油氣管道安全管理技術(shù)研究

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1落實完整性管理是關(guān)鍵

1.1信息化與完整性

經(jīng)過10余年的發(fā)展，我國油氣管道完整性管理技術(shù)日臻成熟，通過搭建系統(tǒng)的完整性管理體系和組織機(jī)構(gòu)，消除了大量安全隱患，解決了諸多技術(shù)問題，變革了管理決策模式，提高了管理決策的科學(xué)性、投資的針對性、維檢修的有效性。信息化技術(shù)在管道完整性管理的規(guī)范化和智能化方面發(fā)揮了重要作用，國內(nèi)外業(yè)已在信息化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)架構(gòu)和決策分析等方面取得了豐碩成果，未來需進(jìn)一步發(fā)揮數(shù)據(jù)整體價值，提升數(shù)據(jù)應(yīng)用水平。全球信息化發(fā)展已步入大數(shù)據(jù)時代，互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、GPS、醫(yī)學(xué)影像、安全監(jiān)控、金融、電信都在瘋狂產(chǎn)生著數(shù)據(jù)，有市場研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，至2020年整個世界的數(shù)據(jù)總量將達(dá)到35.2ZB?；诖?，大數(shù)據(jù)正迅速成為最值得關(guān)注的IT領(lǐng)域之一，2012年3月29日奧巴馬政府公布了“大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃”，其目標(biāo)是改進(jìn)現(xiàn)有人們從海量和復(fù)雜的數(shù)據(jù)中獲取知識的能力，從而加速美國在科學(xué)領(lǐng)域發(fā)明的步伐，由此，“大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”上升為美國最高國策對數(shù)據(jù)占有和控制，作為海權(quán)、陸權(quán)、空權(quán)之外的另外一種國家核心能力。大數(shù)據(jù)并非單指“海量數(shù)據(jù)”，而是“海量數(shù)據(jù)”與“復(fù)雜類型的數(shù)據(jù)”共同構(gòu)成大數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)具有4V特征：大量化（Volume）、多樣化（Variety）、快速化（Velocity）、價值密度低（Value）。隨著管道完整性管理的深入，管道歷史數(shù)據(jù)資料、內(nèi)外檢測信息、日常管理數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)不斷積累，經(jīng)過校準(zhǔn)、對齊、整合，使各類數(shù)據(jù)均可對應(yīng)管道各環(huán)焊縫信息，從而形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)表，即管道大數(shù)據(jù)。對于管道企業(yè)來講，在激烈的國際競爭中先人一步，從數(shù)據(jù)分析層面的角色快速向數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理層面的角色轉(zhuǎn)變，對數(shù)據(jù)資產(chǎn)進(jìn)行有效性劃分，厘清有效資產(chǎn)，借助大數(shù)據(jù)分析平臺，發(fā)掘數(shù)據(jù)價值并形成洞察力，為管道的運(yùn)行管理提供決策支持，將可以極大地提高企業(yè)的競爭力?；谙嚓P(guān)關(guān)系分析法的預(yù)測是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的核心，因此，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)高效應(yīng)用的前提，必然是徹底變革原有的思維模式——熱衷于尋找事物間的因果關(guān)系，由果推因或由因推果做出判斷，轉(zhuǎn)而通過對海量數(shù)據(jù)和復(fù)雜數(shù)據(jù)的聚類分析和關(guān)聯(lián)規(guī)則分析等，推斷事物的發(fā)展規(guī)律。顯然，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用包括4個環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘。數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)利于存儲，但海量數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、更新等操作效率低下；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如圖片、視頻及word、pdf、ppt等格式文件，不利于檢索、查詢和存儲；半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或是轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲或是按照非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲。管道大數(shù)據(jù)的應(yīng)用需要根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)模、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)分析方式、數(shù)據(jù)投資成本幾方面制定技術(shù)發(fā)展路線，基于自然語言處理、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、聚類分析、建模仿真等技術(shù)構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析平臺，使其具有標(biāo)準(zhǔn)性、易用性、易管理、高可用性、成熟性、高效性、互通性、安全性。目前，針對管道大數(shù)據(jù)的研究剛剛起步，周利劍指出在大數(shù)據(jù)中獲取有用的知識并為管道生產(chǎn)決策服務(wù)，是未來管道信息化技術(shù)的重要發(fā)展方向。馮慶善率先對“管道大數(shù)據(jù)”進(jìn)行了定義，指出管道大數(shù)據(jù)在很多方面具備了“樣本=總體”的基礎(chǔ)，若數(shù)據(jù)達(dá)到“樣本=總體”水平，則工程上將不再需要風(fēng)險評估，而在管道大數(shù)據(jù)條件下，風(fēng)險分析模型從依據(jù)外在現(xiàn)象類比推測轉(zhuǎn)變?yōu)橐罁?jù)內(nèi)因統(tǒng)計分析，從風(fēng)險專家評估風(fēng)險轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)分析人員依據(jù)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析、識別風(fēng)險，進(jìn)而徹底改變現(xiàn)有的管道風(fēng)險評估和管理運(yùn)營模式。王維斌對管道大數(shù)據(jù)管理架構(gòu)進(jìn)行了深入探討，指出建立管道大數(shù)據(jù)管理架構(gòu)，需要開展以下5個方面的工作：

