城鎮燃氣管道完整性管理文獻計量研究

梁海濱, 陳 開, 雷光祥, 朱 林, 岑 康

(1.中石油昆侖燃氣有限公司 燃氣技術研究院,黑龍江 哈爾濱 150016;2.西南石油大學 土木工程與測繪學院,四川 成都 610500)

1 概述

城市對燃氣的需求不斷增長,促使世界各地的燃氣設施快速發展和高度復雜,管網建設和管理等方面的缺陷日益積累,導致燃氣管網安全事故頻發。由于燃氣管網主要集中于人口、建筑物和財富密集的城市,城市的管道天然氣運輸被稱為高風險過程工業之一[1],燃氣管道的輕微破裂可能造成災難性事件,導致重大的生命和財產損失。根據歐洲天然氣管道事故數據組(EGIG)的統計[2],從1970年到2019年,EGIG共報告了1 411起天然氣管道事故。據中國燃氣協會統計,僅2020年全國共計發生燃氣事故615起,造成傷亡652人[3]。因此,加強燃氣管道完整性研究和提高燃氣安全管理水平成為學界和業界的共識。

城鎮燃氣管道(簡稱燃氣管道)完整性管理日益受到國內外的高度重視,成為關注的焦點。通過對文獻分析發現,雖然已有較多完整性管理相關的文獻[4],但采用知識圖譜方法對現有文獻進行科學統計的研究非常少,也缺乏對燃氣管道完整性管理的系統總結和研究。因此,有必要對中英文相關文獻進行系統歸納總結,采用知識圖譜方法,梳理燃氣管道完整性管理的熱點、演化路徑和發展趨勢,為燃氣管道完整性管理研究的持續完善提供參考。

2 研究工具與數據來源

2.1 研究工具

為實現對科學文獻貢獻的有效研究,許多學者和組織開發了很多優秀的文獻計量分析軟件,如HistCite、CiteSpace、BibExcel、Proknow-C、VOSviewer等[5]。其中CiteSpace具有良好的數據管理、分析和可視化功能,對于中英文參考文獻數據支持比較好,得到了國內外學者的廣泛認可[6-7]。作為一款強大的文獻計量分析軟件,CiteSpace專注于檢測和可視化學術文獻中的引用關系、主題演化以及關鍵詞共現網絡。在城鎮燃氣管道完整性管理研究中,CiteSpace有助于研究人員識別關鍵的研究主題、探索學術趨勢和熱點,并通過可視化手段展示關鍵詞的時空演化趨勢。VOSviewer具有良好的可視化特性,對于文獻網絡分析支持性比較好,VOSviewer主要用于分析文獻的關鍵詞共現和共被引關系。在城鎮燃氣管道完整性管理研究中,VOSviewer能夠幫助研究人員進行文獻的關鍵詞共現分析,繪制關鍵詞地圖,呈現關鍵詞之間的關聯性和研究熱點。因此,本文將CiteSpace與VOSviewer結合,對中英文燃氣管道完整性管理相關文獻進行深入分析,從量化研究視角挖掘燃氣管道完整性管理研究中的熱點、發展脈絡,指出燃氣管道完整性管理研究的發展方向。

2.2 數據來源

本文選擇在中國知網、Web of Science數據庫中檢索與燃氣管道完整性管理研究相關的文獻。中國知網檢索關鍵詞為城鎮燃氣管道、完整性管理,時間跨度選擇2013-2023年。Web of Science選擇核心合集,檢索詞TS=(“Town gas pipeline”OR“Gas pipeline”AND“Integrity management”),時間跨度選擇2013-2023年。最終選取中國知網文獻94篇、Web of Science數據庫文獻279篇用于文獻計量分析,見圖1。由圖1可知,中文研究在2019年達到一個小高潮,而英文研究高潮在2017年。最近兩年相關論文發文量呈下降趨勢,可能與世界經濟形勢與疫情影響了相關科研活動資助存在一定關系。雖然近年論文數量相對偏少,但考慮當前燃氣事故頻發現狀,認為當前研究可能進入一個積累階段,需要對其現有研究進行梳理總結,以揭示發展方向。

