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        油氣管道本質(zhì)安全影響因素分析及啟示*

        2017-04-16 02:24:04李師瑤陳雪嬌李文超馬宏偉
        關(guān)鍵詞:影響施工

        李師瑤,侯 磊,熊 毅,陳雪嬌,李文超,馬宏偉

        (1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 2.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; 3.中國(guó)石油管道公司 呼和浩特輸油氣分公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

        0 引言

        1974年6月1日,英國(guó)一家工廠發(fā)生了嚴(yán)重的高溫環(huán)己胺泄漏爆炸事故。1978年,英國(guó)化工安全專家 Klet針對(duì)這一事故,首次提出“本質(zhì)安全”概念[1],指在工藝設(shè)計(jì)階段提高工廠安全,從根本上消除風(fēng)險(xiǎn),而不是被動(dòng)地接受風(fēng)險(xiǎn)或附加保護(hù)設(shè)施減小風(fēng)險(xiǎn)[2],這個(gè)概念得到普遍認(rèn)可,并沿用至今。

        國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)油氣管道本質(zhì)安全的分析研究主要分為2種:一是對(duì)管理體系的把握,如從國(guó)家、地方或各相關(guān)部門監(jiān)管管道的安全[3-4];二是用評(píng)價(jià)指標(biāo)研究油氣管道的本質(zhì)安全問題,如黃昕等[5]改進(jìn)了肯特法中的評(píng)價(jià)指標(biāo),建立了長(zhǎng)輸管道本質(zhì)安全評(píng)價(jià)模型。這2種研究采用的方法偏向于專家咨詢和理論分析,對(duì)管道事故中的本質(zhì)安全影響因素研究不夠深入。周建新、王玉梅和吳策宇等人[6-10]通過分析國(guó)內(nèi)外油氣管道事故,確定了主要的事故原因,但沒有明確指出哪些事故原因?qū)儆诒举|(zhì)安全范疇。本文調(diào)研了1994年至2012年間105起美國(guó)和加拿大的油氣管道事故,統(tǒng)計(jì)分析有關(guān)本質(zhì)安全的影響因素,識(shí)別各階段存在的薄弱環(huán)節(jié),為我國(guó)油氣管道本質(zhì)安全的評(píng)估提供參考。

        1 油氣管道本質(zhì)安全統(tǒng)計(jì)分析

        油氣管道工程主要包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制管、施工和運(yùn)營(yíng)5個(gè)階段,以下分析了涉及管道本質(zhì)安全的事故,其中包括23起美國(guó)油氣管道事故和14起加拿大油氣管道事故。

        1.1 本質(zhì)安全事故分析

        圖1 基于事故分析的油氣管道本質(zhì)安全影響因素識(shí)別流程Fig.1 The recognition process of intrinsic safety influencing factors in oil and gas pipeline based on accidents

        不同因素對(duì)事故的影響程度不同,將影響因素分為3級(jí),即一級(jí)影響因素、二級(jí)影響因素和三級(jí)影響因素。一級(jí)影響因素指技術(shù)和管理,二級(jí)影響因素指間接造成事故的原因,三級(jí)影響因素指直接造成事故的原因。基于事故分析的油氣管道本質(zhì)安全影響因素識(shí)別流程如圖1所示,從事故原因入手,對(duì)每起油氣管道事故匯總后進(jìn)行本質(zhì)安全判定,提取本質(zhì)安全方面的事故原因作為三級(jí)因素,分類概括三級(jí)因素得到二級(jí)因素,按照油氣管道工程的5個(gè)主要階段對(duì)二級(jí)因素進(jìn)行歸類。對(duì)于每起事故,可通過識(shí)別流程圖進(jìn)行本質(zhì)安全影響因素劃分,進(jìn)而確定事故源頭,采取有效措施改善管道本質(zhì)安全。

        以2010年9月加利福尼亞州天然氣管道破裂事故為例,說明影響因素識(shí)別過程。通過對(duì)天然氣管道泄漏原因進(jìn)行本質(zhì)安全因素判定,確定了5個(gè)二級(jí)影響因素、6個(gè)三級(jí)影響因素,如表1所示。