①建立合理、準(zhǔn)確的大數(shù)據(jù)基準(zhǔn)線；

②建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)記錄和存儲方式，建立關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫；

③實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的全面采集；

④建立基本準(zhǔn)則和管理模式，開發(fā)通用數(shù)據(jù)管理平臺；

⑤建立基于大數(shù)據(jù)的分析決策程序。

1.2可靠性、安全性與完整性

油氣管道的可靠性與安全性已經(jīng)成為國家能源供應(yīng)安全戰(zhàn)略的重要組成部分，二者的含義和目的各異?？煽啃允侵赣蜌夤艿涝谝?guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，其研究對象是故障，目的是減少故障發(fā)生；安全性是指油氣管道在各種環(huán)境下都不發(fā)生事故的能力，其研究對象是危險，目的是減少事故發(fā)生?？梢?，可靠性是安全性的基礎(chǔ)，是防范風(fēng)險的保證。根據(jù)美國空軍MIL-A-97221《飛機(jī)結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》的定義，結(jié)構(gòu)完整性是以保證結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性為出發(fā)點(diǎn)的。依據(jù)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)完整性的概念，管道完整性是指管道結(jié)構(gòu)的適用性或合于使用性，而合于使用是指油氣管道在規(guī)定壽命期內(nèi)具有足夠的可以承受預(yù)見載荷與環(huán)境條件的能力，是結(jié)構(gòu)完整性的目標(biāo)。綜上可見，可靠性與失效對應(yīng)，安全性與風(fēng)險對應(yīng)，完整性與損傷對應(yīng)。損傷是結(jié)構(gòu)的功能退化，損傷的程度對結(jié)構(gòu)的完整性產(chǎn)生影響，損傷的極限是失效。結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性很大程度上依賴于結(jié)構(gòu)的完整性。因此，結(jié)構(gòu)的完整性是油氣管道安全性的關(guān)鍵，研究管道失效機(jī)制及風(fēng)險問題的根本是保證結(jié)構(gòu)的完整性。根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠性、安全性與完整性的辨證關(guān)系，管道完整性管理的主要任務(wù)有：管道破壞（或失效）模式分析、風(fēng)險分析及完整性評價。

