韋新華夏福勇何承代余兵劉延雷，2王飛

（1.杭州市特種設(shè)備檢測院2.浙江大學(xué)化工機械研究所）

江南水網(wǎng)地區(qū)長輸管道風險評價的復(fù)雜性及其對策*

韋新華**1夏福勇1何承代1余兵1劉延雷1，2王飛1

（1.杭州市特種設(shè)備檢測院2.浙江大學(xué)化工機械研究所）

對江南水網(wǎng)軟土環(huán)境中油氣長輸管道的特點進行了分析。結(jié)合湖州至杭州天然氣長輸管道、寧波至杭州成品油長輸管道的風險評價工作，指出了現(xiàn)行的長輸管道風險評價方法在江南水網(wǎng)地區(qū)軟土環(huán)境油氣長輸管道評價時存在的問題，并在深入分析的基礎(chǔ)上，對提高該地區(qū)油氣長輸管道安全技術(shù)水平提出了若干建議。

長輸管道軟土環(huán)境風險分析風險評價對策

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，我國石油、天然氣的消耗量不斷上升。我國石油天然氣資源分布較為集中。原油產(chǎn)地大多集中在東北、華北和西部一帶；天然氣四大氣區(qū)都在西北和西南地區(qū)。除此之外，還有相當一部分海上油氣田。因此存在從產(chǎn)地向消費地長距離輸送的問題。按照現(xiàn)有的技術(shù)水平，對于使用量較大的石油天然氣，管道運輸是一種經(jīng)濟、安全和高效的運輸方式。

江南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，同時資源、能源匱缺，需要通過“西氣東輸”、海上油氣田開發(fā)和進口等途徑獲取所需的天然氣、石油等能源，長輸管道是這些能源輸送的主要方式。隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，江南地區(qū)將迎來長輸管道建設(shè)的高潮。根據(jù)《浙江省天然氣管網(wǎng)規(guī)劃》，浙江省將建設(shè)“三氣一網(wǎng)”，長輸天然氣管道規(guī)劃全長約1 400 km。江蘇省也決定加快建設(shè)連接無錫、蘇州、常州等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的天然氣長輸管道。承擔這些管道設(shè)計、建設(shè)、監(jiān)理、檢驗的單位都是經(jīng)驗較為豐富的單位。但由于情況復(fù)雜，在運行中發(fā)生了多起管線漂浮、斷裂、沉降等事故，造成了較大的影響。

長輸管道一般埋地敷設(shè)，其施工、檢驗和安全狀態(tài)監(jiān)控難度較大。長輸管道中的介質(zhì)通常是易燃易爆的、有毒的或者有腐蝕性的，易發(fā)生火災(zāi)、爆炸或中毒事故，造成人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國油氣管道事故發(fā)生的概率是經(jīng)濟發(fā)達國家的5～10倍。因此如何確保新建或在役長輸管道的安全運行，降低事故的發(fā)生率，最大限度地減少事故造成的損失，提高長輸管道本身的安全性就成了當務(wù)之急。

1 江南地區(qū)油氣長輸管道的特點

1.1 管道沿線人口稠密、經(jīng)濟繁榮

以浙江省為例，長輸天然氣管道經(jīng)過的杭州、寧波、溫州、紹興、嘉興、湖州、金華、臺州、衢州、麗水等市縣，經(jīng)濟繁榮，人口稠密。按2003年全省生產(chǎn)總值9 200億元、總?cè)丝? 551.58萬人計算，管道沿線市、縣的人口約占浙江省總?cè)丝诘?3%,其生產(chǎn)總值約占浙江省生產(chǎn)總值的69%。

人口稠密、活動頻繁必然導(dǎo)致管道事故發(fā)生的可能性和危害程度加大。發(fā)達國家長輸管道事故分析研究表明，第三方破壞已成為管道事故的三大主要原因之一。在江南地區(qū)要充分考慮以下一些因素的影響：繁忙的交通運輸有可能帶來明火等危險有害因素，對長輸天然氣管道的安全運行構(gòu)成威脅；長輸天然氣管道的穿越，也有可能危及交通運輸?shù)陌踩踔林袛嘟煌ǎㄔ谔烊粴庑孤┍〞r）；地面建筑物的增多，也造成在這一地帶進行管道評價工作所要考慮的因素較為復(fù)雜；管線附近經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)多，各類建設(shè)活動頻繁，由于不可避免地存在一些管理者無法控制的因素，易造成第三方破壞。

