神渭輸煤管道運行風險預評價

張英楠

(陜西神渭煤炭管道運輸有限責任公司，陜西 西安 710001)

0 引言

神渭輸煤管道是中國第一條自主研發的輸煤管道，也是世界上規模最大，最長的輸煤管道工程。此管道輸煤工程對國內煤炭運輸技術來說是一個巨大的挑戰，也是一個具有戰略意義的巨大創新實踐。管道的安全性和可靠性是管道運輸企業的關鍵需求。長輸管道的風險大多是可控的，可以通過優化工藝流程、嚴格管理程序、提高人員素質來防控。而不可抗力可以通過科學的分析研究最大化的進行規避和預防。

長輸管道的風險分析，由于輸送介質、路由條件、技術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，國內對于其運行風險和安全管理的研究尚處于起步階段，相關資料較少。針對神渭管道輸煤工程，結合工程實際情況，分析影響神渭輸煤管道安全生產運行的危險有害因素，選擇采用因果圖分析法、事故樹分析法進行預評價，得出預評價結論，為企業提升經濟效益和安全生產管理水平提供依據。

1 長輸管道常見運行風險因素

1.1 管道故障及失效

管道故障是指輸煤管道運行中因穿孔、破損、介質分層和沉積引起的管道堵塞。自控系統的誤操作、通訊系統的中斷及設備發生機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，管輸介質泄漏造成災害，管道發生全斷面堵塞，自控系統癱瘓，泵輸工藝設備損壞報廢等嚴重事件都稱之為失效[1]。

1.2 管齡差異導致的風險

通過分析國內外長輸管道的運行經驗，管道風險通常隨著管齡的增長而變化，其根據時間可分為3個階段。

初生期(5年以內)：這一時期一般處于管道的投產試運行階段，管道發生故障及失效的風險較大，其因素主要有設計缺陷及施工質量問題，人員業務技能不高、運行經驗不足造成的誤操作，新設備磨合的機械故障等，但隨著運行經驗的增加及不斷的技改，其風險會逐漸降低。

成熟期(5～20年)：此為管道運行的“黃金時期”，人員素質、設備狀態等各方面趨于穩定，管道風險較低，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，管道風險逐漸增大，最終達到其使用壽命。主要因素是第三方破壞、腐蝕等。

神渭輸煤管道設計使用年限30年，計劃于2019年投產試運行，正處于管道初生期。

1.3 基于管道事故數據庫的危險因素

國外著名的相關管理研究機構，如美國管道和危險材料安全局(Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration，PHMSA)、歐洲輸氣管道事故數據組織(European Gas Pipeline Incident Data Group，EGIG)、英國陸地管道經營者協會(United Kingdom On shore Pipeline Operator’s Association，UKOPA)、加拿大國家能源局(National Energy Board，NEB)等均對管道事故進行了大量的數據統計及分析研究。

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，導致管道發生事故的原因有腐蝕、第三方破壞、材料失效、誤操作、自然災害、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計算了管道發生事故的概率及嚴重結果，在此基礎上為管道的設計、施工和運行維護給出了科學的指導意見，在數據庫中管道事故的計算過程中，運用可靠性理論，推導了管道失效的機率[4]。UKOPA分析了管道事故發生的原因，具體為第三方破壞、腐蝕、材料缺陷、自然災害和誤操作等，如圖2所示。

圖2 UKOPA管道事故原因統計圖

中石油管道局自2007年起也開始對其所屬管道的失效相關數據的采集和分析研究，在深入調研了國外成熟的管道事故數據庫的基礎上，結合自身實際情況，于2009年建立了石油和天然氣管道失效的數據庫。通過對數據資料的統計分析，我國管道事故率比發達國家高出許多，安全隱患突出[5-6]。

