油气管道运行维护安全技术研究新进展

刘志刚 王禹钦 王学力

中国石油天然气股份有限公司管道分公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

从中国管道行业发展前景看,今后10～15年,油气管道将迎来新一轮的建设高峰,预计到2030年中国管道总里程将达到25×104～30×104km,油气管道行业仍处于发展的黄金时期。油气管道安全高效运行，不但关系着企业自身的发展,也关系着国家发展能源供应的安全,在国际油价低位徘徊和国民经济结构转型的关键时期,油气管道运行维护与安全管理相关技术的创新和提升,是实现管道安全高效运行的重要保障[1]。

中国管道管理存在多部门主管,多层次参与,部分职责不清、重叠等问题。虽然在《安全生产法》《石油天然气管道保护法》等法律法规中要求对油气管道进行预防式管理,但未明确规定各管道必须开展完整性管理,与国外相比存在差距。近年来,发生的多次管道事故,暴露出中国在安全管理、应急响应和监管体制等方面存在不足。而欧美发达国家管道公司在政府监管方面法规明确,配套技术标准比较完备[2]。本文对国际上的油气管道运行维护与安全管理技术研究新进展进行了综述,以期对提高中国管道本质安全管理水平,预防事故的发生,提供借鉴。

1 管道安全管理体系

1.1 完整性管理程序的实践与改进

导致油气管道失效的根本原因是管理制度和相关流程的缺失或执行不到位。完整性管理程序(IMP)建立了在一定架构范围内评价和减缓风险的流程,以求确保管道系统资产的长久完整性。合理地执行IMP,能够减少突发事件发生的概率。

欧美发达国家每年或当事故发生时,运营商需向各种监管机构提交运营、维护和资产的数据。Explorer管道公司和DNV GL集团共同研发了IMP的实用绩效指标[3],支持计算维修项目的成本效益率/投资回报率,洞悉未来的运营风险。加拿大能源管道协会(CEPA)制订了完整性一体化®[4]行业规程,融合了北美重要规定和标准中的需求,聚焦安全、环境和社会经济学,加强整个管道行业效能、合作和交流。基于计划、实施、检查、改进(PDCA)循环的方法，被Nidd P等人[5]用于检验管道IMP的健康程度,以促进企业管理达到最佳实践。Sporns R等人[6]基于Enbridge公司多年实施IMP所获得的深刻见解,也建立了一套完备和有效的保障管理程序(AMP)和相关流程,以促进完整性管理体系循环持续改进。Hodgson J O等人[7]基于Penspen公司过去16年为国际管道运营商开展的30多次管道完整性管理体系审核基础,归纳出从设计、施工到运营维护等管道全寿命周期最佳实践做法的一系列推荐性建议。美国交通部管道和危险材料安全管理局(US DoT PHMSA)组织开展了管道施工行为中质量管理体系的改进[8],是按照PDCA的方式实施。CSA Z662附录N是加拿大管道运营商实施和执行IMP的行业强制执行标准,Waheed B等人[9]在IMP执行5年后对其进行了合规保障评价,并针对性地提出下个5年改进建议。2006年阿拉斯加州北坡油田管道发生泄漏后,当地州政府成立了石油系统完整性办公室(PSIO),负责石油和天然气资源相关的设施、设备维护的监管,Norton D等人[10]对PSIO 10年间的监督管理作用进行了评价,提出了未来政策、制度和监管方法的改进建议。Lutz A R等人[11]建立了一种更新和改进IMP作业文件的实用方法,根据差距分析改进了现有工作,解决旧文件中交叉矛盾的做法,最后修(制)订IMP作业文件。

1.2 应急响应与失效分析

在役管道的状态一般通过内、外检测的方式进行监测。当发现管道健康恶化时,检测会按计划中断。与时间有关的威胁如未能及早发现,或随机事故的发生如第三方破坏,可能会导致管道失效,此时就需要开展应急修复。Alani A等人[12]开发了基于风险策略的陆上和海底管道应急修复系统,按照失效后果的严重性进行排序,并优化修复策略。Zhang S等人[13]开发出突发事件全系统响应规程,完善了IMP的威胁识别和全范围的风险评价。