1.3地區(qū)等級變化與完整性管理

管道系統(tǒng)及周邊環(huán)境的復(fù)雜性、變化性，注定了完整性管理應(yīng)該具有全面性、持續(xù)性和發(fā)展性。油氣管道系統(tǒng)完整性技術(shù)發(fā)展到今天，基本上覆蓋了從規(guī)劃設(shè)計、施工建造到投產(chǎn)運(yùn)行，從管道干線、輸油氣站場到儲罐、儲氣庫、LNG接收站的各個領(lǐng)域。當(dāng)前，在油氣管道完整性管理的過程中，還有兩個問題需要特別關(guān)注：一是隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，管道沿線地區(qū)等級的升級；二是埋地油氣管道與市政地下管涵空間的相互影響。2013年黃島輸油管道泄漏爆炸事故、2014年大連輸油管道泄漏燃燒事故、2014年臺灣高雄丙烯管道泄漏爆炸事故，均與上述問題有關(guān)。我國油氣管道普遍存在初期設(shè)計條件與當(dāng)前狀況不符的情況，有必要從管道風(fēng)險出發(fā)，系統(tǒng)研究管道地區(qū)等級升級問題，確定我國管道地區(qū)等級升級的必要條件，給出管道地區(qū)等級升級后需要采取的措施。管道地區(qū)等級升級后，其風(fēng)險承受能力發(fā)生了變化，最大允許運(yùn)行壓力（MAOP）需要重新確定或修改，將高后果區(qū)（HCA）中的地區(qū)升級管段納入完整性管理方案，迅速對風(fēng)險評估、泄漏檢測和巡護(hù)方案做出調(diào)整。油氣管道與地下市政管網(wǎng)布置不合理及缺乏檢測維護(hù)而使油氣泄漏進(jìn)入給排水管涵及電纜溝、電纜井等地下空間，導(dǎo)致爆燃事故，絕非小概率事件，已經(jīng)成為城市的巨大安全隱患。通常情況下，給水、直埋熱力、電纜等地下埋設(shè)管道，周圍沒有容納油氣管道泄漏物的空間，爆燃風(fēng)險很低；交通地下通道及防空洞等地下空間，發(fā)生危險的概率亦相對較小；與油氣管道靠近或交叉且有長距離地下空間的排水管涵、電纜溝、電纜井、熱力管溝等，若油氣管道泄漏，則極易導(dǎo)致嚴(yán)重事故，需要重點(diǎn)關(guān)注。對城市內(nèi)油氣管道進(jìn)行排查、檢測與評估，預(yù)防第三方破壞，在地下管涵安裝可燃?xì)怏w檢測裝置，制定事故應(yīng)急預(yù)案，是預(yù)防此類事故、降低事故危害的主要技術(shù)措施，具體包括：建立城市內(nèi)油氣管道數(shù)據(jù)庫，將管道詳細(xì)分段，取準(zhǔn)、取全各種數(shù)據(jù)，明確油氣管道與市政地下管涵的交錯關(guān)系；對油氣管道進(jìn)行腐蝕、缺陷檢測，包括內(nèi)外檢測，必要時甚至開挖檢測；對于無法檢測的情況，需要進(jìn)行專門評估，采用特殊方法，如濟(jì)南在全市電纜溝上安裝GPRS在線監(jiān)測系統(tǒng)，紐約通過大數(shù)據(jù)分析預(yù)測市內(nèi)電纜溝井蓋被炸飛的概率等，都可以參考借鑒；對排查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，開展風(fēng)險評估，進(jìn)行風(fēng)險排序，對于高風(fēng)險管段，制定和實施改造措施。此外，除城市燃?xì)夤艿劳猓陆ㄓ蜌夤艿辣M量不穿過城市繁華區(qū)，可以規(guī)劃設(shè)計專門的管廊，保持與各種設(shè)施的距離，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

2技術(shù)發(fā)展與文化建設(shè)是基石

根據(jù)歐美發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗，管道安全管理的成效主要得益于先進(jìn)的技術(shù)。近年來，我國油氣管道事業(yè)蓬勃發(fā)展，建成了西北、東北、西南三大陸上跨國通道，三縱四橫管道走廊及全國性骨干管網(wǎng)，形成了由油氣輸送、油氣儲存、管道建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、材料裝備5部分組成的油氣管道工程技術(shù)體系，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)，管道技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2.1管道選材與設(shè)計

隨著天然氣市場需求的持續(xù)增長，大口徑、高壓力、高鋼級成為長輸天然氣管道發(fā)展的必然趨勢。高鋼級管材難以依靠自身韌性止裂，使管道安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此，有必要研究高鋼級管線鋼管在各種環(huán)境下的開裂行為和止裂控制技術(shù)，制定高鋼級管線鋼管止裂器設(shè)計的相關(guān)準(zhǔn)則，開發(fā)與高鋼級管線鋼管相適應(yīng)的止裂器。來源于極限設(shè)計理念的基于應(yīng)變的管道設(shè)計方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其是一種塑性設(shè)計，當(dāng)重大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時，作用于管道的載荷以位移為控制參量。隨著跨國管道的發(fā)展和管道規(guī)模的不斷擴(kuò)大，管道途經(jīng)地區(qū)的自然環(huán)境、地質(zhì)條件、地形地貌日漸復(fù)雜，比如高寒凍土地區(qū)，地震活動頻繁、地震烈度高的地區(qū)，地形起伏劇烈地區(qū)，需要采用多管并行敷設(shè)、站場合建等方案，因而加大了管道的設(shè)計建造難度，需要在多年凍土區(qū)管道選材、大落差輸油管道工藝、并行管道、站場合建、抗震及地質(zhì)災(zāi)害防治、水工保護(hù)、隧道及河流穿跨越、石方無細(xì)土段管道敷設(shè)、管道分段試壓等方面開展創(chuàng)新性設(shè)計，確保管道的本質(zhì)安全。

