董紹華 ，袁士義，張來斌 ，胡瑾秋 *，陳怡玥

1 中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院，北京 102249

2 油氣生產(chǎn)安全與應(yīng)急技術(shù)應(yīng)急管理部重點實驗室，北京 102249

3 中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京 100081

近年來中國油氣管道工程穩(wěn)步推進，油氣管網(wǎng)逐漸完善，合作建設(shè)多條陸上油氣進口通道。中緬、中亞、中哈、中俄油氣長輸管道先后投入使用[1-2]。隨著管線運行時間的增加，由于管道材質(zhì)老化、制造缺陷、第三方破壞、自然災害、誤操作等因素引起的管道泄漏和燃燒爆炸等事故偶有發(fā)生，這類事故不僅破壞生態(tài)環(huán)境，導致人員傷亡，同時造成巨大的經(jīng)濟損失。

自21世紀以來，管道管理模式發(fā)生了重大變化，管道完整性管理逐漸成為全球管道行業(yè)預防事故發(fā)生、實現(xiàn)事前預控的重要手段，是以管道安全為目標并持續(xù)改進的系統(tǒng)管理體系。其內(nèi)容涉及管道設(shè)計、施工、運行、監(jiān)控、維修、更換、質(zhì)量控制和通信系統(tǒng)等管理全過程，并貫穿管道整個全生命周期內(nèi)。

中國油氣管道完整性管理的發(fā)展歷經(jīng)20余年。自1995年，我國開展管道風險評價和管道安全評價研究，2001年中石油率先引進管道完整性管理并實施，取得了豐碩成果，形成了“三個一”的完整性技術(shù)群，即一套技術(shù)體系、一套標準體系、一個系統(tǒng)平臺，覆蓋管道儲運設(shè)施的線路、場站、儲氣庫和系統(tǒng)平臺等多個領(lǐng)域。線路方面形成了本體安全保障、風險評估與控制、輸送介質(zhì)安全保障、搶維修及應(yīng)急保障等技術(shù)群。場站完整性管理形成了站場工藝設(shè)施檢測與評估、壓縮機組診斷評估、定量風險評估、安全等級評估、設(shè)施完整性評價等技術(shù)群。儲氣庫完整性管理領(lǐng)域形成了地下儲氣庫風險控制、儲氣庫建庫及運行安全技術(shù)群。管道完整性系統(tǒng)平臺領(lǐng)域形成了基于業(yè)務(wù)多源數(shù)據(jù)的管道應(yīng)急決策GIS系統(tǒng)，智能管網(wǎng)初步在中俄東線建成。

本文依托中國工程院 “油氣長輸管道國家治理體系戰(zhàn)略問題研究” 項目中“油氣長輸管道安全與應(yīng)急科技支撐體系研究”課題，在分析我國管道完整性現(xiàn)狀與瓶頸的基礎(chǔ)上，對未來發(fā)展方向與關(guān)鍵技術(shù)提出了具體發(fā)展目標，同時從技術(shù)、政策與科研能力建設(shè)3個方面做出規(guī)劃部署，最后提出了實現(xiàn)規(guī)劃目標的對策建議。

1 長輸油氣管道完整性研究現(xiàn)狀分析

1.1 管道完整性發(fā)展進程

我國管道完整性理論和技術(shù)體系基本來自于歐美發(fā)達國家。經(jīng)過多年建設(shè)國外已形成執(zhí)行嚴格、監(jiān)管到位的管道安全管理體系。美國1968年頒布了第一部與管道安全有關(guān)的立法《天然氣管道安全法》[3]；2002年頒布了《管道安全改進法案》[4]，2006年頒布了《2006管道檢測、保護、實施及安全法案》，為管道完整性管理、腐蝕控制提供了法律保障；2012年頒布了《管道運輸安全改進法》。英國1962年頒布了《管道法》[5]，1996年《管道安全條例》[6]問世。英國也在積極推廣完整性管理工作，于2008年發(fā)布了公眾可獲取規(guī)范文件“PAS 55—資產(chǎn)管理”[7]，強調(diào)通過系統(tǒng)的和協(xié)調(diào)性的活動和方法，以最優(yōu)的方式來管理其資產(chǎn)和資產(chǎn)生命周期內(nèi)的資產(chǎn)相關(guān)的性能、風險和支出，以實現(xiàn)其組織戰(zhàn)略計劃。2009年，英國標準協(xié)會(BSI)發(fā)布了標準《陸上鋼制管道實施標準》，給出了高壓天然氣管道風險評價的流程和方法，并明確給出了員工個人風險、公眾個人風險和社會風險的可接受范圍(ALARP)。目前，英國標準協(xié)會正在制定其完整性管理標準《管道系統(tǒng)第四部分：陸上海底鋼制管道完整性管理實施標準》。德國的全部法律以制定法為主，不僅有體系完整的各種法典，也有大量的單行法規(guī)和比較完備的司法制度。涉及地下管線綜合管理的主要有：德國建設(shè)法典(BauGB)、能源經(jīng)濟法(EnWG)、各種單行管線法規(guī)。

