楊玉鋒 李 楊 張 強(qiáng) 汪 澍 張希祥

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院分公司, 河北 廊坊 065000;2.北京科技大學(xué)土木與資源學(xué)院, 北京 100083;3.中國(guó)石油管道工程有限公司設(shè)備租賃分公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

近幾十年全球油氣管道發(fā)展迅速,管道事故屢見不鮮,特別是一些油氣泄漏、火災(zāi)爆炸等惡性事故對(duì)人身安全、自然環(huán)境造成巨大危害[1]。世界各國(guó)對(duì)管道事故管理和安全運(yùn)行的要求也越來(lái)越高,許多國(guó)家和組織建立了管道事故管理機(jī)制。如美國(guó)管道及危險(xiǎn)材料管理局(Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration,PHMSA)、加拿大國(guó)家能源局(National Energy Board，NEB)和歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)組織(European Gas Pipeline Ineident Data Group，EGIG)等定期對(duì)其所轄管道泄漏事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并發(fā)布事故報(bào)告[2]。

中國(guó)油氣管道正處于高速發(fā)展階段,國(guó)家和社會(huì)對(duì)管道安全的要求也日益嚴(yán)格,但并未形成成熟的管道事故管理機(jī)制[3],統(tǒng)計(jì)分析缺乏規(guī)范指導(dǎo)。本文結(jié)合國(guó)外管道事故管理的先進(jìn)做法,借鑒其經(jīng)驗(yàn),提出了管道失效事故的分析方法,并對(duì)美國(guó)1995—2014年間的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,以期有助于健全中國(guó)管道事故管理機(jī)制。

1 美國(guó)管道事故分級(jí)方法

美國(guó)管道失效數(shù)據(jù)由PHMSA進(jìn)行管理,各管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)每年按照要求將管道失效數(shù)據(jù)上報(bào)PHMSA[4]。目前,PHMSA建立了統(tǒng)一的管道失效數(shù)據(jù)庫(kù),管理和發(fā)布美國(guó)境內(nèi)的長(zhǎng)輸管道、集輸管道、LNG管道、城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖仁鹿蕯?shù)據(jù)。

PHMSA將失效事故的類型分為三個(gè)等級(jí):上報(bào)事故、重大事故和特大事故,并分別制定了氣體管道和危險(xiǎn)液體管道事故上報(bào)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

1.1 上報(bào)事故標(biāo)準(zhǔn)

氣體儲(chǔ)運(yùn)管道及設(shè)施發(fā)生泄漏時(shí),事故后果符合下列一種或幾種情況的需要上報(bào)[5]。

1)1人以上死亡或人員受傷需要住院治療。

2)產(chǎn)生的財(cái)產(chǎn)損失超過50 000美元,包括管道運(yùn)行單位財(cái)產(chǎn)損害和其他人員財(cái)產(chǎn)損失,不包含泄漏氣體成本費(fèi)用。

3)產(chǎn)生的氣體泄漏量在300萬(wàn)立方英尺(84 950 m3)以上。

4)導(dǎo)致LNG設(shè)施中緊急關(guān)斷系統(tǒng)激活的事件。

5)事故可能不滿足上述規(guī)定,但運(yùn)營(yíng)商認(rèn)為情況嚴(yán)重的事故。

當(dāng)危險(xiǎn)液體管道系統(tǒng)發(fā)生泄漏,事故后果符合下列任意一種情況時(shí)需要上報(bào)[5]。

1)產(chǎn)生意外的火災(zāi)或者爆炸。

2)危險(xiǎn)液體泄漏量超過5加侖(19 L),如果泄漏是由于管道維修維護(hù)產(chǎn)生,泄漏量小于5桶(0.8 m3)且泄漏及時(shí)進(jìn)行了清理,則不需要上報(bào)。