开发管道安全管理系统时,应首先思考哪些因素与过去发生的事故及未遂事故的根本原因相关。Weichel M[14]采用已有的管理体系标准或实践做法中的要素,分解、归类每个事故原因,并结合各种工艺和流程开展差距分析,确定开发和实施安全管理系统时要素的优先级。玻璃钢管是加拿大石油和天然气行业第二大常用管,该类材料的失效率远高于钢管的失效率,整个行业仍处在学习研究该类材料如何失效的阶段,Gareau F等人[15]分析了玻璃钢管失效的原因,建立了其失效顺序。

1.3 管道安全文化的发展

近年来,管道行业对安全文化这个概念的兴趣不断增长。安全文化由公司的属性和价值观以及公司员工的认知和价值观组成,改善机构的安全文化能够减少意外事件发生的频次。Maddin K等人[16]开展了适应管道行业的安全文化评价,以帮助机构在所有业务层面改善安全文化,提高人身和过程的安全绩效。Harron L等人[17]制订了加拿大标准协会过渡文稿(CSA EXP248):管道人为因素,通过管理与人为因素相关的风险,来改进管道安全性能。

1.4 其他行业借鉴的方法

在管道安全管理领域,借鉴过许多其他行业的方法,如原本应用于飞机舰队维护的整体寿命结构完整性方法等。Munro J等人[18]研究了那些因为灾难性事件而做出过重要变革的行业,认为管道行业必须联合协作,用统一的方式才能更有效解决行业安全问题。Pettitt G等人[19]将领结法引入管道设计、建设、运行和报废处置等阶段和重大事故危险源识别。Oliphant K等人[20]通过幂次定律分析美国历年管道事故,建立了事故规模和发生频率之间对应关系,对于一个给定量级的事故,能投射出其发生的可能性或预期频率。

2 管道运行和维护

2.1 管道隔离

常规的管道维护和改造工作需要去除管道内的有机化合物,管道必须减压(放空)或暂时隔离。减压(放空)影响生产,代价高昂,替代方法是将需要维修或维护的管段隔离开来,后者允许管道继续运营。隔离的方法,包括动火(如带压开孔和封堵)和非动火(在线隔离封堵)。与使用传统的前后插入两个单独的封堵头结构相比,双封堵和导流技术能使密封良好，充分保障泄漏管理,及时完成不间断输气,且大大降低项目成本。Whiteis K等人[21]提出了双重屏障隔离的概念,以及如何利用动火和非动火的方法来提供满足公认需求的双重屏障隔离,还介绍了当标准隔离不能实现的情况下可以使用的方法。Iyengar S K等人[22]使用双封堵和导流动火隔离技术,对暴露的海底管道进行改线,在保证不停输的情况下,确保附近休闲海滩的安全。Bolger N等人[23]在时间紧、施工空间受限的情况下,成功采用双封堵和导流技术对1条36″(1″=25.4 mm)高压输气管线进行隔离,以连接清管发射器和接收器。

2.2 管道修复和补强

过去的20年里,管道行业开展了大量关于使用复合材料来修复和补强管道的研究。通过使用复合修复系统,通常能够恢复受损管道(包括腐蚀和机械损伤)的结构完整性,使其达到甚至超过原始未受损管道时的水平。当前,复合修复系统在高温和恶劣的环境条件下,强度、耐用性和有效性研究及改进仍是热点。Sheets C等人[24]证明了碳基和无碱玻璃纤维等复合修复材料高温补强的可行性。Alexander C等人[25]验证了承受极限弯曲和内压载荷的大直径弯头,使用无碱玻璃纤维/环氧树脂复合材料补强的有效性。Alexander C等人[26]提出了不同补强系统的评估方法,发现平衡套筒设计能够提供类似于B型套筒的补强;对钢制套筒有竞争性的填充材料进行性能评估,发现水泥灌浆略优于环氧树脂灌浆,而后者是当前行业首选的填充材料。