在管道完整性相關(guān)技術(shù)研究方面，通過使用Citespace文獻計量軟件[8]分析2000年至今的研究發(fā)展歷程可見，2002至2005年的研究主要圍繞管道的腐蝕機理與腐蝕監(jiān)測，2010年左右形成了較完善的管道內(nèi)腐蝕檢測模型聚類，2013年形成了包括管道焊縫[9]、裂紋與斷裂行為的殘余應(yīng)力聚類[10]，2015年與2016年分別形成了響應(yīng)決策與完整性評價的聚類[11-13]，2018年形成了包括內(nèi)檢測器與清管器[14-15]的研究聚類。如圖1所示。

圖1 基于關(guān)鍵詞分析的管道完整性發(fā)展進程Fig.1 Pipeline integrity development process based on keyword analysis.

我國管道的完整性管理經(jīng)歷了引進吸收再創(chuàng)新的過程，二十余年取得了重要進展。2001年中石油北京天然氣管道公司制訂了完整性體系文件，將陜京管道完整性管理程序文件、作業(yè)文件納入HSE體系中；2002年—2003年聯(lián)合英國Advantica公司改造了中油管道檢測技術(shù)有限公司(原中油管道技術(shù)公司)液體管道檢測器適用于天然氣管道，首次在國內(nèi)完成了陜京一線912.5 km的高壓大口徑天然氣管道的內(nèi)檢測；2004年3月在中國石油管道管理與技術(shù)交流會上，北京天然氣管道公司發(fā)表了“以管道安全為中心，完整性管理為手段，開創(chuàng)管道管理的新局面”的技術(shù)交流論文并演講，完整性管理引起高度重視；2004年7月陜京天然氣管線結(jié)合自身特點建立了管道完整性管理模式，完成了從管理理念向?qū)嵤┓矫娴霓D(zhuǎn)變，“陜京管道完整性管理模式與應(yīng)用研究”項目取得重要進展，建立了適用的陜京管道完整性管理文件體系，同時在技術(shù)研發(fā)方面取得重要成果，全面系統(tǒng)的研究陜京管道完整性關(guān)鍵技術(shù)，針對國產(chǎn)化X60管線鋼開展研究，在管道漏磁內(nèi)檢測、缺陷評價、復合材料補強修復方面，取得多項成果，初步建立了較為適用的陜京管道完整性技術(shù)體系[16]；2005年中石油引進了國外PII公司的高清晰度內(nèi)檢測技術(shù)，在大港儲氣庫配套管線港清(復)線711 mm上首次應(yīng)用獲得成功；2005年中石油引進了英國導波公司的超聲導波檢測技術(shù)和方法，并在全國推廣應(yīng)用；2006年9月，在加拿大IPC管道國際會議上，北京管道公司發(fā)表了“陜京管道完整性管理最佳實踐”的大會主題報告[17]；2007年中石油引進TNO-RISCURVE、ANSYS、ABQUS等管道力學分析方法，上述技術(shù)方法至今仍在線路場站風險管理中發(fā)揮重要作用，繼續(xù)完善了完整性管理體系，形成包含線路、站場、儲氣庫、系統(tǒng)平臺的完整性控制與安全保障體系，建立了管道安全與材料測試實驗室。2008年以來發(fā)布了行業(yè)標準管道公眾警示程序，規(guī)范管道第三方日常管理活動；2009年中石油管道材料測試與安全實驗室國家認證認可委員會CNAS證書，構(gòu)建了完整性管理標準規(guī)范體系，共牽頭發(fā)布制訂企業(yè)和行業(yè)79部完整性管理標準[18]，2007年—2009年中國石油管道公司牽頭開展管道完整性管理體系研究，針對所轄各類型管道開展研究技術(shù)與管理體系，初步建立管道完整性GIS系統(tǒng)；2009年中石油制定了一套中石油集團公司的企業(yè)標準SY/T1080.1-8-2009系列標準；2011年中石油管道完整性管理系統(tǒng)(PIS)上線運行，中石油所屬管道企業(yè)全面應(yīng)用；2011年中石油管道公司針對在役管道螺旋焊縫檢測、評價、修復關(guān)鍵技術(shù)取得重要進展，與PII共同研發(fā)螺旋焊縫三軸高清檢測技術(shù)，解決了東北管網(wǎng)螺旋焊縫檢測的難題；2012年螺旋焊縫檢測與評價技術(shù)在卡爾加里國際管道大會上宣讀成果，并被授予全球管道獎；2014年國家能源局發(fā)布了應(yīng)力腐蝕SCCDA評估技術(shù)標準[19-20]。自2015年以來，我國完整性管理快速高質(zhì)量發(fā)展，相繼發(fā)布了《SY/T6975-2014管道系統(tǒng)完整性管理實施指南》[21]、《GB32167-2015油氣管道系統(tǒng)完整性管理規(guī)范》[22]等國家及行業(yè)標準。同時，三軸超高清數(shù)字化亞毫米級復合檢測技術(shù)國產(chǎn)化、中石化智慧管道系統(tǒng)在中石化所屬管道企業(yè)全面推廣，基于數(shù)據(jù)孿生的智慧管網(wǎng)建設(shè)在中俄東線成功完成并應(yīng)用、站庫區(qū)完整性管理技術(shù)日趨成熟和應(yīng)用，這些均標志著我國在油氣管道系統(tǒng)完整性關(guān)鍵技術(shù)與工業(yè)化應(yīng)用方面取得重要進展。