通過對以上國內外管道事故數據庫的研究分析，結合神渭輸煤管道的實際情況，概括導致神渭輸煤管道失效的危險因素主要有以下幾點。

內部因素：指管道自身的，可通過技術措施和管理手段進行改善的因素。主要有以下幾點。①設計缺陷—由于前期工程勘察、工藝方案、設備選型未考慮全面，導致在管道運行中存在一些潛在的缺陷;②施工質量—在管道下溝、焊接、補口、回填及通球試壓等各環節中，由于施工組織或施工工藝不當，造成管道或設備損傷，未達到設計標準而導致性能降級；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、內部腐蝕和應力腐蝕，土壤、陰極保護失靈和絕緣層損傷會引起管道的外部腐蝕。輸送介質的腐蝕將導致內部腐蝕，應力腐蝕則是由于施工和安裝過程中的不合理導致的；⑤誤操作；⑥第三方破壞—包括人為因素和自然災害破壞。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、泥石流等地質災害，都可能導致管道失效；⑦設備性能—包括主泵及供輔設施，其產品性能直接影響著工藝系統設置及運行安全；⑧通訊故障；⑨煤漿質量—漿體粒徑過大漿體分層、造成堵管和加速磨損管道。漿體粒徑過細粘度增加、屈服應力加大、沿程阻力加大，必然增加主泵負荷、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。①管道沿線的自然條件(如土壤的腐蝕率)和社會條件(如治安環境)；②供電風險—保持不間斷供電是保證管道安全的必要條件，泵站長時間停電，特別是短時間內多次停電對設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，一旦受災導致雙回路停電，容易導致嚴重事故；③供水風險—管道的供水是漿體管道輸送的充要條件，任何時候各個泵站都必須保證有足夠的水把本站到下級泵站的管道內的漿體全部推完，以備發生緊急情況時的故障處理使用。中間泵站一旦水源出現問題，檢修或事故時沒有足量的水來沖洗管道，容易產生或擴大事故。

2 神渭輸煤管道運行風險預評價

2.1 因果圖法分析

將輸煤管道失效作為研究目標，通過前文中基于管道事故數據庫的危險因素辨識，分析所得的輸煤管道事故主要原因，構建出因果圖的主要枝干，針對其潛在因素進行分析，構造出因果圖的中枝，并根據需要繼續分析找出小枝和細枝，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，進一步分析了輸煤管道失效的子因素構成，結合國內外管道失效數據庫的統計分析和神渭輸煤管道的運行特點，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

輸煤管道在運行過程中，受到相關因素等影響，導致部分管段發生失效，這直接影響著管道的安全運行和管道的使用壽命。通過對輸煤管道系統進行可靠性分析，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行中采取相應的措施，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的事件見表1。

最小割集計算：最小割集計算見式(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)

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

結構重要度分析：事件X1～X5、X14～X20、X29～X36是單事件最小割集，結構重要度最大；在4事件最小割集中，事件X6出現了27次，事件X10出現了21次，事件X11、X12、X13各出現了7次，事件X21、X22各出現了6次，事件X7、X8、X9、X37、X38、X39、X40各出現了3次，事件X23、X24、X25、X26、X27、X28各出現了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算，發現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個方面。

表2 割集事件對照表

3 結論

(1)神渭輸煤管道在設計、施工和驗收中，遵守國家相關法律法規、行業相關標準規范的條件下，加強安全管理，提高防范意識，可使本項目存在的安全風險降至可接受的程度，能夠實現安全生產運行。

(2)管輸企業應當貫徹實行安全運營。在項目建設過程中，對設計、采購、施工、監理、驗收等全過程嚴格監管，認真把關，從源頭上保證工程質量。在將來投產運行后，加強管道沿線管理，嚴格執行各項規章制度，建立考核機制，加強教育培訓，做好應急預案及演練，確保消防設施、安全部件、報警系統及控制系統的可靠運行，防止各類事故的發生。只有在安全生產的各個環節上建立切實有效的機制和手段并堅決貫徹執行，才能達到評價的最終安全水平。

(3)神渭輸煤管道作為世界最長、亞洲第一條輸煤管道，預先識別出影響其安全運行的因素，對于神渭輸煤管道投產后的安全運行具有重大意義，不但可以從管道運營安全性方面促進企業科學管理和安全標準化建設，還從經濟性方面為各級決策提供依據，減少事故損失，節約維修維護費用，帶來實在的經濟效益。