        表1 加利福尼亞州天然氣管道事故原因Table 1 The causes of gas accidents in California

        1.2 本質(zhì)安全影響因素分析和薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別

        1.2.1影響因素分析

        根據(jù)圖1中影響因素識(shí)別流程方法,針對(duì)37起涉及本質(zhì)安全的管道事故,列舉了部分事故的原因及影響因素,管道建設(shè)階段與影響因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

        通過分析37起本質(zhì)安全的管道事故,確定了19個(gè)二級(jí)影響因素和26個(gè)三級(jí)影響因素,管道工程各階段包含的二級(jí)、三級(jí)影響因素以及事故的數(shù)量如表3所示。以設(shè)計(jì)階段為例,其二級(jí)影響因素包括防護(hù)設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)、站場(chǎng)設(shè)計(jì)及管理制度共4個(gè),涉及的三級(jí)影響因素共7個(gè),設(shè)計(jì)階段因素造成的事故共12起。根據(jù)二級(jí)、三級(jí)影響因素對(duì)應(yīng)的事故數(shù)量,可確定各影響因素對(duì)工程階段的本質(zhì)安全影響程度,如二級(jí)影響因素中防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)階段的本質(zhì)安全影響最大,三級(jí)影響因素中陰極保護(hù)方案對(duì)設(shè)計(jì)階段的本質(zhì)安全影響最大。

        表2 本質(zhì)安全的管道事故原因及影響因素Table 2 The causes and influencing factors of intrinsic safety accidents

        表3 基于事故分析的油氣管道本質(zhì)安全影響因素匯總Table 3 The summary of intrinsic safety influencing factors in oil and gas pipeline based on accidents

        注:由于不同的三級(jí)影響因素可能對(duì)應(yīng)同一起事故,所以各階段三級(jí)因素對(duì)應(yīng)的事故數(shù)之和大于或等于各階段總事故數(shù)。

        由表3中數(shù)據(jù)得到圖2和圖3,不同階段影響因素造成事故的數(shù)量比較見圖2。由圖2可知,各階段影響因素造成的事故數(shù)由高到低依次是施工、運(yùn)營(yíng)、設(shè)計(jì)、制管和規(guī)劃階段,其中,施工階段影響因素對(duì)應(yīng)的事故數(shù)量遠(yuǎn)大于其他階段。

        圖2 不同階段的本質(zhì)安全事故數(shù)Fig.2 Intrinsic safety accidents in different stages

        圖3 不同階段的二級(jí)和三級(jí)影響因素的數(shù)量Fig.3 The number of second-degree and third-degree influencing factors in different stages

        管道工程各階段包含的二級(jí)和三級(jí)影響因素的數(shù)量分布見圖3。由圖3可見,設(shè)計(jì)和施工2個(gè)階段涉及的三級(jí)影響因素?cái)?shù)量較多,制管和運(yùn)營(yíng)階段涉及的三級(jí)影響因素?cái)?shù)量次之,規(guī)劃階段涉及的三級(jí)影響因素?cái)?shù)量最少。這與各階段完成的工程任務(wù)有關(guān),如規(guī)劃階段只需完成勘察、可行性研究和編制任務(wù)書,而施工階段包括防腐絕緣、拉運(yùn)布管、組裝焊接、防腐補(bǔ)口和下溝回填等任務(wù),比規(guī)劃階段的任務(wù)更多更復(fù)雜,涉及的影響因素更多。同一個(gè)二級(jí)影響因素可以包括多個(gè)相似的三級(jí)影響因素,如制管中的軋制技術(shù)包括軋制溫度/方向和軋機(jī)結(jié)構(gòu),當(dāng)某階段三級(jí)影響因素越多時(shí),不代表提升該階段本質(zhì)安全難度大,這與二級(jí)影響因素和三級(jí)影響因素的相對(duì)大小有關(guān)(規(guī)劃階段例外)。結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn),在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)階段,二級(jí)影響因素?cái)?shù)量約為三級(jí)影響因素?cái)?shù)量的一半,說明部分三級(jí)影響因素可以歸為同一類,即事故原因相對(duì)集中,提升設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)階段的本質(zhì)安全難度相對(duì)不大。在制管和施工階段,二級(jí)和三級(jí)因素的數(shù)量相當(dāng),說明事故原因相對(duì)分散,提升制管和施工階段的本質(zhì)安全難度較大。規(guī)劃階段較為特殊,二級(jí)和三級(jí)影響因素都各有1個(gè),即管道環(huán)境調(diào)研存在問題,在37起事故中因該問題造成的本質(zhì)安全事故只有3起,遠(yuǎn)少于其他階段,若規(guī)劃期間詳細(xì)調(diào)研管道環(huán)境數(shù)據(jù),可進(jìn)一步減少事故發(fā)生。

