO 10年間的監督管理作用進行了評價,提出了未來政策、制度和監管方法的改進建議。Lutz A R等人[11]建立了一種更新和改進IMP作業文件的實用方法,根據差距分析改進了現有工作,解決舊文件中交叉矛盾的做法,最后修(制)訂IMP作業文件。

1.2 應急響應與失效分析

在役管道的狀態一般通過內、外檢測的方式進行監測。當發現管道健康惡化時,檢測會按計劃中斷。與時間有關的威脅如未能及早發現,或隨機事故的發生如第三方破壞,可能會導致管道失效,此時就需要開展應急修復。Alani A等人[12]開發了基于風險策略的陸上和海底管道應急修復系統,按照失效后果的嚴重性進行排序,并優化修復策略。Zhang S等人[13]開發出突發事件全系統響應規程,完善了IMP的威脅識別和全范圍的風險評價。

開發管道安全管理系統時,應首先思考哪些因素與過去發生的事故及未遂事故的根本原因相關。Weichel M[14]采用已有的管理體系標準或實踐做法中的要素,分解、歸類每個事故原因,并結合各種工藝和流程開展差距分析,確定開發和實施安全管理系統時要素的優先級。玻璃鋼管是加拿大石油和天然氣行業第二大常用管,該類材料的失效率遠高于鋼管的失效率,整個行業仍處在學習研究該類材料如何失效的階段,Gareau F等人[15]分析了玻璃鋼管失效的原因,建立了其失效順序。

1.3 管道安全文化的發展

近年來,管道行業對安全文化這個概念的興趣不斷增長。安全文化由公司的屬性和價值觀以及公司員工的認知和價值觀組成,改善機構的安全文化能夠減少意外事件發生的頻次。Maddin K等人[16]開展了適應管道行業的安全文化評價,以幫助機構在所有業務層面改善安全文化,提高人身和過程的安全績效。Harron L等人[17]制訂了加拿大標準協會過渡文稿(CSA EXP248):管道人為因素,通過管理與人為因素相關的風險,來改進管道安全性能。

1.4 其他行業借鑒的方法

在管道安全管理領域,借鑒過許多其他行業的方法,如原本應用于飛機艦隊維護的整體壽命結構完整性方法等。Munro J等人[18]研究了那些因為災難性事件而做出過重要變革的行業,認為管道行業必須聯合協作,用統一的方式才能更有效解決行業安全問題。Pettitt G等人[19]將領結法引入管道設計、建設、運行和報廢處置等階段和重大事故危險源識別。Oliphant K等人[20]通過冪次定律分析美國歷年管道事故,建立了事故規模和發生頻率之間對應關系,對于一個給定量級的事故,能投射出其發生的可能性或預期頻率。

2 管道運行和維護

2.1 管道隔離

常規的管道維護和改造工作需要去除管道內的有機化合物,管道必須減壓(放空)或暫時隔離。減壓(放空)影響生產,代價高昂,替代方法是將需要維修或維護的管段隔離開來,后者允許管道繼續運營。隔離的方法,包括動火(如帶壓開孔和封堵)和非動火(在線隔離封堵)。與使用傳統的前后插入兩個單獨的封堵頭結構相比,雙封堵和導流技術能使密封良好，充分保障泄漏管理,及時完成不間斷輸氣,且大大降低項目成本。Whiteis K等人[21]提出了雙重屏障隔離的概念,以及如何利用動火和非動火的方法來提供滿足公認需求的雙重屏障隔離,還介紹了當標準隔離不能實現的情況下可以使用的方法。Iyengar S K等人[22]使用雙封堵和導流動火隔離技術,對暴露的海底管道進行改線,在保證不停輸的情況下,確保附近休閑海灘的安全。Bolger N等人[23]在時間緊、施工空間受限的情況下,成功采用雙封堵和導流技術對1條36″(1″=25.4 mm)高壓輸氣管線進行隔離,以連接清管發射器和接收器。