1.2 管道完整性研究熱點

目前國際上對管道完整性研究的熱點問題集中在內(nèi)腐蝕檢測[23-25]、殘余應(yīng)力與退化曲線[26]、智能清管器、漏磁檢測、低碳鋼[27]等方向。國內(nèi)研究熱點則主要分布在管道內(nèi)檢測器開發(fā)與應(yīng)用、無損檢測技術(shù)(包括漏磁檢測[28-32]、電磁超聲檢測以及多功能復合檢測技術(shù)等)、完整性評估理論體系、管道管材失效控制、維修技術(shù)以及風險評估與控制技術(shù)等。

管道完整性管理按照資產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)劃分為管道本體、管道防腐、管道地質(zhì)災害和周邊環(huán)境、站場及設(shè)施、地下儲氣庫等5大類[33]。針對各類結(jié)構(gòu)開展針對性的檢測監(jiān)測、風險管控、搶維修、應(yīng)急與決策支持技術(shù)研究。建立了完善的管道完整性管理的標準體系、管理體系和技術(shù)體系[34-38]，提出了管道完整性管理的6步循環(huán)，整體包括數(shù)據(jù)采集、高后果區(qū)識別、風險評價、完整性評價、減緩與維修、效能評價，提出了管道完整性數(shù)據(jù)和檢測、評估等技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，地理信息系統(tǒng)和企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)與構(gòu)架，給出了管道完整性管理體系的實施流程。

1.3 我國發(fā)展現(xiàn)狀

我國在管道完整性領(lǐng)域的研究與2006年左右形成聚類，略晚于美國、英國、加拿大與澳大利亞，但截止目前發(fā)文量僅次于美國位列第二，如圖3所示。當前我國主要發(fā)展的管道完整性研究與成果包括以下幾個方面。

圖3 管道完整性研究國家發(fā)文量與中心度Fig.3 National publication volume and centrality of pipeline integrity research.

1.3.1 完整性管理體系

我國學者相繼提出了完整性管理需覆蓋管道站場、海底管道、燃氣管網(wǎng)、集輸管網(wǎng)、LNG接收站、儲氣庫設(shè)施；完整性專項技術(shù)包括定量風險評價技術(shù)，地質(zhì)災害風險控制技術(shù)、管道內(nèi)檢測技術(shù)，有限元仿真模擬技術(shù)，泵機組、壓縮機組在線檢測與故障診斷技術(shù)，失效分析技術(shù)等需要深入研究，大量的實踐證明管道安全預測、檢測、預防、分析、診斷等方法和技術(shù)，對降低事故發(fā)生頻率起了很大的作用，我國管道平均事故率統(tǒng)計數(shù)據(jù)由0.4次/每千公里年降低為0.25次/每千公里年，西氣東輸、陜京系統(tǒng)的事故率均低于在0.1次/每千公里年，達到安全管理的國際一流水平。

1.3.2 完整性控制技術(shù)

圖2 管道完整性研究主題聚類Fig.2 Pipeline integrity research topic clustering.

