PHMSA和EGIG的天然氣管道失效率對比研究

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.中國石油規劃總院，北京 100083；3.中國石油工程建設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雜，管道事故后果更為嚴重。油氣管道發展向著更大口徑、更高鋼級、更高壓力的方向邁進。在這種背景下，管道完整性管理工作變得尤為重要[1-3]。國外管道的失效數據主要來源于失效數據庫，世界上多數油氣儲運業發達國家均建立了管道失效或事故數據庫，用于指導本國油氣管道的設計、建設和風險管理[4]。目前比較有代表性的數據庫包括美國的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，首先介紹了兩個數據庫的基本信息，其次說明了兩個數據庫所采用的失效率計算模型，最后進行對比分析和總結。

1 數據來源

美國的管道失效數據庫由管道和有害介質安全管理部(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、城市燃氣管道、連接氣體輸送與燃氣管道的液化天然氣管道以及地下天然氣存儲設施。歐洲天然氣管道事故數據組(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據的重要信息來源。目前，EGIG收集了歐洲十幾個國家自1970年以來有關天然氣輸送管道的里程數據和事故數據。

2 失效率計算模型

管道完整性對管道失效的定義是指管道發生不能按設計完成傳輸任務的事件。管道失效率的計算通常有兩個方法，而PHMSA與EGIG數據庫正好分別采用了這兩種計算模型。它們的主要區別在于公式的分母上所代表的含義不同，但都是通過統計年限內事故發生的次數來衡量的。表1是對兩個計算模型中會使用到的一些參數的解釋。

表1 計算模型參數含義

美國PHMSA數據庫采用的方法得到的是每年具體的管道失效率，計算步驟如下：

第1步：計算統計時間內管道總失效數α；

第2步：選取統計時間內的管道總里程L；

第3步：用統計時間內發生的總失效數比上管道的總里程，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，具體計算步驟如下：

(1)整體平均失效率ηE

第1步：計算統計時間n內管道總失效數α；

第2步：計算統計時間n內的曝露值β，它的含義是管道里程乘上管道的持續暴露時間。其計算公式如下：

第3步：用統計時間n內發生的失效數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：計算統計時間n內由某一種失效原因導致的管道失效數量γ；

第2步：選取統計時間n內的曝露值β；

第3步：用統計時間n內發生的失效數γ比上統計時間內的曝露值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長不同，管道的失效率自然不同，比直接用管道里程計算更科學。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，這也是其他計算方法所不具備的。

3 天然氣長輸管道失效數據統計、失效率計算及分析

3.1 PHMSA數據庫天然氣長輸管道

基于PHMSA的失效率計算模型，本文計算了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，嚴重事故率約為0.008次/千公里·年。可以觀察到不可事先檢測的泄漏率遠高于可事先檢測，這說明目前多數的泄漏都還不能被預防。

圖1 PHMSA不同事故類型的失效率

3.2 EGIG數據庫天然氣長輸管道

EGIG數據庫將管道失效的類型分成系統整體平均失效率和分類平均失效率，這是它與其他數據庫最大的不同所在。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計時間內用事故數量除以相應的總曝露值的結果。圖2顯示出2007—2016年間整體平均失效率在穩定下降，從0.367次/千公里·年降至0.31次/千公里·年。5年移動平均失效率不是很穩定，主要是因為統計時間取得比較短，但總體也呈下降趨勢，并且遠低于整體平均失效率。

圖2 EGIG系統整體平均失效率

3.2.2 分類平均失效率

本文根據第2部分提出的分類失效率計算公式，針對6種失效原因計算了EGIG數據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；埋深較大的管道失效率較低；壁厚較大的管道失效率較低，當壁厚大于15 mm時，沒有發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。通過計算得到了“施工缺陷”和“材料失效”的失效率數據。可知，管道失效率通常隨著建造年代的增加而降低。

(4)操作失效導致的熱沖擊與管道直徑。操作失效導致的熱沖擊是指有另一條管道錯誤地連接到天然氣長輸管道上，而發生爆炸火災類的熱沖擊事故。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)地質移動與管道直徑。在2007—2016年的10年里，地質移動造成了大約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移動的影響。

(6)其他和未知。“其他和未知”主要是指由自然外力損害造成的管道失效，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

通過上述對兩個輸氣管道失效數據庫的對比分析，提出建議如下[5]：

(1)規范事故匯報格式、明晰收集數據內容。PHMSA會在其網站上公布管道失效的原始采集數據，EGIG也有公開管道事故的調查報告，便于研究人員做相應的統計分析和學術研究。因此我國需要建立相應的管道事故數據組進行數據收集，明晰數據內容及范圍。

(2)借鑒EGIG管道失效率的計算模型。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，因此需要根據我國管道建設的設計參數，參考EGIG對于管道屬性的劃分種類，確定我國管道相應的屬性并進行相應的數據采集。用管道屬性結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 結語

通過對美歐兩大管道失效數據庫PHMSA和EGIG的數據收集和統計，給出了美歐天然氣長輸管道失效率計算方法，并對不同事故類型失效率、整體平均失效率、分類失效率進行了計算。研究發現，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。國內在計算管道失效率時可以借鑒EGIG的方法，其提出的5年移動平均失效率也適合觀察近些年的管道失效趨勢和進一步的風險評估。