張維智，付勇，陳宏健，唐德志，朱世豪

(1.中國石油油氣和新能源分公司，北京 100007；2.中國石油規(guī)劃總院，北京 100083；3.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司，四川 成都 610095)

0 引言

管道安全影響因素復(fù)雜，管道事故后果更為嚴(yán)重。油氣管道發(fā)展向著更大口徑、更高鋼級、更高壓力的方向邁進(jìn)。在這種背景下，管道完整性管理工作變得尤為重要[1-3]。國外管道的失效數(shù)據(jù)主要來源于失效數(shù)據(jù)庫，世界上多數(shù)油氣儲運(yùn)業(yè)發(fā)達(dá)國家均建立了管道失效或事故數(shù)據(jù)庫，用于指導(dǎo)本國油氣管道的設(shè)計(jì)、建設(shè)和風(fēng)險(xiǎn)管理[4]。目前比較有代表性的數(shù)據(jù)庫包括美國的PHMSA、歐洲的EGIG和英國的UKOPA等。本文以陸上的天然氣長輸管道為研究對象，首先介紹了兩個(gè)數(shù)據(jù)庫的基本信息，其次說明了兩個(gè)數(shù)據(jù)庫所采用的失效率計(jì)算模型，最后進(jìn)行對比分析和總結(jié)。

1 數(shù)據(jù)來源

美國的管道失效數(shù)據(jù)庫由管道和有害介質(zhì)安全管理部(the pipeline and hazardous materials safety administration，PHMSA)管理，目前，PHMSA收集的管道類型包括海上和陸上有害液體管道、集輸氣管道和長輸管道、城市燃?xì)夤艿馈⑦B接氣體輸送與燃?xì)夤艿赖囊夯烊粴夤艿酪约暗叵绿烊粴獯鎯υO(shè)施。歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)組(european gas pipeline incident data group, EGIG)成立于 1982 年，它是歐洲天然氣管道和事故數(shù)據(jù)的重要信息來源。目前，EGIG收集了歐洲十幾個(gè)國家自1970年以來有關(guān)天然氣輸送管道的里程數(shù)據(jù)和事故數(shù)據(jù)。

2 失效率計(jì)算模型

管道完整性對管道失效的定義是指管道發(fā)生不能按設(shè)計(jì)完成傳輸任務(wù)的事件。管道失效率的計(jì)算通常有兩個(gè)方法，而PHMSA與EGIG數(shù)據(jù)庫正好分別采用了這兩種計(jì)算模型。它們的主要區(qū)別在于公式的分母上所代表的含義不同，但都是通過統(tǒng)計(jì)年限內(nèi)事故發(fā)生的次數(shù)來衡量的。表1是對兩個(gè)計(jì)算模型中會使用到的一些參數(shù)的解釋。

表1 計(jì)算模型參數(shù)含義

美國PHMSA數(shù)據(jù)庫采用的方法得到的是每年具體的管道失效率，計(jì)算步驟如下：

第1步：計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)管道總失效數(shù)α；

第2步：選取統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的管道總里程L；

第3步：用統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)發(fā)生的總失效數(shù)比上管道的總里程，即可得到管道失效率ηP。

歐洲EGIG采用的方法是目前國際上通用的曝露值方法，這種方法得到的是平均失效率。它將失效率分為整體平均失效率和分類平均失效率，具體計(jì)算步驟如下：

(1)整體平均失效率ηE

第1步：計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)管道總失效數(shù)α；

第2步：計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)的曝露值β，它的含義是管道里程乘上管道的持續(xù)暴露時(shí)間。其計(jì)算公式如下：

第3步：用統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)發(fā)生的失效數(shù)α比上曝露值β，即可得到整體平均失效率ηE，單位：次/公里·年。

(2)分類平均失效率u

第1步：計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)由某一種失效原因?qū)е碌墓艿朗?shù)量γ；

第2步：選取統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)的曝露值β；

第3步：用統(tǒng)計(jì)時(shí)間n內(nèi)發(fā)生的失效數(shù)γ比上統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的曝露值β，即可得到分類平均失效率μ，單位：次/公里·年。

由上可知，PHMSA的計(jì)算方法較EGIG更為簡單，但EGIG考慮到不同建造年代的管道服役時(shí)長不同，管道的失效率自然不同，比直接用管道里程計(jì)算更科學(xué)。此外，EGIG的分類平均失效率還可以針對某一管道屬性的曝露值去分析管道失效原因，這也是其他計(jì)算方法所不具備的。

3 天然氣長輸管道失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、失效率計(jì)算及分析

3.1 PHMSA數(shù)據(jù)庫天然氣長輸管道

基于PHMSA的失效率計(jì)算模型，本文計(jì)算了PHMSA不同事故類型造成的管道失效率。圖1展示了四種類型的事故發(fā)生率。15年間，可事先檢測的泄漏造成的管道平均失效率約為0.060次/千公里·年，不可事先檢測的泄漏造成的管道平均失效率約為0.223次/千公里·年，重大事故率約為0.123次/千公里·年，嚴(yán)重事故率約為0.008次/千公里·年?？梢杂^察到不可事先檢測的泄漏率遠(yuǎn)高于可事先檢測，這說明目前多數(shù)的泄漏都還不能被預(yù)防。