        1.2.2薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別

        將每個(gè)階段中造成事故相對(duì)多的二級(jí)因素定為該階段的薄弱環(huán)節(jié),共確定了7個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。管道環(huán)境為規(guī)劃階段的薄弱環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)階段,防護(hù)設(shè)計(jì)比線路設(shè)計(jì)、站場(chǎng)設(shè)計(jì)和管理制度對(duì)應(yīng)的事故多,防護(hù)設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)階段的薄弱環(huán)節(jié)。同理軋制技術(shù)和焊接技術(shù)為制管階段的薄弱環(huán)節(jié),焊接質(zhì)量和防腐技術(shù)為施工階段的薄弱環(huán)節(jié),檢測(cè)方案為運(yùn)營(yíng)階段的薄弱環(huán)節(jié),表3中加粗的二級(jí)影響因素為相應(yīng)階段的薄弱環(huán)節(jié)。

        2 對(duì)國(guó)內(nèi)管道本質(zhì)安全的啟示

        我國(guó)2003年至2013年有報(bào)道的油氣管道事故共發(fā)生28起,具體原因如表4所示,根據(jù)本質(zhì)安全概念,第三方施工/打孔盜油與操作不當(dāng)/原因不明不屬于管道本質(zhì)安全范圍,我國(guó)油氣管道在地質(zhì)災(zāi)害、管道腐蝕、材料與焊接方面存在的問題,與國(guó)外油氣管道本質(zhì)安全的薄弱環(huán)節(jié)即管道環(huán)境、防護(hù)設(shè)計(jì)、制管工藝和管道施工缺陷十分相似,結(jié)合油氣管道本質(zhì)安全影響因素的分析,對(duì)于改善管道本質(zhì)安全,有如下啟示。

        表4 我國(guó)2003年至2013年油氣管道事故統(tǒng)計(jì)Table 4 Oil and gas pipeline accidents in Chinafrom 2003 to 2013

        (1)全面調(diào)研管道周圍環(huán)境

        規(guī)劃是管道的起始階段,是管道建設(shè)的基礎(chǔ),在管道設(shè)計(jì)之前應(yīng)對(duì)管道環(huán)境如地質(zhì)條件、降雨量、地下(表)水和交通等情況進(jìn)行全面調(diào)研。管道環(huán)境惡劣主要包括2種情況:一是城市規(guī)劃的速度遠(yuǎn)超過管道規(guī)劃速度,地上地下構(gòu)筑物對(duì)管道產(chǎn)生影響,尤其是靠近市區(qū)的管道,如我國(guó)某地經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快,管道工程建設(shè)速度也在加快,常出現(xiàn)管道安全距離不足的問題[11];二是管道位于惡劣的土質(zhì)環(huán)境,管道公司卻不知情,依舊按照正常土質(zhì)鋪設(shè)管道,如2005年7月加拿大英屬哥倫比亞省的管道穿越了垃圾填埋場(chǎng),垃圾的填埋擾亂了原生土層的平衡狀態(tài),造成管道支撐設(shè)計(jì)失敗。在管道規(guī)劃階段,管道周圍可能沒有明顯的惡劣環(huán)境跡象,需要詳細(xì)調(diào)研管道敷設(shè)區(qū)地層情況,為管道設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        (2)加強(qiáng)油氣管道系統(tǒng)本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)