1.2 危險有害因素多、事故防范難度大

長輸管道的危險有害因素主要有：儲運介質(zhì)危險有害因素、儲運工藝危險有害因素、儲運設(shè)備與設(shè)施危險有害因素、人力與安全管理危險有害因素、環(huán)境危險有害因素等[1]。江南地區(qū)具有獨特的軟土地基與水網(wǎng)特性，在風險評價的環(huán)境有害因素中，必須充分考慮這兩個特點。

1.2.1 軟土地基對長輸管道的影響

軟土一般指在靜水或緩慢水環(huán)境中沉積而成的，以黏粒為主并伴有微生物作用的一種結(jié)構(gòu)性土。長三角區(qū)域內(nèi)有三分之一范圍地面累計沉降已超過200 mm，面積近1萬km2。上海、蘇南的蘇錫常地區(qū)和浙北的杭嘉湖地區(qū)已經(jīng)形成了三個區(qū)域性沉降中心。從成因上看，江南地區(qū)的軟土屬于湖泊沉積（太湖流域）和河灘沉積（長江中下游沖積平原）。軟土具有天然含水量大、壓縮性高、飽和度高、空隙比大、透水性低、靈敏度高和承載力低等特點，是一種呈軟塑到流塑狀態(tài)的飽和黏性土[2]。

由于抗剪強度低，具有明顯的流變性，使得軟土地基容易發(fā)生超量沉降和不均勻沉降。長輸管道受到這些沉降的影響，會在局部地區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，生成裂紋，甚至斷裂，這是軟土地基造成的最大、最普遍的危害。浙江部分地區(qū)還存在山區(qū)軟土，在傾斜表面的作用下，會使軟土蠕變滑移，導(dǎo)致地基失穩(wěn)。江蘇北部受到山東中部和渤海灣地震帶的影響，浙江沿海和上海地區(qū)受到臺灣地震帶的影響。由于軟土地基靈敏度高，當?shù)鼗艿秸饎訒r，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，黏土顆粒松散，有效承載力降低，易發(fā)生土壤液化，威脅長輸管道的安全運行[3]。

1.2.2 水網(wǎng)對長輸管道的影響

江南水網(wǎng)是以太湖為中心的河道密集區(qū)域，平均每平方公里河道長度為3.2 km。江南水網(wǎng)地區(qū)河道縱橫，河面不寬，但常年有水。除了河道外，還有大量的稻田、水塘等水域，整體上這一地區(qū)的地下水位高。水網(wǎng)地區(qū)的土質(zhì)一般為淤泥質(zhì)黏土。江南地區(qū)的水網(wǎng)還受到雨季的影響，有明顯的季節(jié)性。為確保長輸管道埋地敷設(shè)，在經(jīng)過水網(wǎng)地區(qū)的時候需要采用定向鉆穿越、漂浮牽引法穿越、水下管溝開挖、大開挖等方法施工[4]。江南水網(wǎng)與高速公路網(wǎng)和鐵路網(wǎng)交錯出現(xiàn)，造成管道穿越數(shù)量多，距離長，施工難度大。例如錢塘江穿越達到2 308 m，創(chuàng)國內(nèi)紀錄。

水網(wǎng)地區(qū)長輸管道的危險有害因素種類增多，危害程度增加，同時事故防范、處理的復(fù)雜性和難度都大大增加。首先，管道施工難度增加。穿越管道在施工的時候受到周邊土壤的影響，會產(chǎn)生附加載荷，使管道的受力狀況復(fù)雜化。水下管道有時要采用穩(wěn)管措施，壓重塊會影響管道的局部區(qū)域，使相應(yīng)的部位受力增大。第二，易造成漂浮、懸空。江南水網(wǎng)地區(qū)地下水位高，且隨季節(jié)變化，易造成漂浮；江南水網(wǎng)地區(qū)易發(fā)生洪水，洪水沖擊河床泥土，易造成管道懸空，甚至沖斷管道[5]。第三，危害范圍大。水網(wǎng)地區(qū)的原油和成品油管道如果發(fā)生斷裂或者泄漏事故，會在大范圍的水域和土壤引起污染。

