房劍萍　段慶全

中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院,　北京　102249

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低溫凍土區(qū)油氣管道失效事故分析

房劍萍段慶全

中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院,北京102249

摘要：近年來(lái),隨著凍土區(qū)油氣資源的開(kāi)發(fā)和利用,凍土區(qū)管道運(yùn)輸受到越來(lái)越多地關(guān)注。由于凍土區(qū)域地質(zhì)與環(huán)境的特殊性,對(duì)管道運(yùn)行具有嚴(yán)重的不利影響,因此,對(duì)凍土區(qū)域的油氣管道事故進(jìn)行分析顯得尤為重要。對(duì)近年來(lái)美國(guó)與加拿大輸油氣管道事故進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析,比較凍土區(qū)與非凍土區(qū)管道事故的區(qū)別與聯(lián)系；參考相關(guān)文獻(xiàn),將凍土區(qū)管道事故原因分為7類：融沉、凍脹、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水。對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析為我國(guó)凍土區(qū)的油氣管道事故分析、應(yīng)急處理、風(fēng)險(xiǎn)管理等提供參考,也為凍土區(qū)管道的設(shè)計(jì)、施工及其凍害防治等提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油氣管道；凍土；凍脹；事故分類

0前言

目前,隨著溫暖地區(qū)油氣資源的日益枯竭,多年凍土地帶的油氣資源得到了普遍關(guān)注[1]。由于凍土區(qū)蘊(yùn)含大量的油氣藏,且非凍土區(qū)的油氣資源開(kāi)采成本不斷上升,因此,很多跨國(guó)石油公司和政府都將開(kāi)發(fā)凍土區(qū)域油氣資源作為長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃的重要部分。但凍土區(qū)尤其是多年凍土區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,管道有別于溫暖地區(qū)管道。凍土環(huán)境直接影響了凍土區(qū)油氣管道的安全運(yùn)營(yíng),一旦發(fā)生事故,會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境造成很大危害。如Canol管道在敷設(shè)完成后的第二年發(fā)生了凍土融沉事故；美國(guó)的阿拉斯加(Alaska)輸油管道也發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的融沉和凍脹問(wèn)題,造成部分埋地管段失穩(wěn),經(jīng)濟(jì)損失慘重[2]；中國(guó)的格拉輸油管線由于凍脹和融沉問(wèn)題造成多次露管現(xiàn)象和泄漏事件,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[3]。因此,對(duì)凍土區(qū)域尤其是多年凍土區(qū)域的管道失效事故案例的統(tǒng)計(jì)與分析顯得尤為重要。目前，美國(guó)的OPS、NTSB、PHMSA,歐洲的EGIG,加拿大的NEB，英國(guó)的UKOPA等機(jī)構(gòu)在這方面都做了相關(guān)工作,中國(guó)石油天然氣管道局、中國(guó)特種設(shè)備監(jiān)測(cè)研究院等機(jī)構(gòu)也做了相關(guān)工作[4]。文中以美國(guó)和加拿大凍土區(qū)管道失效事故案例為依據(jù)進(jìn)行調(diào)查分析,全面掌握管道事故的次數(shù)、損失及原因,從而掌握凍土區(qū)域管道失效事故發(fā)生的規(guī)律性,進(jìn)一步為凍土區(qū)管道的設(shè)計(jì)、施工，凍害防治，事故預(yù)防和事故應(yīng)急以及制定管道運(yùn)行工作方針、政策提供科學(xué)依據(jù)。

1凍土區(qū)管道事故原因分析

近些年,美國(guó)、加拿大等國(guó)為解決能源危機(jī),加快了開(kāi)發(fā)北極和北極近海等多年凍土區(qū)能源的步伐,管道事故也是屢見(jiàn)不鮮,同時(shí)造成了財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡、環(huán)境破壞等危害。以美國(guó)與加拿大的凍土區(qū)管道事故案例為依據(jù),對(duì)凍土區(qū)域管道事故原因重新分類。參考相關(guān)文獻(xiàn)[5-10]和事故報(bào)告[11-15],將凍土區(qū)管道事故原因分為凍脹、融沉、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水7類,但這7類事故原因有些為凍土區(qū)域所特有,而有些如露管、地震等并不是凍土區(qū)域獨(dú)有的現(xiàn)象,在非凍土區(qū)也時(shí)有發(fā)生,但在凍土區(qū)事故后果更加嚴(yán)重,這主要與凍土區(qū)域的自然環(huán)境與地貌特征有關(guān)。

采用定性分析方法對(duì)以上7種事故原因進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,把發(fā)生事故的可能性與嚴(yán)重度分別劃分成不同等級(jí),并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料確定發(fā)生事故的可能性與嚴(yán)重度,以事故嚴(yán)重度為橫坐標(biāo),事故發(fā)生可能性為縱坐標(biāo),畫(huà)出風(fēng)險(xiǎn)分析矩陣,見(jiàn)圖1。可能性與嚴(yán)重度等級(jí)的不同組合可以區(qū)分不同事件所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)程度。根據(jù)事件導(dǎo)致的事故后果制作表1,對(duì)7種管道失效事故原因進(jìn)行對(duì)比分析,包括是否為凍土特有、易發(fā)季節(jié)、引起原因、影響、可能性、嚴(yán)重度和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖1　風(fēng)險(xiǎn)分析矩陣