2.2管道泄漏監(jiān)測和定位技術(shù)

油氣管道泄漏監(jiān)測和定位手段是多學(xué)科、多技術(shù)的集成，傳感器、模式識別、遠(yuǎn)程通訊、信號識別等技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)、粗糙集理論等人工智能技術(shù)的發(fā)展，使泄漏監(jiān)測定位方法獲得實現(xiàn)。由于油氣管道是非線性時變參數(shù)系統(tǒng)，因此，自適應(yīng)算法的應(yīng)用成為液體管道泄漏監(jiān)測的重要研究內(nèi)容，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法。目前，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泄漏監(jiān)測法尚處于試驗階段，有許多問題需要解決。此外，單一的泄漏監(jiān)測方法難以同時滿足泄漏監(jiān)測靈敏度、定位準(zhǔn)確度、報警及時及誤報率低等多項要求，可以將多種泄漏監(jiān)測方法有機(jī)結(jié)合，使用虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)不同的測試、分析軟件模塊，構(gòu)成以計算機(jī)為核心的集測試、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)通信為一體的綜合性監(jiān)測系統(tǒng)，而有效的濾波方法和信號提取、識別、分析技術(shù)是其中的重要內(nèi)容。

2.3管道完整性評估技術(shù)

在油氣管道事故致因中，自然環(huán)境、管理和本質(zhì)的不足或不利變化是直接原因，而本質(zhì)主要指管道自身的工藝、缺陷、腐蝕、疲勞。因此，為了降低管道風(fēng)險，減少管道事故，需要全面、系統(tǒng)地開展管道完整性評估。在管道系統(tǒng)完整性評估技術(shù)方面，業(yè)已建立了線路完整性評估技術(shù)體系和場站完整性評估技術(shù)體系。最近幾年，復(fù)雜地區(qū)地段管道完整性評估技術(shù)亦取得一定進(jìn)展，線路方面，如并行管道完整性評估技術(shù)、地區(qū)等級升級管道安全性評估技術(shù)、大口徑高鋼級管道氣體爆破試驗完整性評估技術(shù)；場站方面，如工藝管路綜合檢測評估技術(shù)、閥門磨損與壽命分析技術(shù)、壓縮機(jī)故障監(jiān)測與診斷技術(shù)。現(xiàn)階段，管道完整性評估技術(shù)存在如下問題：完整性評估技術(shù)進(jìn)步滯后于管道資產(chǎn)的發(fā)展速度；各類監(jiān)測技術(shù)的選擇與生產(chǎn)實際結(jié)合不夠；完整性評估手段不系統(tǒng)，評估技術(shù)的應(yīng)用缺乏審核和監(jiān)督；站場設(shè)備的數(shù)據(jù)收集和分析不深入，缺乏有效的統(tǒng)計分析手段；設(shè)備變更管理缺乏統(tǒng)一規(guī)定，GIS系統(tǒng)的建設(shè)與管道的實際情況不匹配。為此，在完整性評估技術(shù)領(lǐng)域，急需開展以下工作：強(qiáng)化完整性評估技術(shù)文件管理，深化信息應(yīng)用的技術(shù)手段，加強(qiáng)數(shù)據(jù)管理和風(fēng)險管控，開展完整性評估技術(shù)應(yīng)用效果的審核，夯實完整性評估技術(shù)的支撐基礎(chǔ)。完整性管理體系審核是持續(xù)提高油氣管道完整性管理水平的重要基礎(chǔ)和有效手段，帥義等依據(jù)ASME和API相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對管道完整性管理的具體要求，基于策劃-實施-檢查-改進(jìn)的運(yùn)行模式原理，以獨(dú)立性、簡潔性、系統(tǒng)性為基本原則，建立了油氣管道完整性管理體系審核指標(biāo)體系，開發(fā)了審核評分系統(tǒng)，其使用效果在現(xiàn)場實踐中得到驗證。