圖1 PHMSA不同事故類型的失效率

3.2 EGIG數(shù)據(jù)庫天然氣長輸管道

EGIG數(shù)據(jù)庫將管道失效的類型分成系統(tǒng)整體平均失效率和分類平均失效率，這是它與其他數(shù)據(jù)庫最大的不同所在。下面將分別給出兩種失效率的含義及相應(yīng)的失效率值。

3.2.1 管道整體平均失效率

管道整體平均失效率是在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)用事故數(shù)量除以相應(yīng)的總曝露值的結(jié)果。圖2顯示出2007—2016年間整體平均失效率在穩(wěn)定下降，從0.367次/千公里·年降至0.31次/千公里·年。5年移動(dòng)平均失效率不是很穩(wěn)定，主要是因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)時(shí)間取得比較短，但總體也呈下降趨勢，并且遠(yuǎn)低于整體平均失效率。

圖2 EGIG系統(tǒng)整體平均失效率

3.2.2 分類平均失效率

本文根據(jù)第2部分提出的分類失效率計(jì)算公式，針對6種失效原因計(jì)算了EGIG數(shù)據(jù)庫中每類原因的平均失效率。

(1)外力干涉與管道直徑、埋深、壁厚。通過計(jì)算可知，大直徑管道的失效率較低，說明其抗外部干擾的能力更強(qiáng)；埋深較大的管道失效率較低；壁厚較大的管道失效率較低，當(dāng)壁厚大于15 mm時(shí)，沒有發(fā)生過由外力干涉引起的事故。

(2)腐蝕與建造年代、涂層類型、壁厚。通過計(jì)算可知，管道失效率隨著管道建造年代的增加而降低；涂有聚乙烯涂層的管道比涂有其他類型涂層的管道失效率低得多；因腐蝕引起的管道失效率也隨著壁厚的增加而降低。

(3)施工缺陷/材料失效與建造年代、材料等級。通過計(jì)算得到了“施工缺陷”和“材料失效”的失效率數(shù)據(jù)?？芍?，管道失效率通常隨著建造年代的增加而降低。

(4)操作失效導(dǎo)致的熱沖擊與管道直徑。操作失效導(dǎo)致的熱沖擊是指有另一條管道錯(cuò)誤地連接到天然氣長輸管道上，而發(fā)生爆炸火災(zāi)類的熱沖擊事故。操作失效造成的管道失效率隨著管道直徑的增加而降低。

(5)地質(zhì)移動(dòng)與管道直徑。在2007—2016年的10年里，地質(zhì)移動(dòng)造成了大約15%的事故，且主要影響的是管徑尺寸偏小的管道，這也說明了管道直徑越小就越容易受到地質(zhì)移動(dòng)的影響。

(6)其他和未知?！捌渌臀粗敝饕侵赣勺匀煌饬p害造成的管道失效，所以并沒有考慮管道自身的屬性。1970—2016年間，EGIG共記錄了29起因閃電引起的事故，管道失效率約為0.006 6次/千公里·年。

4 管理建議

通過上述對兩個(gè)輸氣管道失效數(shù)據(jù)庫的對比分析，提出建議如下[5]：

(1)規(guī)范事故匯報(bào)格式、明晰收集數(shù)據(jù)內(nèi)容。PHMSA會在其網(wǎng)站上公布管道失效的原始采集數(shù)據(jù)，EGIG也有公開管道事故的調(diào)查報(bào)告，便于研究人員做相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析和學(xué)術(shù)研究。因此我國需要建立相應(yīng)的管道事故數(shù)據(jù)組進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，明晰數(shù)據(jù)內(nèi)容及范圍。

(2)借鑒EGIG管道失效率的計(jì)算模型。EGIG將失效率分為整體平均失效率和分類平均失效率。前者與PHMSA的方法一樣適合觀察多年宏觀的變化趨勢，后者可以分析由某一失效原因引起的管道失效率，因此更為全面。

(3)劃分管道屬性，結(jié)合失效原因分析失效率。管道失效原因與管道的某些屬性息息相關(guān)，因此需要根據(jù)我國管道建設(shè)的設(shè)計(jì)參數(shù)，參考EGIG對于管道屬性的劃分種類，確定我國管道相應(yīng)的屬性并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。用管道屬性結(jié)合失效原因的方法去分析管道失效率，有助于找到具有針對性的解決措施。

5 結(jié)語

通過對美歐兩大管道失效數(shù)據(jù)庫PHMSA和EGIG的數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)，給出了美歐天然氣長輸管道失效率計(jì)算方法，并對不同事故類型失效率、整體平均失效率、分類失效率進(jìn)行了計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)，EGIG將失效率分為整體平均失效率和分類平均失效率，前者與PHMSA的方法一樣適合觀察多年宏觀的變化趨勢，后者可以分析由某一失效原因引起的管道失效率。EGIG還考慮到管道服役時(shí)長，引入了曝露值的概念，總體來說其失效率模型考慮更全面。國內(nèi)在計(jì)算管道失效率時(shí)可以借鑒EGIG的方法，其提出的5年移動(dòng)平均失效率也適合觀察近些年的管道失效趨勢和進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)評估。