張英楠

(陜西神渭煤炭管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司，陜西 西安 710001)

0 引言

神渭輸煤管道是中國第一條自主研發(fā)的輸煤管道，也是世界上規(guī)模最大，最長的輸煤管道工程。此管道輸煤工程對國內(nèi)煤炭運(yùn)輸技術(shù)來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的巨大創(chuàng)新實(shí)踐。管道的安全性和可靠性是管道運(yùn)輸企業(yè)的關(guān)鍵需求。長輸管道的風(fēng)險(xiǎn)大多是可控的，可以通過優(yōu)化工藝流程、嚴(yán)格管理程序、提高人員素質(zhì)來防控。而不可抗力可以通過科學(xué)的分析研究最大化的進(jìn)行規(guī)避和預(yù)防。

長輸管道的風(fēng)險(xiǎn)分析，由于輸送介質(zhì)、路由條件、技術(shù)水平和人們的安全感知等因素的差別，分析角度也不盡一致。神渭輸煤管道作為亞洲第一條長距離輸煤管道，國內(nèi)對于其運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和安全管理的研究尚處于起步階段，相關(guān)資料較少。針對神渭管道輸煤工程，結(jié)合工程實(shí)際情況，分析影響神渭輸煤管道安全生產(chǎn)運(yùn)行的危險(xiǎn)有害因素，選擇采用因果圖分析法、事故樹分析法進(jìn)行預(yù)評價(jià)，得出預(yù)評價(jià)結(jié)論，為企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)管理水平提供依據(jù)。

1 長輸管道常見運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素

1.1 管道故障及失效

管道故障是指輸煤管道運(yùn)行中因穿孔、破損、介質(zhì)分層和沉積引起的管道堵塞。自控系統(tǒng)的誤操作、通訊系統(tǒng)的中斷及設(shè)備發(fā)生機(jī)械故障等造成管線緊急停車的事件。

管道失效是故障的升級，管輸介質(zhì)泄漏造成災(zāi)害，管道發(fā)生全斷面堵塞，自控系統(tǒng)癱瘓，泵輸工藝設(shè)備損壞報(bào)廢等嚴(yán)重事件都稱之為失效[1]。

1.2 管齡差異導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)

通過分析國內(nèi)外長輸管道的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，管道風(fēng)險(xiǎn)通常隨著管齡的增長而變化，其根據(jù)時(shí)間可分為3個(gè)階段。

初生期(5年以內(nèi))：這一時(shí)期一般處于管道的投產(chǎn)試運(yùn)行階段，管道發(fā)生故障及失效的風(fēng)險(xiǎn)較大，其因素主要有設(shè)計(jì)缺陷及施工質(zhì)量問題，人員業(yè)務(wù)技能不高、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足造成的誤操作，新設(shè)備磨合的機(jī)械故障等，但隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的增加及不斷的技改，其風(fēng)險(xiǎn)會逐漸降低。

成熟期(5～20年)：此為管道運(yùn)行的“黃金時(shí)期”，人員素質(zhì)、設(shè)備狀態(tài)等各方面趨于穩(wěn)定，管道風(fēng)險(xiǎn)較低，其因素主要有第三方破壞、材料缺陷、腐蝕等。

衰老期(20年以后)：隨著管道衰老，管道風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，最終達(dá)到其使用壽命。主要因素是第三方破壞、腐蝕等。

神渭輸煤管道設(shè)計(jì)使用年限30年，計(jì)劃于2019年投產(chǎn)試運(yùn)行，正處于管道初生期。

1.3 基于管道事故數(shù)據(jù)庫的危險(xiǎn)因素

國外著名的相關(guān)管理研究機(jī)構(gòu)，如美國管道和危險(xiǎn)材料安全局(Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration，PHMSA)、歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)組織(European Gas Pipeline Incident Data Group，EGIG)、英國陸地管道經(jīng)營者協(xié)會(United Kingdom On shore Pipeline Operator’s Association，UKOPA)、加拿大國家能源局(National Energy Board，NEB)等均對管道事故進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析研究。

按照美國 ASME B31.8 S—2004《輸氣管道完整性管理》的劃分類別的方式，導(dǎo)致管道發(fā)生事故的原因有腐蝕、第三方破壞、材料失效、誤操作、自然災(zāi)害、其他外力破壞以及其他的未知原因等7類。PHMSA對1988—2008年美國所有重大管道事故的原因進(jìn)行了比較和分析，具體如圖1所示。

圖1 1988—2008年美國不同重大管道事故原因所占比例

UKOPA計(jì)算了管道發(fā)生事故的概率及嚴(yán)重結(jié)果，在此基礎(chǔ)上為管道的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)給出了科學(xué)的指導(dǎo)意見，在數(shù)據(jù)庫中管道事故的計(jì)算過程中，運(yùn)用可靠性理論，推導(dǎo)了管道失效的機(jī)率[4]。UKOPA分析了管道事故發(fā)生的原因，具體為第三方破壞、腐蝕、材料缺陷、自然災(zāi)害和誤操作等，如圖2所示。