由表1可知，凍脹、融沉、露管的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高,為Ⅳ級(jí)。這是因?yàn)閮雒?、融沉是凍土區(qū)常見(jiàn)也是容易發(fā)生的管道失效事故,且可能造成嚴(yán)重后果；露管事故的后果雖然不嚴(yán)重,但發(fā)生的可能性較高,凍脹、融沉、地震、滑塌、洪水都有可能造成露管的發(fā)生,因此風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也是Ⅳ級(jí)。冰堵、地震、一般斜坡滑塌、季節(jié)性凍土區(qū)斜坡滑塌、暴雨洪水的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí),融雪洪水、冰凌洪水的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。根據(jù)表1及凍土區(qū)域某一管線周?chē)h(huán)境可以預(yù)測(cè)該管線可能發(fā)生事故的類型、時(shí)間、原因、后果等情況,可以采用適當(dāng)?shù)姆椒邦A(yù)防措施以減少管道事故發(fā)生的可能性。

表1凍土區(qū)油氣管道事故原因?qū)Ρ确治?/p>

分類凍脹融沉冰堵天然氣管道冰堵輸油管道冰堵露管地震滑塌洪水一般斜坡滑塌季節(jié)性斜坡滑塌暴雨洪水融雪洪水冰凌洪水是否為凍土特有是是是是否否否是否是是易發(fā)季節(jié)冬(季節(jié)性)春(季節(jié)性)冬(季節(jié)性)冬(季節(jié)性)全年(永久性)春夏(永久性)全年(永久性)全年(永久性)全年-全年春夏春夏秋春夏(特殊地區(qū)除外)秋末初春引起原因低溫導(dǎo)致的土體凍后膨脹升溫導(dǎo)致的凍土融化后土體壓密天然氣水露點(diǎn)高,管中存有液態(tài)水地溫太低,管中存有液態(tài)水凍脹、熱融滑塌、凍土融化、取土不當(dāng),河流沖刷、埋深不足-河流、雨水積雪、地下水使土體失穩(wěn)斜坡土體產(chǎn)生凍脹、融沉,春季凍結(jié)土體融化降雨量大積雪或冰川在春夏季節(jié)因氣溫升高融化封冰期河流積聚的水量在解凍期急劇釋放下泄影響管道彎曲變形管道彎曲變形管道堵塞停運(yùn)管道堵塞停運(yùn)管道彎曲變形管道開(kāi)裂錯(cuò)斷管道彎曲變形管道彎曲變形移位斷裂泄漏移位斷裂泄漏移位斷裂泄漏可能性容易發(fā)生容易發(fā)生偶爾發(fā)生不常發(fā)生非常容易發(fā)生不常發(fā)生偶爾發(fā)生偶爾發(fā)生容易發(fā)生偶爾發(fā)生偶爾發(fā)生嚴(yán)重度ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅡⅡⅡⅡⅡ風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)ⅣⅣⅢⅢⅣⅢⅢⅢⅢⅡⅡ

2國(guó)外凍土區(qū)管道事故統(tǒng)計(jì)分析

2.1美國(guó)管道事故統(tǒng)計(jì)分析

2.2加拿大凍土區(qū)域管道事故統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)加拿大能源管道協(xié)會(huì)(CEPA)統(tǒng)計(jì),加拿大各類地下油氣管道總長(zhǎng)約84×104km,其中運(yùn)輸干線為11.3×104km,包含天然氣管道77 750 km、液體管道37 388 km[16]。本文統(tǒng)計(jì)分析的加拿大管道事故均來(lái)自于加拿大運(yùn)輸安全委員會(huì)(TSB)的輸油氣管道事故報(bào)告。本文對(duì)1992～2012年之間的86篇管道事故報(bào)告進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì),得出加拿大凍土區(qū)管道失效事故原因與凍土區(qū)管道腐蝕分類的餅狀圖,見(jiàn)圖3。

圖2　美國(guó)凍土區(qū)與非凍土區(qū)的管道事故原因?qū)Ρ葓D

圖3　加拿大凍土區(qū)域管道失效原因圖

3結(jié)論

1)與美國(guó)相比,加拿大凍土區(qū)域管道更容易發(fā)生管道腐蝕事故,而美國(guó)凍土區(qū)管道失效的主要原因是外部干擾。這是由加拿大凍土區(qū)的地質(zhì)條件所決定,如土壤電阻率，pH值低也會(huì)促進(jìn)管道的腐蝕進(jìn)度。我國(guó)黑龍江北部情況和加拿大情況相近，而新疆及西藏凍土區(qū)域與加拿大則不盡相同。

2)通過(guò)對(duì)凍土區(qū)管道事故案例的分析總結(jié),將凍土區(qū)油氣管道事故原因分為凍脹、融沉、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水7類。其中凍脹、融沉、露管是最主要原因,應(yīng)采取措施加以防范。

3)由于凍土區(qū)域地質(zhì)與環(huán)境的特殊性,凍土對(duì)油氣管道運(yùn)行具有嚴(yán)重的不利影響,使得事故屢有發(fā)生,造成重大的人員、財(cái)產(chǎn)損失。大多數(shù)北半球的國(guó)家為此問(wèn)題所困,凍土區(qū)油氣管道得到了廣泛重視。但我國(guó)對(duì)凍土區(qū)管道的設(shè)計(jì)、施工、應(yīng)急處置、運(yùn)行管理等科學(xué)技術(shù)難題研究不足,尤其是管道工程的研究,對(duì)事故案例缺乏足夠的統(tǒng)計(jì)與全面分析。因此,對(duì)該類事故案例的統(tǒng)計(jì)分析尤為重要。

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收稿日期：2016-02-29

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油大學(xué)(北京)青年教師專項(xiàng)培養(yǎng)基金項(xiàng)目(KYJJ 2012-04-26)

作者簡(jiǎn)介：房劍萍(1989-)，女，河南商丘人，碩士研究生，從事油氣生產(chǎn)裝備失效分析與完整性管理等研究工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.002