3)導(dǎo)致人員死亡或者人員傷亡需要住院治療。

4)產(chǎn)生的財(cái)產(chǎn)損失超過50 000美元,包括污染清理與環(huán)境恢復(fù)、泄漏油品價(jià)值、對(duì)管道運(yùn)行商或其他人員財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生的損壞。

1.2 重大事故及特大事故標(biāo)準(zhǔn)

管道系統(tǒng)發(fā)生泄漏,導(dǎo)致的后果符合下列任意一種或幾種情況的為重大事故[5]。

1)造成人員死亡或人員受傷需要住院治療。

2)按1984年的美元基準(zhǔn),造成50 000美元及以上財(cái)產(chǎn)損失。

3)5桶(0.8 m3)及以上高壓液體泄漏,或者50桶(8 m3)及以上其他液體泄漏事故。

4)泄漏導(dǎo)致的意外火災(zāi)或者爆炸事故。

當(dāng)事故造成1人以上死亡或人員受傷需要住院治療,為特大事故。

2 事故數(shù)量、后果及原因分析

2.1 事故數(shù)量統(tǒng)計(jì)及趨勢(shì)分析

管道事故數(shù)量統(tǒng)計(jì)與分析主要分析管道事故數(shù)量隨時(shí)間變化情況和不同等級(jí)事故比例關(guān)系。各個(gè)等級(jí)事故數(shù)量一般是整體平穩(wěn)緩慢變化的趨勢(shì),對(duì)于事故數(shù)量發(fā)生突變的年份,要進(jìn)一步分析其發(fā)生變化的原因。

根據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)資料,1995—2014年美國(guó)境內(nèi)油氣管道共上報(bào)事故10 845起[6]、重大事故 5 598 起[7]、特大事故892起[8],三者之間的比例關(guān)系為12∶6∶1,美國(guó)1995—2014年管道事故統(tǒng)計(jì)見表1。根據(jù)美國(guó)事故上報(bào)準(zhǔn)則,造成人員死亡或人員受傷需要住院治療為特大事故,因此在上報(bào)的管道失效事故中,每12起事故就會(huì)有1起事故造成人員死亡或者受傷。

圖1是PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)中美國(guó)1995—2014年事故數(shù)量及變化趨勢(shì)圖,近20年間,美國(guó)發(fā)生的重大事故數(shù)量基本趨于平穩(wěn),每年發(fā)生280±30起,上報(bào)事故數(shù)量從2002年開始變化明顯,2002年以前每年上報(bào)事故數(shù)量為350起左右,2002年以后每年上報(bào)事故數(shù)量為650起左右。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)在2002年8月對(duì)事故上報(bào)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修正,擴(kuò)大了上報(bào)事故范圍[5],導(dǎo)致上報(bào)事故數(shù)量發(fā)生了較大變化,但對(duì)于重大事故和特大事故界定標(biāo)準(zhǔn)沒有變化。

圖1 1995—2014年事故數(shù)量及變化趨勢(shì)圖

管道事故數(shù)量整體趨勢(shì)穩(wěn)定,各年度數(shù)據(jù)具有一定的隨機(jī)性,通過計(jì)算不同時(shí)間區(qū)間內(nèi)平均值的方法,可以在一定程度上避免隨機(jī)性的干擾,獲得穩(wěn)定趨勢(shì)。可采用3年平均值、5年平均值、10年平均值和20年平均值進(jìn)行分析,其中3年平均值是指2012—2014年事故數(shù)量的平均值,5年平均值是2010—2014年事故數(shù)量平均值,10年平均值是指2005—2014年事故數(shù)量的平均值,20年平均值是指1995—2014年事故數(shù)據(jù)平均值。

PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)事故數(shù)量平均值計(jì)算結(jié)果見表2,從表2可以看出,美國(guó)重大事故不同時(shí)間區(qū)間平均值基本穩(wěn)定在282起左右,上報(bào)事故總數(shù)量2005年以后的數(shù)據(jù)平均值基本穩(wěn)定在620起左右,由于2002年上報(bào)事故標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整導(dǎo)致20年平均值與其他平均值差異較大。特大事故數(shù)量平均值下降趨勢(shì)明顯,20年平均值為45起,近3年平均值為27起。特大事故數(shù)量平均值對(duì)比分析見圖2。