        本質(zhì)安全觀點(diǎn)是采取更安全的設(shè)計(jì)手段防止事故發(fā)生。如設(shè)計(jì)階段的防護(hù)設(shè)計(jì),防護(hù)設(shè)計(jì)主要由水工保護(hù)、抗震設(shè)計(jì)和陰極保護(hù)組成,在調(diào)研的事故中,大部分事故受陰極保護(hù)不足的影響,其影響因素主要包括3方面:一是整流器效率低;二是當(dāng)?shù)赝寥离娮杪实淖兓?;三是陰極保護(hù)電流低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如2000年8月,加拿大WestCoast能源公司的管道干線發(fā)生破裂,主要原因是在陰極保護(hù)不足期間,管道涂層表面出現(xiàn)局部腐蝕點(diǎn),造成管道表面暴露在電解質(zhì)中,生成裂紋。在管道設(shè)計(jì)階段,需選擇合適的陽(yáng)極材料、接地材料或增加整流器的輸出、替換地床等以避免陰極保護(hù)出現(xiàn)不足,做好管道防護(hù)設(shè)計(jì)。

        (3)增強(qiáng)油氣管道的材料制作質(zhì)量

        管道材料質(zhì)量的好壞與制管過程有很大的關(guān)系,制管缺陷主要體現(xiàn)為軋制技術(shù)和焊接技術(shù)缺陷,其影響因素包括3方面:一是軋制機(jī)構(gòu)不合適造成鋼材晶粒不均勻,未充分細(xì)化;二是鋼材的軋制方向不對(duì);三是卷制焊接中焊縫存在未焊透、變形、氣泡等問題。2010年9月美國(guó)加利福尼亞州發(fā)生嚴(yán)重的天然氣管道破裂火災(zāi)事故,裂開的短管中硫化錳夾渣被橫向拉長(zhǎng),說明鋼材的軋制方向是橫向的,而不是正確的軸向,造成短管的尺寸不能滿足已知管材規(guī)格的最小長(zhǎng)度要求。制管階段應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范操作,避免使用存在尺寸問題的管段。

        (4)保障管道的施工建造質(zhì)量

        施工階段是管道事故的高發(fā)階段,由于管道施工工序多、自然環(huán)境和施工條件復(fù)雜、工作人員流動(dòng)等給管道的施工建造質(zhì)量增加了難度。目前施工缺陷主要體現(xiàn)在焊接質(zhì)量和防腐技術(shù)問題上。

        焊接質(zhì)量問題引發(fā)的事故數(shù)量?jī)H次于防腐缺陷,焊接質(zhì)量問題主要體現(xiàn)為焊縫缺陷,包括氣孔、未焊透、咬邊等問題,其影響因素是焊接技術(shù)不足。我國(guó)焊接技術(shù)先后經(jīng)歷了手工焊接、半自動(dòng)焊接、CO2焊接、全位置自動(dòng)焊接等[13]。手工焊效率低且誤差大,CO2焊接常出現(xiàn)氣孔、咬邊和夾渣等問題,自保護(hù)藥芯半自動(dòng)焊接常出現(xiàn)氣孔、飛濺、未融合、未焊透等狀況[12]。全自動(dòng)焊接在我國(guó)還不能得到廣泛應(yīng)用,主要因?yàn)楹笜尩恼駝?dòng)導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)不靈敏,同時(shí)各行動(dòng)系統(tǒng)會(huì)有累計(jì)誤差[13-14]。事故中普遍存在的焊縫缺陷是未焊透,如2001年1月,我國(guó)某石油公司負(fù)責(zé)的輸油管線發(fā)生泄漏,其重要原因是焊縫2~3mm未焊透,導(dǎo)致焊縫斷裂。2010年9月美國(guó)加利福尼亞州天然氣管道發(fā)生破裂,事故原因之一是未焊透區(qū)域貫穿整個(gè)直焊縫內(nèi)部,且部分短管直焊縫內(nèi)表面對(duì)接不重合,約差為15°。在施工焊接階段,提高焊接技術(shù)或方法,采用新型的焊接設(shè)備,以減少管道的焊縫缺陷問題。