2.2 管道修復和補強

過去的20年里,管道行業開展了大量關于使用復合材料來修復和補強管道的研究。通過使用復合修復系統,通常能夠恢復受損管道(包括腐蝕和機械損傷)的結構完整性,使其達到甚至超過原始未受損管道時的水平。當前,復合修復系統在高溫和惡劣的環境條件下,強度、耐用性和有效性研究及改進仍是熱點。Sheets C等人[24]證明了碳基和無堿玻璃纖維等復合修復材料高溫補強的可行性。Alexander C等人[25]驗證了承受極限彎曲和內壓載荷的大直徑彎頭,使用無堿玻璃纖維/環氧樹脂復合材料補強的有效性。Alexander C等人[26]提出了不同補強系統的評估方法,發現平衡套筒設計能夠提供類似于B型套筒的補強;對鋼制套筒有競爭性的填充材料進行性能評估,發現水泥灌漿略優于環氧樹脂灌漿,而后者是當前行業首選的填充材料。

2.3 管道放空

高程變化的影響和中間放空立管的位置決定放空的最優策略,以最大速度清除目標管段,同時保持管內平均流速高于最低清除速度以防止惰性氣體和天然氣分層。Botros K K等人[28]研究了管道高程變化對輸氣管道最優放空程序的影響,發現“平”型或“尖”型的高程剖面,有利于在中間放空立管的位置使用一個排氣裝置開展隨后的放空程序;在“V型”高程剖面的情況下,同時排放的放空程序是在指定時間內更好地選擇,代價是需要使用兩套排氣裝置放在相距很遠的地點。惰性氣體進入位置取決于放空策略和高程剖面。

天然氣進入管道時,在接收點需要依據氣體質量規范進行檢測,以確保下游支線和干線運行不受影響。偶爾,天然氣加工廠遇到操作不當,會產生一個較高的烴露點。理想情況下,當探測到烴露點擾動,且天然氣生產已經停止時,可以對支線進行清管以去除凝合碳氫化合物。如果支線無法進行清管,去除液態烴的唯一方法則是蒸發進入干燥氣體流中。Hartloper C等人[29]基于GERG-2008狀態方程和持液量經驗方程進行建模分析,分析氣體成分、支管高程剖面、地面溫度等流動參數對擾動嚴重程度的影響,探討了在不同情況下,采用持續輸出干燥氣體的前向流方法,以及將干燥氣體從干線通過支管往回向生產商輸送的牽引返回流方法,哪種方法更適合的選擇標準。

2.4 廢棄管道處置

當管道處于壽命末期需要被永久停用時,就該考慮管道廢棄處置了。北美的法規認可將管道設施廢棄在原來位置作為退役的一種方式,并推薦因地制宜評估擬采用的廢棄處置方法。當管道被廢棄時,通常需要對管道進行沖洗、標記,并將所有的腐蝕保護和監測系統移除。棄置管道的主要危險，包括鋼管的長期腐蝕退化,管道內可能積水,對環境可能的影響,以及可能產生的管道坍塌和土壤沉降。保護廢棄管道常見的工業方法有泡沫充填或注漿,充填過的廢棄管道可以防止因管道腐蝕導致的地面不穩定和沉降;創建栓塞或切割/封蓋廢棄管道可以防止成為水管道。Finneran S等人[30]研究了廢棄管道長期結構完整性,提出一種估算正在經歷長期腐蝕退化的管道剩余強度計算方法,并計算了其載荷承受能力。Longo S等人[31]開展了注膏技術在廢棄管道回填中的應用研究,其優勢超過目前的泡沫和注漿填充。

2.5 管道泄漏檢測

管道泄漏是石油和天然氣行業的一個主要風險,威脅企業財務狀態,破壞環境,引發公眾關注。為了減少管道泄漏的影響,需要快速檢測泄漏和快速響應。目前用于檢測管道泄漏的系統從簡單的視覺檢查到復雜的硬件和軟件系統均有，如質量平衡、壓力點分析、流量偏差、聲發射系統和基于光纖的傳感技術，但各有局限性。

傳統基于模型的泄漏檢測系統,誤報率較高。Dawson C等人[36]基于電磁傳感技術進行泄漏檢測,傳感器具有很強的檢測油品能力,電磁傳感技術進行泄漏檢測的方法簡單、風險低，具備成本效益,有助于防止假的泄漏報警。Blasi M D等人[37]基于機器學習和模式識別技術,應用于SCADA數據,對管道進行破裂檢測。Vejahati F等人[38]研究了封閉管道的泄漏檢測,提出采用模式識別算法自動監測壓力降,并在壓力梯度模式與泄漏特征相匹配時產生報警。