圖2 美國(guó)1995—2014年特大事故數(shù)量平均值對(duì)比分析圖

表2 美國(guó)事故數(shù)量平均值分析表

2002年,美國(guó)頒布了《油氣管道安全促進(jìn)法案》[9],規(guī)定加強(qiáng)聯(lián)邦油氣管道安全管理,并且頒布了完整性管理標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)的失效數(shù)據(jù),2002年美國(guó)加強(qiáng)管道管理后,管道上報(bào)事故數(shù)量沒有逐年減少趨勢(shì),重大事故數(shù)量也基本穩(wěn)定,特大管道事故數(shù)量呈現(xiàn)明顯逐年減少的趨勢(shì)。由此可見，完整性管理工作,對(duì)于一般小型失效沒有明顯控制效果,對(duì)于控制特大事故有明顯的作用。

2.2 事故后果統(tǒng)計(jì)分析

管道事故產(chǎn)生的后果影響分析,主要包括人員傷亡、環(huán)境影響和財(cái)產(chǎn)損失等,由于環(huán)境影響的程度難以量化統(tǒng)計(jì)分析,因此后果分析主要從人員死亡、人員受傷和財(cái)產(chǎn)損失三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)資料美國(guó)1995—2014年管道事故共造成人員死亡371人、人員受傷1 395人,比例為1∶3.8[10]。美國(guó)1995—2014年人員傷亡情況隨年份變化規(guī)律見圖3。美國(guó)1995—2014年財(cái)產(chǎn)損失變化情況見圖4。

圖3 美國(guó)1995—2014年人員傷亡情況變化規(guī)律圖

圖4 美國(guó)1995—2014年財(cái)產(chǎn)損失變化情況圖

從圖3可看出,美國(guó)2001年以前管道事故導(dǎo)致的人員傷亡數(shù)據(jù)較高,2001—2008年人員傷亡數(shù)量下降到一個(gè)穩(wěn)定趨勢(shì),2009年以后人員死亡數(shù)量基本穩(wěn)定而人員受傷數(shù)量出現(xiàn)上升趨勢(shì)。

從圖4可以看出,1995年以來(lái)管道事故導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失逐年增加,2003年以前每年管道失效財(cái)產(chǎn)損失基本控制在2億美元內(nèi),2003年以后大多年份財(cái)產(chǎn)損失超過2億美元,這是由于2002年8月調(diào)整了上報(bào)事故標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致上報(bào)事故數(shù)量增加,同時(shí)由于近年來(lái)美國(guó)對(duì)于事故傷亡賠償和污染物清理的要求更加嚴(yán)格。

人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失在2010年處于一個(gè)較高值,明顯高于平均水平,經(jīng)進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)2010年9月在舊金山發(fā)了一起惡性天然氣管道爆炸事故,導(dǎo)致了8人死亡,60多人受傷,燒毀了55棟房屋,直接經(jīng)濟(jì)損失10億美元。

2.3 失效原因分析

根據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)美國(guó)1995—2014年上報(bào)事故10 845起管道失效數(shù)據(jù),失效的原因可以分為腐蝕、開挖損壞、誤操作、材料/焊接、自然外力、其他外力和其他不明原因。

腐蝕一般包括外腐蝕和內(nèi)腐蝕;開挖損壞主要包括管道運(yùn)行單位開挖損壞和第三方開挖損壞;誤操作主要包括設(shè)備選型錯(cuò)誤、設(shè)備安裝錯(cuò)誤、操作失誤、超壓、溢流、水擊等;材料/焊接主要包括管材缺陷、焊縫失效、設(shè)備故障、施工或安裝缺陷等;自然外力主要包括土體移動(dòng)、洪水、雷電、大風(fēng)、溫度等;其他外力主要包括蓄意破壞、其他設(shè)備/設(shè)施電弧擊穿、火災(zāi)爆炸、車輛、船舶等;其他不明原因是失效原因不明或者上報(bào)事故時(shí)未寫明原因。美國(guó)1995—2014年管道失效原因統(tǒng)計(jì)見表3。