        防腐技術(shù)不足會(huì)直接造成防腐層存在問題,常見的是陰極剝離,其影響因素主要分為2種情況。一是防腐層材料性能存在不足。我國(guó)已建的長(zhǎng)輸管道通常使用的防腐材料包括熔結(jié)環(huán)氧粉末、三層聚乙烯和少量的煤焦油瓷漆[15],常出現(xiàn)氣泡、漏點(diǎn)、損傷和脫層問題,如陰極反應(yīng)形成堿性環(huán)境,有缺陷的防腐層抗堿性能下降,當(dāng)水、氧和離子滲入涂層,該處涂層對(duì)金屬的附著力降低,從金屬表面剝離。所以在選擇涂層時(shí),應(yīng)綜合考慮涂層的抗沖擊性、抗刮擦、抗鑿刻、附著性、熱膨脹(收縮)性、抗彎曲性、抗堿性[16-17]等性能。二是操作人員的失誤,如不能正確把握涂層的冷卻時(shí)間,涂層會(huì)出現(xiàn)氣泡和脫落問題。2000年4月,美國(guó)田納西州Explorer公司的一條油品管道發(fā)生泄漏,原因包括涂層未完全冷卻開始回填管道,導(dǎo)致防腐層大面積起皺與脫落,管道表面暴露在外部,降低了陰極保護(hù)的有效性,進(jìn)而發(fā)生陰極剝離。在施工防腐階段,需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際環(huán)境條件和管道材料選擇與之匹配的防腐涂層材料。

        (5)不斷完善管道運(yùn)行體系

        管道運(yùn)行體系能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道裂紋、凹陷、壓扁和腐蝕缺陷等問題,減少事故發(fā)生。國(guó)外油氣管道在運(yùn)營(yíng)階段主要體現(xiàn)為檢測(cè)方案落后,其影響因素包括2方面:一是由于檢測(cè)技術(shù)落后,未能將缺陷檢出或檢測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)間過長(zhǎng);二是管道公司不遵守規(guī)范制度或檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)落后,長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)行管道檢測(cè)。如2001年1月,加拿大亞伯達(dá)哈迪斯蒂的一條原油管道發(fā)生嚴(yán)重的泄漏事故,原因是數(shù)據(jù)分析中區(qū)分缺陷的時(shí)間和反饋風(fēng)險(xiǎn)位置的時(shí)間較長(zhǎng),公司沒能及時(shí)收到異常信息。在管道運(yùn)營(yíng)階段,應(yīng)提高檢測(cè)器對(duì)管道缺陷的靈敏程度,結(jié)合管道系統(tǒng)運(yùn)行的資源信息優(yōu)化數(shù)據(jù)分析程序,也可通過試驗(yàn)檢測(cè)來更好的了解檢測(cè)器探測(cè)到管道缺陷的信號(hào)特征,便于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

        3 結(jié)論與建議

        1)通過油氣管道本質(zhì)安全影響因素識(shí)別流程方法,確定了2個(gè)一級(jí)影響因素、19個(gè)二級(jí)影響因素和26個(gè)三級(jí)影響因素,明確了各類影響因素與管道建設(shè)階段間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,分析表明,提升制管和施工階段的管道本質(zhì)安全難度較大,而提升規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)階段的管道本質(zhì)安全難度相對(duì)不大。

        2)通過比較各階段二級(jí)影響因素誘發(fā)國(guó)外管道事故的數(shù)量,共確定了管道環(huán)境、防護(hù)設(shè)計(jì)、軋制技術(shù)、焊接技術(shù)、焊接質(zhì)量、防腐技術(shù)和檢測(cè)方案等7個(gè)本質(zhì)安全薄弱環(huán)節(jié),其中,管道環(huán)境、防護(hù)設(shè)計(jì)、焊接和防腐技術(shù)也是我國(guó)管道的薄弱環(huán)節(jié)。

        3)管道工程各階段存在各自的關(guān)鍵問題,規(guī)劃階段應(yīng)注意城市規(guī)劃速度與管道規(guī)劃速度的平衡;設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意陰極保護(hù)不足問題;制管階段應(yīng)注意軋制方向,避免出現(xiàn)尺寸錯(cuò)誤的管段;施工階段應(yīng)提高焊接技術(shù)減少焊縫缺陷,增強(qiáng)防腐層性能水平;運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)縮短數(shù)據(jù)分析和反饋的時(shí)間,并按照規(guī)范定期檢測(cè)。

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