我國分別對管道管體、站場與儲氣庫等附屬設(shè)施形成了較為全面的完整性控制技術(shù)。針對管道本體，從管道內(nèi)外腐蝕檢測、殘余應(yīng)力使用安全性、管道韌性材料起裂評估等多方面保障管道安全性。建立管道完整性評估理論體系，針對管道氫致開裂[40-42]、環(huán)焊縫/螺旋焊縫[43-48]/平面型缺陷評估理論與完整性評估模型，解決了老舊管線螺旋焊縫量化評價的難題。在可靠性、油氣介質(zhì)泄漏、地震災害、管道地區(qū)等級升級等風險評價與控制技術(shù)也有一定成果，并建立了基于風險評價的管道維護決策支持系統(tǒng)。

1.3.3 管道現(xiàn)代信息技術(shù)

經(jīng)過20余年的發(fā)展，我國油氣管道完整性管理技術(shù)日臻成熟。從油氣長輸管道的完整性管理逐步向油氣設(shè)施裝備、城市燃氣管道、油氣田集輸管網(wǎng)的完整性方向擴展，并取得多項技術(shù)創(chuàng)新成果[49-52]，通過建立管道完整性管理安全管控模式，消除了大量安全隱患，通過在各個方法的技術(shù)創(chuàng)新建立了管理中新的決策模式，大大提高了決策的智能性，實現(xiàn)了油氣設(shè)施檢測維修的有效性[50]。其中管道信息化在推進完整性管理的智能化和標準化建設(shè)等方面發(fā)揮主要作用，通過在技術(shù)標準建立、數(shù)據(jù)存儲管理、系統(tǒng)架構(gòu)和決策支持等方面開展工作，提升了數(shù)據(jù)的整體價值以及數(shù)據(jù)應(yīng)用水平[54-59]。管道完整性管理利用管道歷史數(shù)據(jù)資料，例如建設(shè)期數(shù)據(jù)、內(nèi)外檢測數(shù)據(jù)、日常運行數(shù)據(jù)、外部環(huán)境數(shù)據(jù)等，經(jīng)校準、對齊、整合，以構(gòu)建統(tǒng)一的管道大數(shù)據(jù)庫，從而形成管道多源大數(shù)據(jù)[60]，通過搭建大數(shù)據(jù)分析平臺的形式，實現(xiàn)可視化決策支持。

1.3.4 管道應(yīng)急技術(shù)

我國專家學者通過數(shù)值模擬的方法研究油氣輸送介質(zhì)在泄漏后的擴散速度和范圍[61-67]，以輔助應(yīng)急搶險搶維修設(shè)備研發(fā)以及各層級不同險種的應(yīng)急搶險機制的完善，有效的提高了對管道突發(fā)事故的處置能力。截至目前，相對完善的管道泄漏維搶修技術(shù)包括：開孔封堵、管內(nèi)智能封堵、外卡夾具，以及可用于尚未發(fā)生泄漏的含缺陷管道的復合材料修復技術(shù)。此外，厭氧型密封膠密封連接、針孔泄漏修復夾具等新型修復技術(shù)也為管道維搶修提供了更多的選擇[67-70]。

2 我國管道完整性研究存在瓶頸

2.1 高級鋼與老舊管道焊縫檢測技術(shù)交叉應(yīng)用困難

老舊管線存在不同程度腐蝕、裂紋、應(yīng)力集中等缺陷。隨著X80級以上高鋼級管道的應(yīng)用，以及在役老舊管道越來越接近失效的高發(fā)期，環(huán)焊縫開裂成為管道失效的主要因素。管道應(yīng)力狀態(tài)長期處于交變載荷環(huán)境，有的處于河谷地帶、大江大河穿跨越等地段。目前高清內(nèi)檢測技術(shù)難以有效量化焊縫的體積型和裂紋型缺陷，并且受到諸多條件限制，環(huán)焊縫裂紋檢測問題成為制約管道安全的世界性難題。需要研究復雜應(yīng)力狀態(tài)下高鋼級焊縫容許的應(yīng)力、應(yīng)變極限狀態(tài)，以及焊接的金相組織結(jié)構(gòu)、焊接工藝熱處理、焊縫的最大失效抗力等多因素耦合的問題，盡快建立焊縫內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與無損檢測射線圖像的表征關(guān)系，找出存在的缺陷。

2.2 天然氣管道泄漏監(jiān)測仍存在技術(shù)困難

天然氣管道泄漏監(jiān)測方法較多，各有利弊，但整體技術(shù)亟待完善提高。數(shù)據(jù)分析法主要依據(jù)SCADA采集的數(shù)據(jù)，以及流量計溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)找出泄漏的位置，缺點是定位精度低、反應(yīng)慢。次聲原理法受環(huán)境噪聲的影響，加大了對泄漏信號提取的難度，影響了泄漏監(jiān)測與定位，小泄漏的判斷定位難度較大；負壓波法要求較大的壓力降，適用于大泄漏或突發(fā)泄漏；音波聲波法因其波長短、頻率高等自身特點，衰減速度比較快，長距離很有可能檢測不到信號。