2.4管道應(yīng)急搶險技術(shù)

研究油氣管道輸送介質(zhì)的泄漏特點(diǎn)、建立完善可行的應(yīng)急搶險機(jī)制、研制方便可靠的應(yīng)急搶險裝備，可以有效提高應(yīng)對管道突發(fā)事故的能力。目前，基本采用數(shù)值模擬方法研究油氣管道發(fā)生泄漏后泄漏介質(zhì)的擴(kuò)散速度和范圍，希望藉此為油氣管道泄漏事故的應(yīng)急搶險提供指導(dǎo)，但總體而言，理論研究與實際應(yīng)用存在一定脫節(jié)。歐美發(fā)達(dá)國家應(yīng)急管理體系相對成熟，主要體現(xiàn)在各級政府機(jī)構(gòu)、油氣管道運(yùn)營企業(yè)、公共安全管理部門及其他相關(guān)組織的協(xié)調(diào)運(yùn)行管理，應(yīng)急搶險法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)體系比較完備，為不同原因、規(guī)模、地理位置、復(fù)雜程度的事故提供了體系化處理方法，并綜合考慮多種因素進(jìn)行人員和設(shè)備配置。我國應(yīng)急管理相關(guān)法律法規(guī)60余部，但一定程度上存在職責(zé)不清、分工不明等問題，同時缺少管道基礎(chǔ)信息共享平臺，不利于應(yīng)急搶險和安全管理。油氣管道內(nèi)的易燃易爆介質(zhì)及較高的運(yùn)行壓力增加了管道風(fēng)險，也增加了管道維搶修作業(yè)的難度。目前比較成熟的管道泄漏維搶修方法有：開孔封堵、管內(nèi)智能封堵、外卡夾具，復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)可用于管道尚未發(fā)生泄漏的缺陷管道。此外，近年發(fā)展了鑄鐵接縫密封機(jī)器人（使用厭氧型密封膠密封接縫）、針孔泄漏修復(fù)夾具等新型修復(fù)技術(shù)，為管道維搶修提供了多樣性選擇。

2.5安全文化建設(shè)

在管道設(shè)計、施工、生產(chǎn)運(yùn)行過程中，安全比經(jīng)濟(jì)和高效更重要，必須堅持紅線意識和底線思維。當(dāng)前，在安全管理五要素（安全文化、安全法制、安全責(zé)任、安全投入、安全科技）中，安全文化建設(shè)仍然是最薄弱的環(huán)節(jié)。為杜絕特重大事故，必須高度重視全社會的安全文化建設(shè)，提高企業(yè)、員工及公眾的安全保護(hù)和事故應(yīng)急意識，提高油氣管道設(shè)計的科學(xué)性與合理性，確保建設(shè)施工質(zhì)量，確保生產(chǎn)安全，減少事故的發(fā)生，降低事故的損失。

3結(jié)束語

油氣管道在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位日益凸顯，其對于國家、對于人民的貢獻(xiàn)眾所共知。隨著新《生產(chǎn)安全法》的出臺實施，油氣管道安全管理面臨更高的要求。對于油氣管道安全管理，健全法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系是保障，落實完整性管理是關(guān)鍵，技術(shù)發(fā)展與文化建設(shè)是基石。美國在油氣管道安全管理方面的經(jīng)驗，如建立統(tǒng)一的監(jiān)管和協(xié)調(diào)機(jī)制，完善法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，制定系統(tǒng)的檢驗和修復(fù)計劃，加大管道安全投入，開展管道安全基礎(chǔ)研究等，值得我國借鑒參考。

作者：關(guān)中原 高輝 賈秋菊 單位：中國石油管道科技研究中心中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲運(yùn)重點(diǎn)實驗室 中國石油集團(tuán)東南亞管道有限公司 中國石油管道公司第一項目部