1.3 事故發(fā)生后涉及面廣、應(yīng)急救援困難

長輸管道涵蓋行政范圍廣泛，一般都要經(jīng)過不同的行政市、縣，具有埋地敷設(shè)、線長、點多、面廣、事故原因多、應(yīng)急難度大等特點，單靠地方政府和企業(yè)難以建立長輸天然氣管道的事故應(yīng)急救援組織體系及應(yīng)急指揮決策系統(tǒng)。

2 風險評價復(fù)雜性

在系統(tǒng)地辨識長輸管道的危險和有害因素的基礎(chǔ)上，預(yù)測其風險程度是風險控制的重要基礎(chǔ)。通過對湖州至杭州天然氣長輸管道、寧波至杭州成品油長輸管道的風險評價工作，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的定性或定量管道風險評價方法，有的不能充分反映管道的風險程度，有的需要結(jié)合國情作適當調(diào)整。

2.1 肯特管道風險評價

肯特（W.Kent Muhlbauer）管道風險評價法是一種長輸管道風險評價方法[6]。其基本思想是：先對管道進行分段，再求取各段管道的相對風險數(shù)。相對風險數(shù)越大，說明風險越小，管道越安全。相對風險數(shù)是指數(shù)和與泄漏影響系數(shù)的比值。指數(shù)包括四個方面：第三方破壞指數(shù)、腐蝕指數(shù)、設(shè)計指數(shù)和錯誤指數(shù)；泄漏影響系數(shù)是介質(zhì)危險指數(shù)和影響系數(shù)的比值。肯特管道風險評價方法的主要工作就是進行這些參數(shù)的賦分。

這一評價方法存在以下一些問題：

（1）對于管道的一些重要指數(shù)沒有定量計算，僅按照評價經(jīng)驗主觀賦分。如管道埋深和土壤移動指數(shù)，在軟土地基上的管道，沒有充分考慮到過量沉降和不均勻沉降的影響；泄漏分值，只考慮泄漏量大小，沒有考慮與泄漏介質(zhì)引起的中毒、火災(zāi)、爆炸危險程度密切相關(guān)的泄漏點附近的局部地貌（包括建筑物、構(gòu)筑物等）和泄漏時的氣候條件。

（2）由于肯特風險評價方法是以美國運輸部的實際運行經(jīng)驗和相關(guān)部門的研究結(jié)果為基礎(chǔ)的，國內(nèi)長輸管道設(shè)計、建設(shè)、運行、管理等技術(shù)水平與國外有較大差距。如單號呼叫系統(tǒng)未完全執(zhí)行、管道操作人員上崗前均未藥檢、管道設(shè)計執(zhí)行的規(guī)范標準不同等?？咸仫L險評價法中的某些評分原則在我國并不適用，必須視具體情況作適當調(diào)整。

（3）與發(fā)達國家相比，我國在用長輸管道有兩大不足之處：一是由于歷史原因管道中存在超出制造標準的先天性缺陷；二是由于管道設(shè)計沒有強調(diào)“設(shè)計壽命”概念等原因造成的超期服役。由于肯特法中假定長輸管道的設(shè)計、制造都滿足規(guī)范標準要求，因此未考慮超標缺陷和超期服役對管道風險的影響。

2.2 介質(zhì)泄漏擴散危險有害程度評價

介質(zhì)泄漏擴散通常采用高斯（Gaussian）模型、Sutton模型和重氣模型等來描述[7]。長輸管道油氣介質(zhì)泄漏擴散危險有害程度一般采用帕斯奎爾-吉福德（Pasquil-Gifford）模型來評價[8]。該模型是一種簡化的高斯模型，其基本思想是：先根據(jù)柏努利方程計算出管道事故的泄漏量，或者在風險評價中根據(jù)工程實際情況假設(shè)一定的泄漏量，再根據(jù)泄漏所在地的氣候條件與地理特征，選用相應(yīng)的帕斯奎爾-吉福德參數(shù)進行評價，以確定泄漏范圍和程度。