2.3 公共服務(wù)與第三方防范技術(shù)亟待完善

我國尚未建立國家層面統(tǒng)一的挖掘報警系統(tǒng)，以及統(tǒng)一的管道安全特定施工作業(yè)申請與審批程序。未建立國家管道地理信息系統(tǒng)和與之配套的施工挖掘信息查詢統(tǒng)一呼叫電話，未采取多舉措預防施工挖掘過程中損壞管道事故的發(fā)生。

對打孔盜油和施工挖掘損壞仍以人防為主。社會參與度低，預警預報技術(shù)沒有實質(zhì)性突破，北斗衛(wèi)星、遙感技術(shù)、無人機巡線技術(shù)仍然處于局部應(yīng)用和適用發(fā)展階段，不能完全代替人工巡線；光纖第三方入侵技術(shù)仍然存在誤報率高、靈敏度低、光纖振動信號微弱等情況。基于大數(shù)據(jù)的第三方防范技術(shù)、基于視頻的第三方影像識別技術(shù)還處于研究階段。

2.4 地區(qū)等級風險評價和管控面對動態(tài)挑戰(zhàn)

隨著現(xiàn)代城市擴張，原本人口稀少的地區(qū)已變成人口稠密的市區(qū)中心地帶。根據(jù)中國石油所屬22個地區(qū)分公司的初步調(diào)查，地區(qū)等級升級點達到9800多處。越來越多的管道地區(qū)升級情況對在役管道的安全管理帶來了更大的挑戰(zhàn)，因此非常有必要采取合理的風險控制措施以應(yīng)由此產(chǎn)生的一系列問題。我國目前缺乏地區(qū)等級升級的風險評價標準和管控措施，政府和企業(yè)對地區(qū)升級管控均有顧慮，出臺管控標準后對企業(yè)風險管控目標的落實是一個挑戰(zhàn)。

2.5 智慧管道成果尚不能滿足需求

智慧管道突出特點是管道數(shù)據(jù)深度挖掘與智能化決策支持?！爸腔酃艿馈备拍钛苌凇爸腔鄣厍颉焙汀爸腔鄢鞘小?。2017年6月，中國石油集團公司依托中俄東線天然氣管道工程試點建設(shè)了首條智能化管道。同年11月，中國石化發(fā)布了智能化管道管理系統(tǒng)2.0版。在2018年、2019年的中國智能管道大會上，中國石油管道公司和中國石化管道儲運公司分別發(fā)布了油氣智慧管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案。目前，針對智能管道、智慧管網(wǎng)的宏觀設(shè)計較多，但具體的實現(xiàn)方法與問題討論相對較少。國內(nèi)智慧管道建設(shè)均處于數(shù)據(jù)采集和存儲階段，管道系統(tǒng)大數(shù)據(jù)尚未形成。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用案例相對較少，僅限于在管道風險分析、內(nèi)檢測等方面的初步探索，缺乏深度分析和決策支持應(yīng)用；基于大數(shù)據(jù)的管道泄漏監(jiān)測和預警、災害預警、腐蝕控制管理仍然屬于空白；基于大數(shù)據(jù)的決策支持平臺僅完成系統(tǒng)架構(gòu)搭建，未實現(xiàn)決策支持功能的落地。如何提升模型的適用性和針對性，有效應(yīng)用于管道運行管理及評估，把各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)等集成于一體還有待攻關(guān)。

2.6 管道信息安全面臨威脅

在管道智慧化建設(shè)的同時，對包括蓄意攻擊及非蓄意行為導致管道信息空間出現(xiàn)故障或異常的信息安全威脅這一新型、復雜安全隱患，缺乏充分認識和有效檢測與預警方法。隨著數(shù)字時代的來臨，網(wǎng)絡(luò)攻擊呈現(xiàn)新特點、新趨勢。針對油氣管道系統(tǒng)有效的威脅通常是通過本地或遠程訪問在網(wǎng)絡(luò)域中啟動，模仿組件故障，同時隔離網(wǎng)絡(luò)與物理系統(tǒng)之間的連接，從而使油氣輸運物理過程不受控制。這將會導致油氣輸運過程延遲、動力機組拒絕服務(wù)(DoS)，從而導致核心業(yè)務(wù)停擺或能量/物料的意外釋放。例如，美國最大成品油管道運營商Colonial Pipeline因受到勒索軟件攻擊，被迫關(guān)閉其美國東部沿海各州供油的關(guān)鍵燃油網(wǎng)絡(luò)長達一周[71]。與物理實體在自然界的失效相比，信息安全威脅對油氣管道的運行具有創(chuàng)造更大災難性后果的潛力[72]。因此在信息安全威脅深度跨域迭代以及攻擊模式多樣化的雙重挑戰(zhàn)下，急需從“信息-物理-社會”系統(tǒng)視角，研究油氣智慧管道信息安全威脅驅(qū)動的新型致災機理，創(chuàng)建早期預警方法，實現(xiàn)油氣管道智慧、安全、可持續(xù)并行發(fā)展。