從表3可看出,上報(bào)事故、重大事故和特大事故主導(dǎo)的失效原因及其所占比例差異較大。所有上報(bào)事故中材料/焊接、腐蝕和開挖損壞是主要的失效原因,分別占事故總數(shù)的30.36%、18.11%和17.03%；重大事故中材料/焊接、開挖損壞和腐蝕是主要的失效原因,分別占重大事故總數(shù)的21.63%、21.24%和19.54%；特大事故中開挖損壞、其他不明原因和誤操作是主要的失效原因,分別占特大事故總數(shù)的33.52%、26.46%和12.11%。

表3 美國(guó)1995—2014年管道失效原因統(tǒng)計(jì)表

3 失效原因研究

3.1 危害程度計(jì)算方法

通過結(jié)合各類失效原因?qū)е率鹿实臄?shù)量和產(chǎn)生的影響后果,綜合分析7類失效原因的危害程度。從危害發(fā)生可能性和危害后果等級(jí)兩方面進(jìn)行分析[12-13]。

1)危害發(fā)生可能性用P表示,根據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)各類失效原因?qū)е率鹿实臄?shù)量及占總事故數(shù)量的比例確定,具體確定的準(zhǔn)則見表4[14]。

表4 危害發(fā)生可能性分級(jí)準(zhǔn)則表

2)危害后果等級(jí)用C表示,根據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)各類失效原因?qū)е率鹿十a(chǎn)生后果由危害程度確定,影響危害后果等級(jí)由事故導(dǎo)致的人員死亡、人員受傷,財(cái)產(chǎn)損失三個(gè)方面確定,具體確定的準(zhǔn)則見表5[14]。

表5 危害后果分級(jí)準(zhǔn)則表

危害程度分析R計(jì)算公式表示為[14-17]:

R=P×C

(1)

式中:R為危害程度;P為危害發(fā)生可能性;C為危害等級(jí)后果。

3.2 計(jì)算結(jié)果

危害發(fā)生可能性評(píng)價(jià)依據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)美國(guó)1995—2014年管道失效事故的數(shù)量確定,其中材料/焊接事故數(shù)量為3 293起,等級(jí)為可能發(fā)生,腐蝕、開挖損壞和其他不明原因事故數(shù)量1 000～2 000起,等級(jí)為有理由可能發(fā)生,其他因素導(dǎo)致事故數(shù)量小于1 000起,為可能性小,詳細(xì)分級(jí)結(jié)果見表6。

表6 危害發(fā)生可能性評(píng)分結(jié)果表

危害后果損失評(píng)分結(jié)果依據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)美國(guó)1995—2014年管道失效事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失確定,評(píng)分過程中危害后果等級(jí)確定優(yōu)先考慮人員死亡,人員死亡數(shù)量相差不大時(shí),通過人員受傷數(shù)量確定,若前兩項(xiàng)基本一致,通過財(cái)產(chǎn)損失確定危害后果損失等級(jí),詳細(xì)分析結(jié)果見表7。

表7 危害后果損失評(píng)分結(jié)果表

根據(jù)表6～7中的評(píng)分結(jié)果,通過式(1)計(jì)算各失效原因的危害程度值并排序,見表8。

表8 失效原因及其危害程度計(jì)算結(jié)果表

造成管道事故的7類失效原因中,危害程度最大的失效原因是開挖損壞,根據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)1995—2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)開挖損壞導(dǎo)致的事故數(shù)量多達(dá)1 847起,開挖損壞導(dǎo)致的管道事故一般為大泄漏或者破裂,輸送的油氣介質(zhì)泄漏量較大,發(fā)生油氣積聚并進(jìn)一步引發(fā)火災(zāi)和爆炸的概率高,開挖區(qū)域一般建設(shè)活動(dòng)頻繁,人口密度較大,容易產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡[18-20]。

