基于屏障的海底管道第三方破壞風險評價方法研究

李曉秋，劉懷增，何 睿

(中海油安全技術服務有限公司，天津 300456)

我國的海洋石油資源豐富，南海的石油儲量約在230億～300 億t。海底管道是油氣資源主要的輸送方式，隨著我國海洋油氣的開發的高速發展，海底管道的敷設與運行也進入快速發展時期。自1954年美國在墨西哥灣鋪設第一條海底管線以來，墨西哥灣已經建成的海底管道長約 37000 km，歐洲北海已經建成的國際輸氣管網超過 10000 km，我國建成的海底管道也已超過 6000 km。海底管道在服役期內，內部受腐蝕性介質、內壓影響，外部受海洋環境、自然地質條件的影響，第三方隨機載荷的作用等，隨著服役時間的增加，這些因素不可避免的造成海底管道不同形式的損傷。一旦發生海底管道安全事故，將造成大量的經濟損失、不良的社會影響。因此開展海底管道第三方破壞風險分析，提出行之有效的海底管道第三方破壞防控方法，確保我國海底管道的安全運行，提高海底管道管理水平。

1 海底管道事故分析與影響因素

1.1 國內外海底管道事故統計分析

歐洲輸氣管道事故數據組織(EGIG)統計了1970年以來的海底管道事故，主要的失效因素包括外力破壞(拋錨、拖網等)、腐蝕、材質與施工、海床運動等。其中腐蝕占比27%，外力破壞占比27%，材質與施工缺陷占比13%，海床運動占比16%。美國運輸部(DOT)統計了1984年以來的海底管道與陸地管道事故，主要的失效因素包括外力、腐蝕、操作失誤、管道缺陷、焊縫腐蝕、設備失效等。其中腐蝕占比28%，外力破壞占比30%，其他占比26%，操作失誤占比6%，管道缺陷占比5%。英國健康與安全部(HSE)對英國北海海底管道事故進行了統計分析[1-3]，主要的失效因素包括：管道施工、懸跨、腐蝕、拋錨等。其中第三方破壞占比30%(拋錨占12%，漁業活動占2%)，腐蝕占24%，施工占28%。

中海油自1986年至2016年共鋪設了315條海底管道[4]。據統計，在運行期間內，30年間共發生了51起事故。分析51起事故的原因，主要原因包括第三方破壞、腐蝕、施工質量、自然與地質災害。其中，腐蝕占37%，第三方破壞占33%，自然與地質災害占16%，施工質量占14%。

1.2 海底管道第三方破壞主要影響因素

由國內外海底管道事故數據看出，引發海底管道第三方破壞的主要影響因素包括：海洋環境與自然災害、漁業活動、航道作業、施工作業、管道質量、人為因素與管理，如圖1所示。

圖1 海底管道第三方破壞主要影響因素

2 海底管道第三方破壞的安全屏障模型

2.1 Bow-Tie模型

Bow-Tie模型即蝴蝶結模型，是由澳大利亞昆士蘭大學提出的，是事件樹與事故樹的結合，主要包括危險源、預防性安全屏障、頂上事件、保護性安全屏障、事故后果[5-6]。該模型與傳統的風險識別方法相比，能夠直觀、全面的識別風險。作為主動式和預測式結合的風險識別方式，直觀演繹事故發生的原因，在事故結果上可以進一步分析。圖2為Bow-Tie 模型。

圖2 Bow-Tie 模型

2.2 海底管道第三方破壞Bow-Tie模型

海底管道第三方破壞的風險包括：海洋環境與自然災害、漁業活動、航道作業、施工作業、人為因素與管理。如果海底管道遭受第三方破壞，會造成不同程度的危害。如停產損失、管道本體損失、油氣泄漏導致的經濟損失外，還將造成海洋環境污染，嚴重的造成不良的社會影響。結合引起海底管道第三方破壞的風險因素與事故產生的后果，建立海底管道第三方破壞油氣泄漏的Bow-Tie 模型。海底管道第三方破壞Bow-Tie模型如圖3所示。

圖3 海底管道第三方破壞Bow-Tie模型

由海底管道第三方破壞Bow-Tie 模型的事故樹可看出，基本事件的風險為：X1風浪流沖刷；X2埋深不足；X3沉船；X4錨擊；X5船舶撞擊；X6漁網拖曳；X7墜落物撞擊；X8水上交通繁忙；X9違章操作；X10管材與施工質量缺陷。