3 未來我國管道完整性技術(shù)發(fā)展方向

針對我國長輸油氣管道所面臨的問題，未來發(fā)展必需緊緊圍繞管道本質(zhì)安全和公共安全風險控制為核心，全面實現(xiàn)管網(wǎng)的高效運行和安全管控，保障能源供給。在管道完整性技術(shù)層面上將建立基于全生命周期的智慧管網(wǎng)的風險管控機制，全面實現(xiàn)系統(tǒng)智能化數(shù)據(jù)采集、風險因素精準識別、系統(tǒng)自適應(yīng)反饋與控制、高精度的完整性檢測評價等，最大限度降低失效概率，減少次生災害發(fā)生。

3.1 油氣管道檢測技術(shù)及裝備

通過理論研究、計算模擬與試驗相結(jié)合的方法，研究電磁控陣、壓電超聲、自動超聲、瞬變電磁、主動聲波、機器人、高頻導波等信號的發(fā)射與接收技術(shù)，探索檢測信號傳輸過程中遇到裂紋、缺陷時的反射信號規(guī)律，開發(fā)反射信號的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，形成裂紋、缺陷的顯示方法，最終開發(fā)管道內(nèi)檢測、環(huán)焊縫檢測、外檢測技術(shù)與裝備，填補國內(nèi)在管道檢測技術(shù)和設(shè)備方面的空白，為油氣管道的長周期安全運行、定期檢測、完整性評估等提供技術(shù)支持，減少油氣管道的事故發(fā)生率。主要可圍繞管道缺陷檢測、管道狀態(tài)監(jiān)測檢測與定位等方面相關(guān)技術(shù)開展，如圖4所示。

圖4 油氣管道檢測技術(shù)及裝備發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)Fig.4 Development Key technology of oil and gas pipeline detection technology and equipment.

3.2 智慧管道系統(tǒng)信息安全威脅致災風險預警

針對智慧管道信息安全威脅新型攻擊行為建模，重點研究3種典型攻擊模式(多步攻擊、觀察性攻擊、橫向移動攻擊)的動態(tài)行為特點，研究典型油氣輸運環(huán)節(jié)(長輸管道段、海底管道段、沿海接收站、海上浮式輸運段等)的建模方法。開展信息安全威脅的跨域響應(yīng)及其時間依賴性研究，研究攻擊行為和智慧管道系統(tǒng)固有響應(yīng)機制之間的動態(tài)交互特性，建立攻擊者行為預測和安全態(tài)勢評估方法。

基于網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)功能的信息安全威脅跨域傳播機理研究。研究信息安全威脅下管道各系統(tǒng)破壞與功能損失之間的關(guān)系。研究被攻擊系統(tǒng)各種狀態(tài)(滲透狀態(tài)，受影響狀態(tài)和受到損害的狀態(tài))的判定和定量建模，建立含狀態(tài)轉(zhuǎn)移、故障積累強度以及暫態(tài)過程持續(xù)時間的定量表征方法，提出智慧管道系統(tǒng)安全態(tài)勢失穩(wěn)奇點和判據(jù)。建立不同節(jié)點漏洞組合的攻擊能力和系統(tǒng)脆弱性評價方法，并分析系統(tǒng)脆弱性指標對各種攻擊類型時間窗口的敏感性。

3.3 公共安全的重大隱患監(jiān)測與防護

針對長輸油氣管道中的管輸產(chǎn)品泄漏、第三方破壞、地質(zhì)災害、大型輸油泵故障、雜散電流腐蝕等威脅，通過理論研究、仿真計算、現(xiàn)場試驗方法，圍繞微弱泄漏信號提取與定位、長距離光纖傳感與復雜信號識別、地質(zhì)災害識別監(jiān)測、大型輸油泵多源信息融合診斷、罐區(qū)激光多組分氣體泄漏探測、高壓直流干擾防御和評價等技術(shù)難點，開展油氣管道安全狀態(tài)監(jiān)測與防護技術(shù)研究。研制主動激勵式輸油管道泄漏監(jiān)測技術(shù)及設(shè)備、基于復合模式光時域反射分布式光纖傳感原理的長距離油氣管道安全預警技術(shù)及設(shè)備，地質(zhì)災害作用下管土耦合監(jiān)測技術(shù)、建立個性化故障模式庫和診斷標準庫，開發(fā)多源信息融合診斷和預測維護系統(tǒng)、布設(shè)安裝方案和綜合監(jiān)測系統(tǒng)，形成油氣管道雜散電流干擾危害評價準則和油氣管道安全監(jiān)測及防護國家標準，提高管道風險預控水平。