基于入口、出口的流量和壓力測量的體積流量平衡統計技術,能夠對泄漏進行檢測和定位。Zhang J等人[39]研究了海底管道泄漏檢測與運行管理,采用實時瞬態模型計算管道沿線的流量、壓力、溫度、密度以及其他流體屬性，操作者不使用測量的流量和壓力,而是依靠計算值來進行操作決策。Hung D等人[40]研發了一種用水力學仿真系統對烴液管道泄漏監測計算系統進行靈敏度測試的新方法,并驗證了該方法應用的可行性。

2.6 地質災害管理

地質災害在管道的背景下,被定義為能危害管道或相關環境的地質、巖土、水文、構造成因等自然現象。當考慮管道工程地質災害時,綜合全面地描述所有可能影響管道的地質災害特性很重要,不僅在工程施工階段,而是貫穿整個管道的設計運行壽命,包括詳細了解當地地表的地質和巖土工程條件,提高地質災害評價與管道系統的減災設計。

作為滑坡災害管理程序的一部分,管道行業50多年來一直使用振弦式(VW)應變計。Dewar D等人[41]在20年對活躍但緩慢移動滑坡的管理經驗基礎上,提出了使用應變計監測慢移動山體滑坡管道的技術和操作指南,提供了最好的定位應變計技術,包括可視化/現場地質技術評價,地質技術、監測技術和智能清管技術(測徑、中心線檢測和軸向應變技術)；還討論了振弦式(VW)應變計的局限性、可靠性和替代品。Henschel M D等人[42]利用一種行之有效的遙感技術InSAR,從雷達衛星圖像中提取毫米級精度地面變形估算,監測天然氣配氣管網途經的地面滑塌。阿爾伯塔北部一個古老的1×108m3深部滑坡被觸發復活,Barlow J P等人[43]采取了一系列目標地表和地下水控制措施,降低了大約100倍的移動速度，這表明在該地區滑坡對微小變化的敏感性是一個負面因素,但在穩定滑坡方面也可以成為一個積極因素。

地質災害管理程序的一個重要組成部分是洪水的實時監測,識別出管道與河道交叉處受水災影響的位置并監測洪水水位。對管道有可能在洪水事件中暴露、懸空,以及在洪水事件中可能發生失效的水道交叉點進行更詳細的研究。Enbridge管道公司對洪水進行了實時監測與管理,提出可以識別出易發生管道暴露的河流穿越段的方法[44],以及產生自由懸空管段的可能性,這是美國首次基于實時流量和閾值的估算結果而關停管道。Roberge L等人[45]提出了一種利用過去河岸侵蝕行為作為未來管道受侵蝕情況預測的方法,提供河岸侵蝕率和發生洪水的稀缺性之間的相關性。

3 結論

當前,安全環保仍然是油氣管道行業面臨的顛覆性重大風險。管道始終面臨管體缺陷、建設質量、打孔盜油、第三方施工損壞、地質災害、恐怖襲擊等多重威脅,目前工程遺留問題很多,環焊縫質量缺陷等風險隱患尚未徹底根治。近年來,中國從中央、有關部委到中國石油天然氣集團公司,各個層面抓安全環保工作的態度和決心十分堅定。2016年10月,國家發改委、國家能源局、國資委、質檢總局和安監總局等5部委聯合發文,要求管道企業按照GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規范》,全面推行油氣管道完整性管理。2017年12月,國家安監總局等8部門下發《關于加強油氣輸送管道途經人員密集場所高后果區安全管理工作的通知》,再次表明了加強高后果區管道管理的重要性、緊迫性。隨著新《安全生產法》的出臺實施,油氣管道安全管理面臨更高的要求。未來,建議中國學習歐美管道企業安全管理的先進做法,進一步完備和明確油氣管道監管體制、責任;將管道完整性管理納入《石油天然氣管道保護法》,健全相關法律法規;建立國家管網應急體系和信息平臺,完善管道失效分析和事故調查程序;建立企業安全管理文化,引入安全管理評級機制,全面提升國家能源管網的安全管理水平。