基于故障樹的天然氣長輸管道安全風險分析

林媛媛（中國石化天然氣分公司）

基于故障樹的天然氣長輸管道安全風險分析

林媛媛（中國石化天然氣分公司）

隨著天然氣長輸管道的大量敷設和長期運行，其在運行過程中由于施工缺陷、管道腐蝕、第三方破壞等因素導致管道失效事故的風險顯著增大，如何確保其運行安全已成為研究重點。故障樹分析法是分析復雜系統安全性和可靠性的一種有效方法。以此方法為基礎，從天然氣長輸管道設計及施工、管道保護、運行及人員管理等3個方面，對可能影響其安全運行的風險進行了分析，建立了相應的故障樹分析圖，就如何提高管道運行的安全性和穩定性給出相關預防措施及建議。

管道；失效；缺陷；腐蝕；故障樹分析

引言

近年來，國內天然氣長輸管道發展迅速，西氣東輸、川氣東送等一大批長距離、大口徑、高壓力的天然氣長輸管道陸續建成投產，截至2014年底國內天然氣長輸管道總長度已達8.5萬公里，這些天然氣長輸管道的建成在帶動管道沿線地區的經濟發展、促進節能減排等方面做出了較大貢獻。同時隨著天然氣長輸管道大量敷設和長期運行，其在運行過程中由于設計及施工缺陷、管道腐蝕、第三方施工等因素導致管道出現失效事故風險顯著增大，且所造成的綜合經濟損失難以預料。特別是黃島“11.22”輸油管道爆炸等事故后，如何防范管道失效事故、提高其安全性和可靠性已成為關注重點。

1 工程設計、施工管理

1.1 工程設計

隨著天然氣長輸管道的大量建設，各設計院在工藝設計方面已十分成熟，設備選型錯誤、管道材質及口徑等與需求不匹配等工藝設計缺陷出現概率已相對較小，出現問題或缺陷較多的一般是在管道路由選擇、埋設方式、場站閥室位置選擇等方面，而這也是與天然氣長輸管道線路長、覆蓋區域廣、涉及地形地貌復雜等特點相對應的，如設計院前期線路踏勘不全面、與地方規劃對接不到位或參照地圖陳舊等，極有可能導致管道埋深不足、路由處于規劃區內、閥室場站處于泄洪區內等嚴重影響安全的缺陷，而這些缺陷將伴隨管道整個生命周期或只能通過管道、設備切改來整改。同時如設計代表未及時跟進工程施工，對現場情況掌握不到位、部分設計變更核實不細致或無法根據施工情況對設計進行及時調整等，均有可能為后續運行埋下隱患（圖1）。

1.2 工程施工

工程施工質量是關系到天然氣長輸管道能否安全順利投產和長期穩定運行的基礎和關鍵。由于管道于施工過程涉及水網、山地、黃土塬等多種地形，且施工呈現點多、分散、覆蓋面廣及施工環境、社會依托性差的特點，施工難度、監管難度均較大。一般來說可能出現的主要缺陷有：

1）管材初始缺陷。其主要是由于管材制造加工、運輸不當受傷造成的，如管壁存在夾層、劃痕、薄厚不均或防腐層損壞、管材橢圓度差等。

2）管道焊接缺陷。焊接過程未嚴格遵守工藝規程，則焊口可能出現氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、未焊透、裂紋、燒穿等缺陷。

3）管道埋深不達標、水保措施未落實。管溝開挖深度、管道上方覆土厚度不夠及水土流失風險大區域水保措施不落實、水工保護施工質量差等是管道施工通病。

4）管道清管、干燥不徹底。管道內存在雜物、積水較多等對管道運行安全的影響往往在投產初期即可顯現，最典型的即管道內積水過多、冬季氣溫較低時極易出現管道的冰堵。

圖1 天然氣長輸管道設計、施工及管材缺陷故障樹

針對以上情況并結合工程建設項目實際情況，在施工過程中除要遵守國家、行業相關標準規范和符合設計要求外，還應重點注意以下項目。

1）防腐管材質量驗收。管材供應商及物流單位、物流單位與施工單位之間要嚴格管材的交接驗收，主要包括防腐層完好性、管端無防腐層管段完好性及出廠檢驗合格證等，杜絕存在缺陷管材流入施工現場。