圖2 UKOPA管道事故原因統(tǒng)計(jì)圖

中石油管道局自2007年起也開始對其所屬管道的失效相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和分析研究，在深入調(diào)研了國外成熟的管道事故數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身實(shí)際情況，于2009年建立了石油和天然氣管道失效的數(shù)據(jù)庫。通過對數(shù)據(jù)資料的統(tǒng)計(jì)分析，我國管道事故率比發(fā)達(dá)國家高出許多，安全隱患突出[5-6]。

通過對以上國內(nèi)外管道事故數(shù)據(jù)庫的研究分析，結(jié)合神渭輸煤管道的實(shí)際情況，概括導(dǎo)致神渭輸煤管道失效的危險(xiǎn)因素主要有以下幾點(diǎn)。

內(nèi)部因素：指管道自身的，可通過技術(shù)措施和管理手段進(jìn)行改善的因素。主要有以下幾點(diǎn)。①設(shè)計(jì)缺陷—由于前期工程勘察、工藝方案、設(shè)備選型未考慮全面，導(dǎo)致在管道運(yùn)行中存在一些潛在的缺陷;②施工質(zhì)量—在管道下溝、焊接、補(bǔ)口、回填及通球試壓等各環(huán)節(jié)中，由于施工組織或施工工藝不當(dāng)，造成管道或設(shè)備損傷，未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致性能降級；③材料缺陷—包括管材初始缺陷和施工缺陷，這些缺陷會降低管道的整體強(qiáng)度，直接影響管道的可靠性和使用壽命；④腐蝕—腐蝕包含外部腐蝕、內(nèi)部腐蝕和應(yīng)力腐蝕，土壤、陰極保護(hù)失靈和絕緣層損傷會引起管道的外部腐蝕。輸送介質(zhì)的腐蝕將導(dǎo)致內(nèi)部腐蝕，應(yīng)力腐蝕則是由于施工和安裝過程中的不合理導(dǎo)致的；⑤誤操作；⑥第三方破壞—包括人為因素和自然災(zāi)害破壞。如管頂上方取土及壓占，野蠻施工，管線周邊或穿越段遭遇滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，都可能導(dǎo)致管道失效；⑦設(shè)備性能—包括主泵及供輔設(shè)施，其產(chǎn)品性能直接影響著工藝系統(tǒng)設(shè)置及運(yùn)行安全；⑧通訊故障；⑨煤漿質(zhì)量—漿體粒徑過大漿體分層、造成堵管和加速磨損管道。漿體粒徑過細(xì)粘度增加、屈服應(yīng)力加大、沿程阻力加大，必然增加主泵負(fù)荷、加大管道承壓特性。

外部因素：指除去管道自身的，通過各種方法不可改變或改善很小的因素。主要有以下幾點(diǎn)。①管道沿線的自然條件(如土壤的腐蝕率)和社會條件(如治安環(huán)境)；②供電風(fēng)險(xiǎn)—保持不間斷供電是保證管道安全的必要條件，泵站長時(shí)間停電，特別是短時(shí)間內(nèi)多次停電對設(shè)備的沖擊和管道的安全影響是非常巨大的。外部供電不可控的因素多，一旦受災(zāi)導(dǎo)致雙回路停電，容易導(dǎo)致嚴(yán)重事故；③供水風(fēng)險(xiǎn)—管道的供水是漿體管道輸送的充要條件，任何時(shí)候各個(gè)泵站都必須保證有足夠的水把本站到下級泵站的管道內(nèi)的漿體全部推完，以備發(fā)生緊急情況時(shí)的故障處理使用。中間泵站一旦水源出現(xiàn)問題，檢修或事故時(shí)沒有足量的水來沖洗管道，容易產(chǎn)生或擴(kuò)大事故。

2 神渭輸煤管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評價(jià)

2.1 因果圖法分析

將輸煤管道失效作為研究目標(biāo)，通過前文中基于管道事故數(shù)據(jù)庫的危險(xiǎn)因素辨識，分析所得的輸煤管道事故主要原因，構(gòu)建出因果圖的主要枝干，針對其潛在因素進(jìn)行分析，構(gòu)造出因果圖的中枝，并根據(jù)需要繼續(xù)分析找出小枝和細(xì)枝，直至不能再分解為止。輸煤管道失效因果圖如圖3所示。

圖3 輸煤管道失效因果圖

通過對輸煤管道失效原因的研究，進(jìn)一步分析了輸煤管道失效的子因素構(gòu)成，結(jié)合國內(nèi)外管道失效數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)分析和神渭輸煤管道的運(yùn)行特點(diǎn)，建立了輸煤管道失效因果圖，定性分析出對輸煤管道失效產(chǎn)生影響的主要原因有：第三方破壞、腐蝕、材料缺陷、誤操作和其他因素等。

