李師瑤,侯 磊,熊 毅,陳雪嬌,李文超,馬宏偉
(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室/石油工程教育部重點實驗室,北京 102249; 2.中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院,北京 102249; 3.中國石油管道公司 呼和浩特輸油氣分公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)
1974年6月1日,英國一家工廠發(fā)生了嚴(yán)重的高溫環(huán)己胺泄漏爆炸事故。1978年,英國化工安全專家 Klet針對這一事故,首次提出“本質(zhì)安全”概念[1],指在工藝設(shè)計階段提高工廠安全,從根本上消除風(fēng)險,而不是被動地接受風(fēng)險或附加保護設(shè)施減小風(fēng)險[2],這個概念得到普遍認(rèn)可,并沿用至今。
國內(nèi)學(xué)者對油氣管道本質(zhì)安全的分析研究主要分為2種:一是對管理體系的把握,如從國家、地方或各相關(guān)部門監(jiān)管管道的安全[3-4];二是用評價指標(biāo)研究油氣管道的本質(zhì)安全問題,如黃昕等[5]改進了肯特法中的評價指標(biāo),建立了長輸管道本質(zhì)安全評價模型。這2種研究采用的方法偏向于專家咨詢和理論分析,對管道事故中的本質(zhì)安全影響因素研究不夠深入。周建新、王玉梅和吳策宇等人[6-10]通過分析國內(nèi)外油氣管道事故,確定了主要的事故原因,但沒有明確指出哪些事故原因?qū)儆诒举|(zhì)安全范疇。本文調(diào)研了1994年至2012年間105起美國和加拿大的油氣管道事故,統(tǒng)計分析有關(guān)本質(zhì)安全的影響因素,識別各階段存在的薄弱環(huán)節(jié),為我國油氣管道本質(zhì)安全的評估提供參考。
油氣管道工程主要包括規(guī)劃、設(shè)計、制管、施工和運營5個階段,以下分析了涉及管道本質(zhì)安全的事故,其中包括23起美國油氣管道事故和14起加拿大油氣管道事故。
圖1 基于事故分析的油氣管道本質(zhì)安全影響因素識別流程Fig.1 The recognition process of intrinsic safety influencing factors in oil and gas pipeline based on accidents
不同因素對事故的影響程度不同,將影響因素分為3級,即一級影響因素、二級影響因素和三級影響因素。一級影響因素指技術(shù)和管理,二級影響因素指間接造成事故的原因,三級影響因素指直接造成事故的原因。基于事故分析的油氣管道本質(zhì)安全影響因素識別流程如圖1所示,從事故原因入手,對每起油氣管道事故匯總后進行本質(zhì)安全判定,提取本質(zhì)安全方面的事故原因作為三級因素,分類概括三級因素得到二級因素,按照油氣管道工程的5個主要階段對二級因素進行歸類。對于每起事故,可通過識別流程圖進行本質(zhì)安全影響因素劃分,進而確定事故源頭,采取有效措施改善管道本質(zhì)安全。
以2010年9月加利福尼亞州天然氣管道破裂事故為例,說明影響因素識別過程。通過對天然氣管道泄漏原因進行本質(zhì)安全因素判定,確定了5個二級影響因素、6個三級影響因素,如表1所示。
表1 加利福尼亞州天然氣管道事故原因Table 1 The causes of gas accidents in California
1.2.1影響因素分析
根據(jù)圖1中影響因素識別流程方法,針對37起涉及本質(zhì)安全的管道事故,列舉了部分事故的原因及影響因素,管道建設(shè)階段與影響因素之間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。
通過分析37起本質(zhì)安全的管道事故,確定了19個二級影響因素和26個三級影響因素,管道工程各階段包含的二級、三級影響因素以及事故的數(shù)量如表3所示。以設(shè)計階段為例,其二級影響因素包括防護設(shè)計、線路設(shè)計、站場設(shè)計及管理制度共4個,涉及的三級影響因素共7個,設(shè)計階段因素造成的事故共12起。根據(jù)二級、三級影響因素對應(yīng)的事故數(shù)量,可確定各影響因素對工程階段的本質(zhì)安全影響程度,如二級影響因素中防護設(shè)計對設(shè)計階段的本質(zhì)安全影響最大,三級影響因素中陰極保護方案對設(shè)計階段的本質(zhì)安全影響最大。