危害程度第2位的失效原因是材料/焊接,由材料/焊接導(dǎo)致的事故數(shù)量最多為3 293起,材料/焊接導(dǎo)致的人員傷亡位于平均水平,造成的財(cái)產(chǎn)損失最大,美國(guó)1995—2014年因材料/焊接失效原因?qū)е率鹿实呢?cái)產(chǎn)損失為23億美元。

危害程度位于第3位的失效原因是其他不明原因,根據(jù)PHMSA數(shù)據(jù)庫(kù)的描述,其他不明原因一般包括失效原因沒有調(diào)查清楚和管道企業(yè)沒有上報(bào)失效原因。

危害程度排在最后的失效原因是自然外力,自然外力導(dǎo)致的事故數(shù)量最少,同時(shí)產(chǎn)生的人員傷亡也最小。洪水、土體移動(dòng)等自然外力導(dǎo)致的管道事故,一般發(fā)生在河流、山區(qū)等區(qū)域,人口密度相對(duì)較低,產(chǎn)生人員傷亡概率也較小。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1)對(duì)美國(guó)1995—2014年管道失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，管道系統(tǒng)上報(bào)失效事故分為三個(gè)等級(jí),其中上報(bào)事故因上報(bào)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整,在2002年前后出現(xiàn)較大變化,重大事故數(shù)量穩(wěn)定在每年280起左右,特大事故從2005年開始平均數(shù)量下降趨勢(shì)明顯。

2)2002年,美國(guó)頒布了《油氣管道安全促進(jìn)法案》,加強(qiáng)油氣管道安全管理水平,上報(bào)事故總數(shù)量和重大事故數(shù)量沒有明顯下降趨勢(shì),特大事故數(shù)量下降趨勢(shì)明顯,說(shuō)明完整性管理工作對(duì)于控制特大事故效果更明顯。

3)所有上報(bào)事故和重大事故的失效原因是材料/焊接、腐蝕和開挖損壞,特大事故的失效原因是開挖損壞、其他不明原因和誤操作。

4)美國(guó)1995—2014年管道失效事故中,導(dǎo)致事故數(shù)量最多的失效原因是材料/焊接,造成人員傷亡最大的失效原因是開挖損壞,造成財(cái)產(chǎn)損失最嚴(yán)重的失效原因是材料/焊接。采用安全系統(tǒng)工程分析方法,綜合評(píng)價(jià)危害程度最嚴(yán)重的失效原因是開挖損壞。

5)在國(guó)外事故統(tǒng)計(jì)分析研究中,建議研究事故上報(bào)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)變化情況,避免單純統(tǒng)計(jì)事故數(shù)量的上升和下降趨勢(shì)導(dǎo)致產(chǎn)生的結(jié)論不全面。

4.2 建議

中國(guó)油氣管道正處于高速發(fā)展時(shí)期,管道建設(shè)規(guī)模和速度居世界前列,未來(lái)20～30年中國(guó)將有大量的油氣管道進(jìn)入設(shè)計(jì)使用年限的老齡化時(shí)期,管道可能邁入事故高發(fā)階段,為預(yù)防和減輕事故風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)當(dāng)從國(guó)外管道的發(fā)展中學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),吸取教訓(xùn),建立統(tǒng)一的管道安全管理機(jī)構(gòu),完善管道安全數(shù)據(jù)庫(kù),制定管道失效事故上報(bào)標(biāo)準(zhǔn),明確上報(bào)要求和需要上報(bào)的內(nèi)容,研究管道事故等級(jí)分級(jí)準(zhǔn)則,建立詳細(xì)的管道失效原因分類標(biāo)準(zhǔn)。