這一模型沒有考慮泄漏點附近建筑物對介質(zhì)擴散過程的影響。江南地區(qū)的長輸管道沿線往往有建筑物，會影響介質(zhì)的擴散過程。對于穿越河流、湖泊等水域的長輸管道，還應(yīng)考慮水流、潮水、風的聯(lián)合作用，分析油在水中擴展造成的危害[9]。此外，油泄漏后在土壤中擴散還會造成污染危害。

2.3 介質(zhì)燃燒、爆炸危險有害程度評價

天然氣和原油、成品油等在泄漏后遇點火源，會產(chǎn)生火災(zāi)、爆炸危害。蒙德法和DOW化學(xué)公司火災(zāi)、爆炸危險指數(shù)評價法等可以對其進行危險有害程度評價[10]。根據(jù)流體力學(xué)和燃燒學(xué)推導(dǎo)出的理論模型，可以更清楚地確定長輸管道火災(zāi)、爆炸危險的有害程度，因此也可用于長輸管道風險評價。在原油和成品油庫如果油罐發(fā)生破裂，液態(tài)油會充斥一定范圍，發(fā)生池火災(zāi)，可以采用池火災(zāi)危險評價方法來評價[11]。天然氣管道發(fā)生破裂，高速天然氣噴出，遇火源發(fā)生噴射火災(zāi)，可以采用噴射火災(zāi)危險評價方法來評價。計算噴射火的火焰長度是危險評價中最重要的參數(shù)之一，按照可測得的介質(zhì)參數(shù)和火焰參數(shù)，可以選用霍索恩法（Hawthorne），Hustad和Sonju法，Brzustowski法和Guenther法等來計算[12]。對于達到爆炸極限的天然氣云，遇到火源會發(fā)生爆炸事故，TNT當量法為常用的評價方法。

池火災(zāi)危險評價方法中沒有考慮周圍設(shè)備或建筑物對輻射的影響。噴射火的噴射氣流為非穩(wěn)定流體，其噴射火焰的長度會受周邊建筑物的影響，并因而改變其影響范圍[13]。TNT當量法太過于簡單，在考慮爆炸沖擊波的時候，沒有考慮沖擊波與建筑、設(shè)備的相互作用[14]。

3 相關(guān)對策

為提高江南水網(wǎng)地區(qū)軟土環(huán)境長輸管道的安全技術(shù)水平，應(yīng)加強以下幾個方面的研究。

3.1 長輸管道定量風險評價方法

結(jié)合流體力學(xué)、氣體動力學(xué)、燃燒學(xué)等專業(yè)知識，進行事故模擬分析，建立以量化分析為核心的長輸天然氣管道風險評價方法。

長輸管道中的油庫等屬于高風險裝置群，裝置中的內(nèi)、外可燃氣體爆炸會對周圍裝置產(chǎn)生危害。因此，有必要揭示火災(zāi)、罐內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)變化和罐體強度間的耦合關(guān)系，尋求切實有效的災(zāi)害控制技術(shù)，如確定經(jīng)濟合理的油罐、天然氣儲罐防火間距等。

3.2 水網(wǎng)地區(qū)軟土環(huán)境下長輸管道力學(xué)特性和設(shè)計方法

我國長輸天然氣管道的建設(shè)還剛剛起步，現(xiàn)有的天然氣管道主要分布在華北和中原地區(qū)的油氣田區(qū)域。由于浙江的自然環(huán)境和社會環(huán)境與華北、中原地區(qū)有很大差異，現(xiàn)有的設(shè)計、施工規(guī)范標準并不完全適用于浙江長輸天然氣管道。

應(yīng)針對長輸管道沿線水網(wǎng)地區(qū)軟土環(huán)境的特點，研究彈性敷設(shè)管道受軟土地質(zhì)條件而產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)特性以及穿越水網(wǎng)時的管道與土壤接觸擠壓問題，研究軟土環(huán)境下長輸管道的設(shè)計方法和穿越對管道影響的計算方法。