圖1 選取文獻的數量隨年份的分布

3 研究熱點分析

3.1 國內研究熱點分析

關鍵詞聚類反映研究的熱點。當兩個或多個關鍵詞在同一篇文獻中出現時,它們被稱為共現關鍵詞。通過對關鍵詞共現次數的分析,可以揭示燃氣管道完整性管理研究中的熱點、特征和聯系。利用VOSviewer軟件可視化與燃氣管道完整性管理研究相關的中國知網關鍵詞共現網絡,見圖2。圖2中,實心圓為節點,每個節點代表一個特定的關鍵詞,這些關鍵詞通常與研究領域、主題或文獻的內容有關。當兩個或多個關鍵詞在同一篇文獻中共同出現時,它們之間就會有一條線相連,表明它們之間存在關系。節點之間的距離表示節點的接近程度,距離越短,表示它們之間的關聯程度越高。關聯程度高意味著兩個節點在文獻中經常一起出現。字號描述了關鍵詞的網絡熱度,字號越大表明該關鍵詞越熱門。圖2表明,圍繞城鎮燃氣管道完整性管理展開的研究,2014年之前主要涉及完整性檢測、外防腐層、風險評估、天然氣管道、體系框架等,2014年之后開始對燃氣管網、技術進展、分級管控、頂層架構、標準體系、管道檢測等開展研究,智慧燃氣成為燃氣管道研究的前沿。

圖2 中國知網關鍵詞共現網絡(軟件截圖)

文獻研究表明,燃氣管道受到各種綜合而復雜的風險和不確定性的影響,如第三方損壞、腐蝕、管道設備操作不正確、制造缺陷等[8]。燃氣管道一般需要經過人口密度較高的地區,設備檢查維護不到位、人員管理不到位、城市地質災害影響等因素均可能導致燃氣管道泄漏,進而引發次生事故(如中毒、窒息、火災和爆炸等),造成災難性后果。為避免風險不確定性,有必要對關鍵基礎設施實施風險分析,對此,學者們提出了一系列有關燃氣管道完整性管理的風險分析法,例如灰色理論+DEMATEL[9]、AHP+熵權法[10]、FTA-DBN[11]等。因此風險分析法成為研究熱點。

文獻[12]表明,管道運行的安全和穩定與城市燃氣管網的完整性管理直接相關,為保證城市燃氣管網安全有效運行,燃氣企業應結合城市燃氣管網的具體情況,對燃氣管道進行完整性管理。目前,燃氣管道完整性管理面臨的突出問題是信息化程度低、自控水平低[13]。趙永起等[14]認為城市天然氣管網的完整性管理必須建立在健全的標準規范基礎上,應采用現代的方法收集數據和信息,建立先進的信息管理系統,提高天然氣管網的完整性管理水平。馬彬等[15]認為,物聯網、大數據、云計算等先進技術和天然氣管網完整性管理集成,是實現天然氣管網網絡化、信息化、可視化和智能化的重要途徑。因此,智慧燃氣正逐步成為研究熱點。

3.2 國際研究熱點分析

采用VOSviewer軟件對英文文獻進行可視化的研究熱點網絡分析,見圖3。圖3表明,國際完整性管理研究的熱點包括風險分析、風險管理、泄漏檢測、失效概率、模型研究等。

圖3 Web of Science關鍵詞共現網絡(軟件截圖)

國際油氣管道安全評價與完整性管理始于20世紀70年代的美國,美國油氣管道完整性管理早期主要針對長輸管道開展,針對城市燃氣管道的研究從2000年開始[16]。國際注重充分利用數據庫技術,以提高數據的完整性,在數據基礎上研究各種不利因素的失效概率模型和算法,進行模擬和優化。另外,發達國家的應急管理體系相對完善,進行了較多的失效分析和風險分析,主要表現為:各級政府職能部門與運營企業、其他相關組織的協調機制更為便捷;事故應急及搶險救援方面的標準和法規較為完備,針對不同原因、規模、地理位置、復雜程度的事故建立了有針對性的處理方法等。如Tutunchi等[17]研究了城市天然氣PE管道系統中可信的失效機制,評估各種失效情景下的失效概率和失效后果,最終確定城市天然氣管道系統中不同部分的技術檢查活動的優先順序。