3.4 風險評價定量化

針對特殊敷設(shè)方式和環(huán)境敏感區(qū)管段風險評價定量化程度不高的問題，以“中國石油管道失效庫”積累的典型失效案例為基礎(chǔ)，結(jié)合中石油2009年以來風險評價工作識別的風險點開展研究。采用不確定性方法進行管道及油罐失效概率理論研究，改進管道及油罐失效概率模型，通過生命線工程影響范圍仿真計算、管道和油罐失效后果仿真計算，獲得災害強度分布和風險值，進行災害分級、風險分級和隱患分級，提出隱患治理與風險管控措施。主要可圍繞管道安全評價與風險預警方面相關(guān)技術(shù)開展，具體技術(shù)可包括： (1)環(huán)境敏感區(qū)和特殊敷設(shè)方式下的定量風險評價技術(shù)；(2)環(huán)境敏感型高后果區(qū)泄漏事故仿真與決策支持技術(shù)；(3)管道信息安全威脅致災風險分析與早期預警；(4)多因素耦合下作用下的管道安全評定技術(shù)。

3.5 維搶修技術(shù)與設(shè)備

針對油氣管道智能維搶修封堵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、速度及姿態(tài)控制難題及高鋼級、高壓力、厚壁油氣管道的封堵密封嚴密性和可靠性問題?；诂F(xiàn)有國內(nèi)油氣管道維搶修技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合國外成熟、先進的油氣管道維搶修技術(shù)，以“油氣管道在線開孔封堵”技術(shù)為依托，針對近年的大口徑規(guī)格管道(如中俄東線、陜京四線等)進行相應(yīng)維修、搶修裝備的研發(fā)設(shè)計。針對國際上最先進的“管道智能維搶修封堵器”開展攻關(guān)研制，搜集國內(nèi)外的相關(guān)資料，通過對該裝備的行走、錨定機械設(shè)計以及無線通信定位等關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)，掌握該設(shè)備的自主設(shè)計、研發(fā)、應(yīng)用。具體技術(shù)可包括：(1)油氣管道無痕(免三通)維搶修技術(shù)及工藝研究；(2)油氣管道泄漏快速疏導與堵漏技術(shù)及裝備；(3)特殊地區(qū)管道高效維搶修技術(shù)。

3.6 設(shè)施完整性評價準則

針對以高鋼級為主的管道完整性評價準則不確定的問題，通過理論計算、有限元模擬、試驗研究和現(xiàn)場驗證方法，研究高鋼級管道完整性評價技術(shù)。通過研制開發(fā)小沖桿試驗裝置及微探針壓痕測試方裝置，建立油氣管道微損試樣試驗方法。以中石油干線管網(wǎng)在用離心式壓縮機失效案例為基礎(chǔ)，通過建立核心部件失效模式庫，建立離心式壓縮機組損傷、腐蝕及疲勞評價方法。具體技術(shù)可包括：(1)高鋼級管道完整性與適用性評價技術(shù)；(2)高鋼級管材各向異性與變形和斷裂行為技術(shù)；(3)大口徑高壓油氣管道韌性止裂關(guān)鍵技術(shù)；(4)復雜載荷下環(huán)焊縫的缺陷容限判定技術(shù)；(5)低溫低應(yīng)力管材脆性斷裂控制技術(shù)；(6)高壓/超高壓直流輸電干擾下管道腐蝕控制技術(shù)；(7)X80管道在內(nèi)壓及外載條件下的承壓能力及缺陷增長規(guī)律研究；(8)信息安全威脅下智慧管道新型失效機理與致災風險。

3.7 安全與應(yīng)急輔助決策支持

圍繞管網(wǎng)系統(tǒng)安全綜合評價技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)兩條主線，建立管道安全保障技術(shù)體系及安全保障決策支持平臺，實現(xiàn)管道重大災害區(qū)域預測及應(yīng)急資源調(diào)配決策支持；通過大型物理試驗模型和多種環(huán)境下的工程示范作為測試手段和應(yīng)用平臺，實現(xiàn)管道安全保障技術(shù)體系的工程應(yīng)用。

3.8 管道完整性智能化管控

建設(shè)智能化管控系統(tǒng)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)、人工智能等先進技術(shù)，聯(lián)動管道本體及附屬設(shè)施、管線運行、管線隱患、周邊環(huán)境等數(shù)據(jù)信息，集管線運行管理、應(yīng)急響應(yīng)管理、隱患治理管理、巡線管理應(yīng)用、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能為一體，形成數(shù)字化、可視化、標準化的智能管控模式。