3 海底管道預警技術

由海底管道第三方破壞的Bow-Tie 模型看出，一旦發生管道事故，將造成不同程度的后果。針對管道第三方破壞形式，國內外依靠對管道監測檢測技術，開展管道風險識別、早期預警，主要有以下幾種監測檢測預警技術：

1)光纖監測預警技術

光纖監測預警技術是對管道的過程參數和異常情況(如泄漏、自然破壞等)進行實時監測、定位和預警的一種早期診斷預警技術。它包括基于溫度、振動識別的海底管道分布式光纖傳感技術。

基于溫度的海底管道分布式光纖傳感技術的原理是：若管道發生泄漏，高壓液體或者氣體從破裂點處快速從管道內流到外面，泄漏處的環境溫度會發生變化，通過監測管道周圍溫度的異常變化可有效探測管道泄漏。若管道發生第三方破壞，用單根光纖作為傳感器的振動信號對管道的沿途進行檢測，這種方法在檢測管道是否發生泄漏的同時，可對沿途管道發生危害的事件進行預警。澳大利亞FFT公司采用光纖傳感技術專門為陸上油氣管道研制了光纖管道安全防御系統，實現一個實時性、可精確定位的防止第三方干擾的檢測系統。

2)聲波檢測預警技術

聲波在水下傳播衰減小，是唯一能在水下遠距離傳播的一種能量形式。聲納通過對目標物發射聲波，接收目標物反射回來的回波對水下物體進行探測、定位和識別的設備。目前，聲納基于多波束、側掃、合成孔徑等技術的特點，將幾種技術融合，開發針對不同對象的基于聲學檢測預警系統。

3)AIS監測預警技術

國際通用的船舶自動識別系統(Automatic Identification system,AIS)是依靠岸基的VHF岸臺和移動的船舶安裝無線應答器系統來工作的，結合定位衛星系統GPS、現代數據通信技術及現代計算機技術，通過登錄到系統,所有的船臺都會得到船舶的信息。船和岸、船和船、岸和船的信息傳遞己經實現了。

4)雷達與GPS探測預警技術

雷達是一種傳統的無線電導航探測設備。通過發射無線電波，并接收從目標物反射的回波，測定一個或多個目標物相對方位和距離，可在海圖上顯示目標物的圖像。由此可見，雷達對于船舶在近岸海區或窄航道上安全管理發揮重要作用，特別是在海底管道第三方破壞的防護的重要性。但是，由于受到雷達電波傳播的視距所限、受海浪回波或雨雪等的干擾嚴重，且不能識別未露出海面的暗礁、沉船、淺灘等潛在物標。GPS導航儀可以同時跟蹤3顆或4顆衛星信號，GPS與海面雷達結合，可彌補雷達不能實現遠洋定位以及定位不連續、定位操作工作量大等缺點，可實現實時、連續、全球、高精度定位。為海面海管第三方防破壞識別預警提出可靠技術支撐。

5)海管內外檢測技術

依據海管內外檢測技術的特點，具有多樣性，開展海底管道損傷識別。海底管道外檢測技術主要依據巡檢船搭載側掃聲吶、淺地層剖面探測、視頻等設備，沿海底管道路由進行探測，通過數據處理，識別管道的懸跨情況、管道損傷與泄漏情況。管道內檢測技術主要是超聲、漏磁等無損檢測開展海底管道缺陷識別。由于受各種檢測設備的局限，無法實現在線監測；受檢測技術原理的限制，無法全面識別管道缺陷，對于老舊管線無法實現全面內檢測評估。

4 結語

隨著海洋油氣資源的持續開發，海底管道的需求日益增強，在這種情況下，如何建立保障海底管道安全，提高油氣輸送的效率，給油氣企業和監管部門提出了新的挑戰。研究海底管道風險評價技術，充分利用現有監測檢測技術，結合現代通信技術、云技術等，建立海底管道第三方破壞動態風險識別屏障，早期預警屏障，加強海底管道風險識別、風險監測、風險預警的能力，將風險隱患消滅在萌芽階段，降低事故的發生，具有重要的工程實際意義。