應(yīng)利用先進的大型模擬和仿真軟件建立長輸管道的環(huán)境災(zāi)害危害程度分析模型，通過沉降過程的模擬，揭示長輸管道沉降量、偏移量等與其安全性之間的定量關(guān)系，建立失效判據(jù)和相應(yīng)的設(shè)計準則。

在該地區(qū)新建管道工程上采用軟土地基加固技術(shù)對管道地基進行處理。目前對軟土地基的處理方法有：灰土墊層、素土墊層、砂和砂石墊層、強夯法等?？砂凑宅F(xiàn)場實際情況選擇經(jīng)濟合理的地基處理方法。

3.3 基于GIS的長輸管道事故應(yīng)急指揮輔助決策系統(tǒng)

研究長輸管道應(yīng)急救援預(yù)案，開發(fā)事故危害程度評價和分級軟件。選擇示范管道工程，以地理信息系統(tǒng)（GIS）為平臺，建立長輸管道信息數(shù)據(jù)庫，集成長輸管道事故危害程度預(yù)測和評估方法，開發(fā)長輸管道事故應(yīng)急指揮決策系統(tǒng)。系統(tǒng)在接到各類報警信息后，可為決策者及時、直觀、形象地提供長輸管道的信息（逃生路線、進場路由等），進行危險程度評估和分級，并按照應(yīng)急事故等級分類，啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，調(diào)動搶修、排障隊伍[15-16]。

3.4 長輸管道移動情況的實時檢測技術(shù)

研究長輸管道沉降、漂浮實時檢測技術(shù)，監(jiān)測管道移動情況，分析由此造成的危害。

3.5 長輸管道實時泄漏檢測方法的研究

如果可以實現(xiàn)長輸管道實時泄漏檢測，則可以在最少時間內(nèi)遏制重大事故的發(fā)生，減少事故損失。因此，應(yīng)當研究簡單、可靠的實時微量泄漏監(jiān)控技術(shù)，包括檢測信號的提取、傳輸和分析方法。國外在這一方面進行了很多試驗研究，例如在管線上布置氣體濃度傳感器，再通過遠程信號傳輸?shù)姆绞郊蟹治?，然后將泄漏位置實時確定。實時檢測信號的提取、傳輸和分析需要相應(yīng)的軟硬件支持，這是實時泄漏檢測重要的環(huán)節(jié)，長輸管道實時泄漏檢測方法的研究也就是對應(yīng)著這三個方面的研究。

4 結(jié)論

隨著“西氣東輸”等項目的完成和城市化速度的加快，江南水網(wǎng)軟土環(huán)境油氣長輸管道數(shù)量快速增長。由于江南油氣長輸管道具有地下水位高、基礎(chǔ)容易沉降、沿線人口稠密、經(jīng)濟繁榮等一系列特點，目前國內(nèi)對其安全性高度重視。本文對江南水網(wǎng)軟土環(huán)境油氣長輸管道的特點進行了分析研究，結(jié)合湖州至杭州天然氣長輸管道、寧波至杭州成品油長輸管道的風險評價工作，指出了現(xiàn)行的長輸管道風險評價方法在江南水網(wǎng)地區(qū)軟土環(huán)境油氣長輸管道評價時存在的問題，并在深入分析的基礎(chǔ)上提出了若干對策。

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Complexity and Countermeasure of Long Distance Pipeline Risk Assessment in Jiangnan River Network Region

Wei XinhuaXia FuyongHe ChengdaiYu BingLiu YanleiWang Fei

The characteristics of long distance oil and gas pipeline in soft clay of Jiangnan river network region are studied,and the problem of different assessment for pipeline is put forward combining the assessment of gas pipelines between Huzhou and Hangzhou and oil pipelines between Ningbo and Hangzhou.Furthermore,some advices for improving the safety level of pipeline in this region are brought forward on the basis of indepth analysis.

Long distance pipeline；Soft clay；Risk analysis；Risk assessment；Countermeasure

TQ 055.8

*資助項目：國家質(zhì)檢公益性行業(yè)項目（201110025）。

**韋新華，男，1965年生，高級工程師。杭州市，310003。

2012-04-06）