PH-TW土壤溫度傳感器輸出信號0～5V。SWR-2型傳感器測量土壤容積含水量，輸出信號0～2.5V，經ADC0832進行模數轉換，單片機讀取A/D轉換值。

2）管道焊接施工管理。應結合管材情況優選出適用的焊接材料，制定嚴格的焊接工藝規程，監理、施工單位應強化焊接過程監管，做好焊接記錄的填寫及保存，確保其可追溯性。

3）低溫、大風、潮濕等特殊環境下的施工管理。落實大風下設置防風棚、低溫時采取保溫措施、杜絕雨天防腐施工等特殊環境下施工措施，防止出現管道焊接、防腐缺陷。

4）落實水土保持、防洪等評價的相關要求。對地質災害多發地段的護坡等工程的施工應嚴格監管，按照設計要求施工并確保施工質量；穿越蓄滯洪區及水土流失嚴重區域時，應嚴格管溝開挖、回填的監管。

5）加強對工程監理、駐廠監造及第三方檢測單位的監管，特別是要做好對其人員變更的控制、履職能力檢查，確保其管理人員資質符合標準、能力滿足要求、現場履職到位，以實現對施工過程的有效管控。

2 管道保護

2.1 管道腐蝕

管道腐蝕風險將隨著天然氣長輸管道長期運行而逐步增加，嚴重腐蝕將導致防腐絕緣層失效、管壁減薄、管道穿孔、甚至發生開裂，其形式主要包括天然氣長輸管道外腐蝕、內腐蝕、應力腐蝕等三類（圖2）。

針對管道腐蝕風險，除強化管道陰極保護系統維護、保養，提高其運行效率，確保其對管道的有效防護外，還應重點做好：

1）控制進入管道系統的天然氣氣質狀況，不符合GB 17820、GB 50251、SYT 5922等國家及行業標準規定的氣質要求，不得進入管道輸送。

3）加強長輸管道內檢測、外檢測工作。對長輸管道定期檢測是管道可靠性定量測試和評價的基礎，特別是對管道的內檢測，可利用智能清管器在不影響管道運行的情況下，在線檢測出管道內外腐蝕、局部變形以及焊縫裂紋等缺陷，從而及時發現事故隱患并采取修復補強等整改措施[3]。

2.2 第三方破壞

天然氣長輸管道第三方破壞具有隨機性強、不易預測和控制的特點，主要風險來自打孔盜氣、管道上方及周邊占壓及施工、農耕破壞等3項（圖3）。根據近年來的典型事故案例，管道上方及周邊占壓、施工已成為威脅管道安全運行的最大風險，天然氣長輸管道建設時一般選擇相對偏遠、人口較少或農田、林地等地區，但隨著近年來的地方經濟發展，特別是各地工業區、開發區設立等，天然氣長輸管道沿線可能出現工廠林立、人員眾多、施工頻繁的情況，部分區域甚至出現違規管道占壓等情況，使其成為管道高后果區，且這些區域的施工多為自動、重型機械易對管道造成損害[4-5]。

防范第三方破壞最重要的措施是加強對對管道沿線的巡檢，實施對第三方施工的全過程監護，確保對管道沿線風險源的實時監控，同時還應重點做好：

1）管道埋深直接影響到管道的安全運行，在管道運營后應定期開展管道埋深檢測，并對埋深不滿足區域及時進行修復，并分析原因、予以重點關注，以切實降低管道失效的概率。

2）在管道周邊組織開展經常性的管道保護宣傳教育活動，宣傳天然氣長輸管道保護的重要性及相關法律法規，提高保護管道設施安全的法律意識和自覺性，并建立與沿線政府的聯動機制，形成共同支持、保護管道安全運行良好局面。