2.2 事故樹法分析

輸煤管道在運(yùn)行過程中，受到相關(guān)因素等影響，導(dǎo)致部分管段發(fā)生失效，這直接影響著管道的安全運(yùn)行和管道的使用壽命。通過對輸煤管道系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，可以找出管道的主要失效形式、失效因素，有針對性地在輸煤管道施工及運(yùn)行中采取相應(yīng)的措施，從而提高輸煤管道的可靠性，延長使用壽命。

事故樹：輸煤管道事故樹如圖4所示，事故樹中各符號對應(yīng)的事件見表1。

最小割集計(jì)算：最小割集計(jì)算見式(1)。

T=A1+A2

=B1+B2+B3+X20+B4+B5

=B1+X6D1D2+C2+C3+C4+X20+C5+C6+C7+C8

=B1+X6D1D2+C2+C3+C4+X20+X6X21X22D3+X6D4D5+X32+D6+C8

=B1+X6D1X10E1+C2+X16C3+C4+X20+X6X21X22D3+X6X10E1D5+X32+D6+C8

=X1+X2+X3+X4+X5+X6(X7+X8+X9)X10

圖4 輸煤管道事故樹

表1 符號事件對應(yīng)表

(X11+X12+X13)+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X6X21X22(X23+X24+X25+X26+X27+X28)+X6X10(X11+X12+X13)(X37+X38+X39+X40)+X32+X29+X30+X31+X33+X34+X35+X36

=X1+X2+X3+X4+X5+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X29+X30+X31+X32+X34+X35+X36+X6X7X10X11+X6X7X10X12+X6X7X10X13+X6X8X10X11+X6X8X10X12+X6X8X10X13+X6X9X10X11+X6X9X10X12+X6X9X10X13+X6X21X22X23+X6X21X22X24+X6X21X22X25+X6X21X22X26+X6X21X22X27+X6X21X22X28+X6X10X11X37+X6X10X11X38+X6X10X11X39+X6X10X11X40+X6X10X12X37+X6X10X12X38+X6X10X12X39+X6X10X12X40+X6X10X13X37+X6X10X13X38+X6X10X13X39+X6X10X13X40

(1)

通過計(jì)算，輸煤管道事故樹最小割集有47個(gè)，其中單事件最小割集20個(gè)，4事件最小割集27個(gè)，具體見表2。

結(jié)構(gòu)重要度分析：事件X1～X5、X14～X20、X29～X36是單事件最小割集，結(jié)構(gòu)重要度最大；在4事件最小割集中，事件X6出現(xiàn)了27次，事件X10出現(xiàn)了21次，事件X11、X12、X13各出現(xiàn)了7次，事件X21、X22各出現(xiàn)了6次，事件X7、X8、X9、X37、X38、X39、X40各出現(xiàn)了3次，事件X23、X24、X25、X26、X27、X28各出現(xiàn)了1次。

失效原因：通過對輸煤管道事故樹及最小割集的分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)管道失效的主要原因有第三方破壞、誤操作、材料缺陷、腐蝕等4個(gè)方面。

表2 割集事件對照表

3 結(jié)論

(1)神渭輸煤管道在設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收中，遵守國家相關(guān)法律法規(guī)、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的條件下，加強(qiáng)安全管理，提高防范意識，可使本項(xiàng)目存在的安全風(fēng)險(xiǎn)降至可接受的程度，能夠?qū)崿F(xiàn)安全生產(chǎn)運(yùn)行。

(2)管輸企業(yè)應(yīng)當(dāng)貫徹實(shí)行安全運(yùn)營。在項(xiàng)目建設(shè)過程中，對設(shè)計(jì)、采購、施工、監(jiān)理、驗(yàn)收等全過程嚴(yán)格監(jiān)管，認(rèn)真把關(guān)，從源頭上保證工程質(zhì)量。在將來投產(chǎn)運(yùn)行后，加強(qiáng)管道沿線管理，嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)規(guī)章制度，建立考核機(jī)制，加強(qiáng)教育培訓(xùn)，做好應(yīng)急預(yù)案及演練，確保消防設(shè)施、安全部件、報(bào)警系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，防止各類事故的發(fā)生。只有在安全生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)上建立切實(shí)有效的機(jī)制和手段并堅(jiān)決貫徹執(zhí)行，才能達(dá)到評價(jià)的最終安全水平。

(3)神渭輸煤管道作為世界最長、亞洲第一條輸煤管道，預(yù)先識別出影響其安全運(yùn)行的因素，對于神渭輸煤管道投產(chǎn)后的安全運(yùn)行具有重大意義，不但可以從管道運(yùn)營安全性方面促進(jìn)企業(yè)科學(xué)管理和安全標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，還從經(jīng)濟(jì)性方面為各級決策提供依據(jù)，減少事故損失，節(jié)約維修維護(hù)費(fèi)用，帶來實(shí)在的經(jīng)濟(jì)效益。