4 保障措施和對策建議

4.1 政策保障及對策建議

4.1.1 完整性管理體系建立與審核

針對國內(nèi)管道完整性管理存在的問題，從企業(yè)完整性管理體系建立的框架、技術(shù)、方法、內(nèi)容出發(fā)，發(fā)展完整性管理體系的質(zhì)量控制、技術(shù)培訓和管理審核等關(guān)鍵要素的具體技術(shù)與方法。

4.1.2 管理體制機制

研究我國油氣管道全生命周期的管理體制、機制建設(shè)方案，國家管網(wǎng)與地方管網(wǎng)的供需關(guān)系，上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)和供需關(guān)系以及油氣田和社會資源的銜接。

4.1.3 管道安全立法方面

持續(xù)增強對油氣管道安全管理的研究，及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行法律法規(guī)中隨著社會發(fā)展產(chǎn)生的與管道安全管理實際情況不相匹配的問題，解決油氣管道安全管理相關(guān)的法律《石油天然氣管道保護法》、《特種設(shè)備安全法》及新《安全生產(chǎn)法》之間相互矛盾的問題，提供配套標準和相關(guān)制度的支撐，合并與石油石化行業(yè)長輸油氣管道相關(guān)技術(shù)標準的要求存在的差異。在完善技術(shù)支持體系建設(shè)的基礎(chǔ)上，提高與管道安全相關(guān)的法律法規(guī)的適用性和執(zhí)行力。

建立管道地役權(quán)制度，保障管道企業(yè)的用地權(quán)利和土地權(quán)利人的合法利益，化解矛盾沖突，改善企民關(guān)系。調(diào)節(jié)涉及民事關(guān)系，管道通過農(nóng)村集體土地和他人取得使用權(quán)的國有土地、影響土地使用的，管道企業(yè)應(yīng)當給予補償。

4.2 科研能力建設(shè)保障及對策建議

4.2.1 國家級管道安全與完整性實驗室建設(shè)

依托優(yōu)勢學科開展技術(shù)研發(fā)工作，努力籌建國家級管道安全重點實驗室，配套建立大型工程實驗室，建議包括：管道工藝實驗室、管道安全實驗室、管道材料實驗室、管道防腐實驗室、管道環(huán)保實驗室、管道完整性實驗室、管道焊接實驗室、管道內(nèi)檢測實驗室、維搶修技術(shù)與裝備材料實驗室、動力診斷實驗室、智慧管道信息安全實驗室等。實現(xiàn)產(chǎn)學研一體化，用于油氣管道安全與完整性領(lǐng)域主體技術(shù)的研發(fā)。

在科技創(chuàng)新能力建設(shè)上，國家級管道安全重點實驗室以油氣設(shè)施安全、完整性、大數(shù)據(jù)及工程實踐為主體的產(chǎn)學研一體化工程中心，瞄準世界前沿技術(shù)，實現(xiàn)研發(fā)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

4.2.2 持續(xù)穩(wěn)定科技研發(fā)投入強度

建議依據(jù)國家科技投入要求，按照國家油氣管網(wǎng)公司與各大石油天然氣公司科技投入平均水平，建立油氣長輸管道安全與應(yīng)急科研經(jīng)費穩(wěn)定投入機制。

4.2.3 搭建國內(nèi)外管道技術(shù)交流平臺

強化交流合作，堅持“1+N”的科技創(chuàng)新模式，加強同國內(nèi)外企業(yè)、科研機構(gòu)合作與交流。積極參加國際管道協(xié)會(PRCI)研究工作，實現(xiàn)與國外管道研究機構(gòu)技術(shù)共享。建立以中國國際管道會議為主、國際研習會為輔的技術(shù)交流平臺，及時掌握國內(nèi)外先進技術(shù)。加大人才引進力度，積極引進和培育高端技術(shù)人才。

4.2.4 加強科技成果共享及推廣應(yīng)用

改進研發(fā)組織模式，試行科技項目研究應(yīng)用一體化，需求提出部門牽頭研究，并負責應(yīng)用。開展油氣長輸管道安全與應(yīng)急科技成果集成，將“十三”以來在不同層次、不同地區(qū)公司產(chǎn)生的、分散在不同研究單位的科技成果統(tǒng)一集成，形成系統(tǒng)的技術(shù)成果，在所屬管道企業(yè)全面推廣。建立有效的獎懲機制，對推廣面廣、經(jīng)濟效益好的科技成果，按照一定比例對項目研究團隊和應(yīng)用單位進行獎勵。