2.3 自然災害

天然氣長輸管道線路長、穿越地域廣，沿線地形復雜，可能途經高原、山區、水網及丘陵等復雜地形，部分管段周邊地質條件可能較差，暴雨、洪水、泥石流、滑坡、崩塌等地質災害頻發，對管道的安全、平穩運行造成極大威脅（圖4）。

防范措施及建議：

1）設計源頭控制風險。由于自然災害具有地域性，如在管道設計階段應做好現場踏勘、資料收集，并根據自然災害危險性區劃，采取針對性的防范措施，如強化水保設施，增加管道埋深或采取配重壓袋等穩管措施，增加管道運行安全性。

2）運行過程管控。運行中應組織遴選出自然災害危險區域，進行針對性的重點巡護，特別是沿線穿跨越、懸索、桁架等關鍵部位，應進行全面、細致的風險分析，制定專項應急處置方案，確保突發事件時的快速響應、準確處置[6]。

3 運行及人員管理

在天然氣長輸管道投產后，對其的生產運行管理以及操作人員管理將成為影響管道安全、平穩運行的重要因素之一：

針對運行管理及人員管理中的風險，相應的防范措施及建議：

1）建立天然氣長輸管道的多氣源供氣格局，為提高天然氣長輸管道應對突發情況的能力，保障管道的平穩運行，應立天然氣長輸管道的互聯互通，同時應建立天然氣儲氣庫系統，從而提高管道供氣能力。

2）建立完善的應急管理體系。組織對管道沿線風險進行分析，制定針對性、可操作性的應急處置方案，做好沿線維搶修、消防、醫療等依托力量的調研及聯絡，綜合考慮各用戶的運營特點、供氣來源、影響范圍等特點，制定特殊情況下的供氣關停壓減方案，定期開展專項應急演練，確保突發情況的正確應對、有效處置[7]。

3）加強員工的操作技能培訓。做到定期培訓、嚴格考核，以達到規范操作、統一標準的目的，同時培訓內容除日常操作外還應重點開展突發情況下的緊急操作培訓，防止緊急情況下的誤操作出現。

圖3 天然氣長輸管道第三方破壞故障樹

圖4 天然氣長輸管道自然災害破壞故障樹

4 結論

在管道運行初期、中期及老化期3個階段中，各種風險出現的概率是不一樣的，如在管道運行初期（可認為是管道投產后的3～5年），設計、施工及管材本身缺陷導致管道出現泄漏等失效事故的概率較大；在管道運行中期，影響管道安全運營的最大風險則可能是第三方破壞及自然災害；在老化期，則應加強對管道施工過程腐蝕情況的監控，防止因腐蝕導致管道出現穿孔、破裂等事故。

[1]YoungDo Jo，Daniel A.Crowl.Individual risk analysis of highpressure natural gas pipelines[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2008，21（6）：589-595.

[2]古建飛，田建軍，鄭斌，等.基于事故樹分析的長輸油氣管道腐蝕失效原因[J].安全，2014，35（11）：19-21.

[3]A.J.Brito，A.T.de Almeida.Multi-attribute risk assessment for risk ranking of natural gas pipelines[J].Reliability Engineering and System Safety，2009，94（2）：187-198.

[4]張鎮，李著信，石進.長輸油氣管道第三方破壞故障樹分析[J].油氣儲運，2008，27（6）：37-40.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.05.017

2016-11-31

（編輯 杜麗華）

林媛媛，工程師，2008年7月畢業于中國石油大學（華東）（油氣儲運專業），從事天然氣長輸管道運營管理工作，E-mail：jhlyy_trq@126.com，地址：北京市朝陽區惠新東街甲6號，100011。