4 熱點演化路徑分析

4.1 國內研究熱點演化路徑分析

為全面洞察國內燃氣管道完整性管理的研究路徑,運用了CiteSpace的聚類與路徑分析功能,繪制出了可視化知識圖譜,得到7條熱點演化路徑,見圖4。

圖4 國內研究熱點演化路徑的聚類知識圖譜(軟件截圖)

圖4表明,近10年來燃氣管道完整性管理的研究分支(即7條熱點演化路徑)主要包括燃氣管網、風險評價、完整性、運營風險、安全管理、評估方法、全面檢驗等領域,體現為完整性管理的不同環節。

經過不斷研究,研究者總結了完整性管理的6個基本環節,為數據管理、泄漏管理、風險評價、完整性評價、維修維護和效能評價[18]。不同燃氣企業根據自身情況進行調整[14-15,19]。當前對于數據管理、維修維護和效能評價的研究較為薄弱。其中,管道建設期、運營期、維護期的數據管理是研究完整性管理的重點[20],建立統一的標準化數據管理是研究的前提。總體分析得知,國內對完整性效能評價的手段相對不成熟,對燃氣管道完整性管理的有效實施形成了一定阻礙。

4.2 國際研究熱點演化路徑分析

為全面洞察國際燃氣管道完整性管理的研究路徑,運用了CiteSpace的聚類與路徑分析功能,繪制出了可視化知識圖譜,得到9條熱點演化路徑,見圖5。圖5表明,國際研究主要集中在區域供熱、可持續性、風險評估、腐蝕缺陷、城市區域、生命周期評價、城市開采、模型、泄漏擴散等領域。在初始階段,燃氣管道完整性管理研究的重點是管道腐蝕、泄漏檢測和安全評估。研究者主要關注燃氣管道的物理特性、材料性能和腐蝕機制等方面的問題,以及如何使用傳感器和相關技術來監測管道泄漏。熱點詞包括Pipeline Corrosion(管道腐蝕)、Leak Detection(泄漏檢測)和Safety Assessment(安全評估)等。在發展階段,研究熱點進一步拓展,涉及到交叉研究領域和應用場景。如研究者開始關注管道完整性管理與可持續性發展、環境影響評估和社會責任等方面的關系,并且研究方法也逐漸多樣化,包括數據分析、模型建立和決策支持等。熱點詞出現了Sustainability(可持續性)和Life Cycle Assessment(生命周期評價)等。目前,研究路徑繼續向更具體的方向發展,如燃氣管道的特定問題(地震風險和管道損壞機制等)。此外,研究者提倡利用新興技術和方法,如無損檢測、人工智能和物聯網等,對燃氣管道完整性管理進行研究。

圖5 國際研究熱點演化路徑的聚類知識圖譜(軟件截圖)

5 國內外研究對比與發展趨勢分析

5.1 國內外研究熱點及研究方法對比分析

綜上所述,國內外在城鎮燃氣管道完整性管理的主要內容上還存在一定差異。從中英文文獻的分析對比可以發現,國內外刊物主要集中在完整性管理的風險評價研究上。從關鍵詞可以看出,國內外研究的關注點各有特點,國內研究熱點為風險評價和智慧燃氣等領域,國際研究熱點則聚焦于風險分析、泄漏檢測、失效概率、模型研究等。此外,國內研究還注重燃氣管網安全管理,包括燃氣管網的安全評估、風險管理和應急管理等方面;國際研究還注重燃氣管網智能化管理、可持續綠色能源替代技術和能源系統融合與協同優化等方面。燃氣管網智能化管理包括基于先進傳感器技術、物聯網技術、人工智能等的智能監測、智能預警和智能管理系統等。