2.3 管道放空

高程变化的影响和中间放空立管的位置决定放空的最优策略,以最大速度清除目标管段,同时保持管内平均流速高于最低清除速度以防止惰性气体和天然气分层。Botros K K等人[28]研究了管道高程变化对输气管道最优放空程序的影响,发现“平”型或“尖”型的高程剖面,有利于在中间放空立管的位置使用一个排气装置开展随后的放空程序;在“V型”高程剖面的情况下,同时排放的放空程序是在指定时间内更好地选择,代价是需要使用两套排气装置放在相距很远的地点。惰性气体进入位置取决于放空策略和高程剖面。

天然气进入管道时,在接收点需要依据气体质量规范进行检测,以确保下游支线和干线运行不受影响。偶尔,天然气加工厂遇到操作不当,会产生一个较高的烃露点。理想情况下,当探测到烃露点扰动,且天然气生产已经停止时,可以对支线进行清管以去除凝合碳氢化合物。如果支线无法进行清管,去除液态烃的唯一方法则是蒸发进入干燥气体流中。Hartloper C等人[29]基于GERG-2008状态方程和持液量经验方程进行建模分析,分析气体成分、支管高程剖面、地面温度等流动参数对扰动严重程度的影响,探讨了在不同情况下,采用持续输出干燥气体的前向流方法,以及将干燥气体从干线通过支管往回向生产商输送的牵引返回流方法,哪种方法更适合的选择标准。

2.4 废弃管道处置

当管道处于寿命末期需要被永久停用时,就该考虑管道废弃处置了。北美的法规认可将管道设施废弃在原来位置作为退役的一种方式,并推荐因地制宜评估拟采用的废弃处置方法。当管道被废弃时,通常需要对管道进行冲洗、标记,并将所有的腐蚀保护和监测系统移除。弃置管道的主要危险，包括钢管的长期腐蚀退化,管道内可能积水,对环境可能的影响,以及可能产生的管道坍塌和土壤沉降。保护废弃管道常见的工业方法有泡沫充填或注浆,充填过的废弃管道可以防止因管道腐蚀导致的地面不稳定和沉降;创建栓塞或切割/封盖废弃管道可以防止成为水管道。Finneran S等人[30]研究了废弃管道长期结构完整性,提出一种估算正在经历长期腐蚀退化的管道剩余强度计算方法,并计算了其载荷承受能力。Longo S等人[31]开展了注膏技术在废弃管道回填中的应用研究,其优势超过目前的泡沫和注浆填充。

2.5 管道泄漏检测

管道泄漏是石油和天然气行业的一个主要风险,威胁企业财务状态,破坏环境,引发公众关注。为了减少管道泄漏的影响,需要快速检测泄漏和快速响应。目前用于检测管道泄漏的系统从简单的视觉检查到复杂的硬件和软件系统均有，如质量平衡、压力点分析、流量偏差、声发射系统和基于光纤的传感技术，但各有局限性。

传统基于模型的泄漏检测系统,误报率较高。Dawson C等人[36]基于电磁传感技术进行泄漏检测,传感器具有很强的检测油品能力,电磁传感技术进行泄漏检测的方法简单、风险低，具备成本效益,有助于防止假的泄漏报警。Blasi M D等人[37]基于机器学习和模式识别技术,应用于SCADA数据,对管道进行破裂检测。Vejahati F等人[38]研究了封闭管道的泄漏检测,提出采用模式识别算法自动监测压力降,并在压力梯度模式与泄漏特征相匹配时产生报警。