國內城鎮燃氣管道完整性管理研究主要采用試驗室試驗、現場測試和數值模擬等方法。試驗室試驗主要包括燃氣泄漏檢測技術的驗證和泄漏修復技術的試驗,現場測試主要包括燃氣管網的監測和修復實踐,數值模擬主要用于研究燃氣泄漏擴散規律和管網安全評估等。國際城鎮燃氣管道完整性管理研究則更加注重數據驅動和模型化方法,包括基于大數據和物聯網技術的智能監測和管理系統、基于數學建模和仿真的燃氣泄漏擴散模型和管網優化調度模型等。此外,國際研究還采用了經濟評估和環境評估等方法,綜合考慮了燃氣管道完整性管理的社會、經濟和環境影響。

5.2 發展趨勢分析

從研究路徑上發現,完整性管理在數據管理、維修維護、效能評價研究上有待加強。

① 數據管理研究。數據管理是進行燃氣管道完整性管理的第一步。首先,由于許多國家管道完整性管理起步較晚,對于故障統計數據關注度不夠和積累有限,難以滿足管道量化風險評估的需要,經常使用其他國家成熟的故障數據作為數據支撐。但由于其他國家管道的環境和故障原因不同,難以直接使用其他國家的故障數據庫進行定量風險評估。其次,大多數城市燃氣事故調查數據的缺失,導致許多研究都是專家定性分析。未來應加強物聯網技術的應用,以提高管網運營管理中數據采集的統一性和完整性,避免沖突,促進數據的共享。在數據收集中,可以充分利用各種傳感器和監測數據,整合各種傳感手段、方法和儀器的檢測結果,確保風險評估和完整性評估的可靠性。實現有限人力資源和設備的科學合理配置,并對現有管理體系的有效性進行評估,達到逐步完善管理的目標。基于加強的完整性數據管理,建立基于全生命周期的智慧管網風險管控機制,可以全面實現系統智能化數據采集、風險因素精準識別、系統自適應反饋與控制、高精度的完整性檢測評價等,最大限度降低失效概率,減少次生災害發生。

② 維修維護研究。隨著國內外城鎮燃氣管網的建設規模不斷擴大和使用年限的增長,研究和改進燃氣管道維修維護方法和技術變得尤為重要。首先,智能監測和維護系統的發展將為燃氣管道維修維護提供更多可能性。通過傳感器、無線通信和大數據分析等技術,可以實時監測管道的狀態和運行參數,及時發現異常和潛在故障。基于人工智能和機器學習的算法也可以對管道進行預測性維護,避免突發故障和安全事故的發生。其次,繼續改進和創新無損檢測技術,提高其靈敏度和準確性。在燃氣管道的維修維護中,注重環境友好型方法的研究和應用。推廣使用可再生能源作為管道維護設備的動力源,減少對傳統能源的依賴,降低環境污染。

③ 效能評價研究。城鎮燃氣管道由于復雜的敷設環境,與長輸管道存在一定差異。在對燃氣管道完整性管理進行效能評價時,研究者多從完整性管理帶來的經濟效益角度出發,忽視了對完整性管理進行系統性的分析評價。目前城鎮燃氣管道的效能評價理論相對豐富,對于細節研究很少,需要建立完整的標準的效能評價指標體系。同時,各燃氣企業可以發展有自己特色的效能評價指標體系,使其促進企業的發展。

6 結論與建議

① 圍繞城鎮燃氣管道完整性管理展開的研究,國內研究熱點為風險評價和智慧燃氣等,國際研究熱點則聚焦于風險分析、風險管理、泄漏檢測、失效概率、模型研究等。

② 國內研究有7條熱點演化路徑,分別為燃氣管網、風險評價、完整性研究、運營風險研究、安全管理研究、評估方法研究、全面檢驗研究。國際研究有9條熱點演化路徑,分別為區域供熱、可持續性、風險評估、腐蝕缺陷、城市區域、生命周期評價、城市開采、模型、泄漏擴散。

③ 從研究路徑上發現,燃氣管道完整性管理在數據管理、維修維護、效能評價研究上有待加強。

④ 建議燃氣企業在進行燃氣管道完整性管理研究時基于系統工程思想分析問題,重視數據管理,加強信息化建設,注重全過程研究,采用科學技術方法及智能化手段,建立一套行之有效的適合企業的燃氣管道完整性管理標準。