基于入口、出口的流量和压力测量的体积流量平衡统计技术,能够对泄漏进行检测和定位。Zhang J等人[39]研究了海底管道泄漏检测与运行管理,采用实时瞬态模型计算管道沿线的流量、压力、温度、密度以及其他流体属性，操作者不使用测量的流量和压力,而是依靠计算值来进行操作决策。Hung D等人[40]研发了一种用水力学仿真系统对烃液管道泄漏监测计算系统进行灵敏度测试的新方法,并验证了该方法应用的可行性。

2.6 地质灾害管理

地质灾害在管道的背景下,被定义为能危害管道或相关环境的地质、岩土、水文、构造成因等自然现象。当考虑管道工程地质灾害时,综合全面地描述所有可能影响管道的地质灾害特性很重要,不仅在工程施工阶段,而是贯穿整个管道的设计运行寿命,包括详细了解当地地表的地质和岩土工程条件,提高地质灾害评价与管道系统的减灾设计。

作为滑坡灾害管理程序的一部分,管道行业50多年来一直使用振弦式(VW)应变计。Dewar D等人[41]在20年对活跃但缓慢移动滑坡的管理经验基础上,提出了使用应变计监测慢移动山体滑坡管道的技术和操作指南,提供了最好的定位应变计技术,包括可视化/现场地质技术评价,地质技术、监测技术和智能清管技术(测径、中心线检测和轴向应变技术)；还讨论了振弦式(VW)应变计的局限性、可靠性和替代品。Henschel M D等人[42]利用一种行之有效的遥感技术InSAR,从雷达卫星图像中提取毫米级精度地面变形估算,监测天然气配气管网途经的地面滑塌。阿尔伯塔北部一个古老的1×108m3深部滑坡被触发复活,Barlow J P等人[43]采取了一系列目标地表和地下水控制措施,降低了大约100倍的移动速度，这表明在该地区滑坡对微小变化的敏感性是一个负面因素,但在稳定滑坡方面也可以成为一个积极因素。

地质灾害管理程序的一个重要组成部分是洪水的实时监测,识别出管道与河道交叉处受水灾影响的位置并监测洪水水位。对管道有可能在洪水事件中暴露、悬空,以及在洪水事件中可能发生失效的水道交叉点进行更详细的研究。Enbridge管道公司对洪水进行了实时监测与管理,提出可以识别出易发生管道暴露的河流穿越段的方法[44],以及产生自由悬空管段的可能性,这是美国首次基于实时流量和阈值的估算结果而关停管道。Roberge L等人[45]提出了一种利用过去河岸侵蚀行为作为未来管道受侵蚀情况预测的方法,提供河岸侵蚀率和发生洪水的稀缺性之间的相关性。

3 结论

当前,安全环保仍然是油气管道行业面临的颠覆性重大风险。管道始终面临管体缺陷、建设质量、打孔盗油、第三方施工损坏、地质灾害、恐怖袭击等多重威胁,目前工程遗留问题很多,环焊缝质量缺陷等风险隐患尚未彻底根治。近年来,中国从中央、有关部委到中国石油天然气集团公司,各个层面抓安全环保工作的态度和决心十分坚定。2016年10月,国家发改委、国家能源局、国资委、质检总局和安监总局等5部委联合发文,要求管道企业按照GB 32167-2015《油气输送管道完整性管理规范》,全面推行油气管道完整性管理。2017年12月,国家安监总局等8部门下发《关于加强油气输送管道途经人员密集场所高后果区安全管理工作的通知》,再次表明了加强高后果区管道管理的重要性、紧迫性。随着新《安全生产法》的出台实施,油气管道安全管理面临更高的要求。未来,建议中国学习欧美管道企业安全管理的先进做法,进一步完备和明确油气管道监管体制、责任;将管道完整性管理纳入《石油天然气管道保护法》,健全相关法律法规;建立国家管网应急体系和信息平台,完善管道失效分析和事故调查程序;建立企业安全管理文化,引入安全管理评级机制,全面提升国家能源管网的安全管理水平。