表2 本質(zhì)安全的管道事故原因及影響因素Table 2 The causes and influencing factors of intrinsic safety accidents
表3 基于事故分析的油氣管道本質(zhì)安全影響因素匯總Table 3 The summary of intrinsic safety influencing factors in oil and gas pipeline based on accidents
注:由于不同的三級影響因素可能對應(yīng)同一起事故,所以各階段三級因素對應(yīng)的事故數(shù)之和大于或等于各階段總事故數(shù)。
由表3中數(shù)據(jù)得到圖2和圖3,不同階段影響因素造成事故的數(shù)量比較見圖2。由圖2可知,各階段影響因素造成的事故數(shù)由高到低依次是施工、運營、設(shè)計、制管和規(guī)劃階段,其中,施工階段影響因素對應(yīng)的事故數(shù)量遠大于其他階段。
圖2 不同階段的本質(zhì)安全事故數(shù)Fig.2 Intrinsic safety accidents in different stages
圖3 不同階段的二級和三級影響因素的數(shù)量Fig.3 The number of second-degree and third-degree influencing factors in different stages
管道工程各階段包含的二級和三級影響因素的數(shù)量分布見圖3。由圖3可見,設(shè)計和施工2個階段涉及的三級影響因素數(shù)量較多,制管和運營階段涉及的三級影響因素數(shù)量次之,規(guī)劃階段涉及的三級影響因素數(shù)量最少。這與各階段完成的工程任務(wù)有關(guān),如規(guī)劃階段只需完成勘察、可行性研究和編制任務(wù)書,而施工階段包括防腐絕緣、拉運布管、組裝焊接、防腐補口和下溝回填等任務(wù),比規(guī)劃階段的任務(wù)更多更復(fù)雜,涉及的影響因素更多。同一個二級影響因素可以包括多個相似的三級影響因素,如制管中的軋制技術(shù)包括軋制溫度/方向和軋機結(jié)構(gòu),當(dāng)某階段三級影響因素越多時,不代表提升該階段本質(zhì)安全難度大,這與二級影響因素和三級影響因素的相對大小有關(guān)(規(guī)劃階段例外)。結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn),在設(shè)計和運營階段,二級影響因素數(shù)量約為三級影響因素數(shù)量的一半,說明部分三級影響因素可以歸為同一類,即事故原因相對集中,提升設(shè)計和運營階段的本質(zhì)安全難度相對不大。在制管和施工階段,二級和三級因素的數(shù)量相當(dāng),說明事故原因相對分散,提升制管和施工階段的本質(zhì)安全難度較大。規(guī)劃階段較為特殊,二級和三級影響因素都各有1個,即管道環(huán)境調(diào)研存在問題,在37起事故中因該問題造成的本質(zhì)安全事故只有3起,遠少于其他階段,若規(guī)劃期間詳細(xì)調(diào)研管道環(huán)境數(shù)據(jù),可進一步減少事故發(fā)生。
1.2.2薄弱環(huán)節(jié)識別
將每個階段中造成事故相對多的二級因素定為該階段的薄弱環(huán)節(jié),共確定了7個薄弱環(huán)節(jié)。管道環(huán)境為規(guī)劃階段的薄弱環(huán)節(jié)。在設(shè)計階段,防護設(shè)計比線路設(shè)計、站場設(shè)計和管理制度對應(yīng)的事故多,防護設(shè)計為設(shè)計階段的薄弱環(huán)節(jié)。同理軋制技術(shù)和焊接技術(shù)為制管階段的薄弱環(huán)節(jié),焊接質(zhì)量和防腐技術(shù)為施工階段的薄弱環(huán)節(jié),檢測方案為運營階段的薄弱環(huán)節(jié),表3中加粗的二級影響因素為相應(yīng)階段的薄弱環(huán)節(jié)。
我國2003年至2013年有報道的油氣管道事故共發(fā)生28起,具體原因如表4所示,根據(jù)本質(zhì)安全概念,第三方施工/打孔盜油與操作不當(dāng)/原因不明不屬于管道本質(zhì)安全范圍,我國油氣管道在地質(zhì)災(zāi)害、管道腐蝕、材料與焊接方面存在的問題,與國外油氣管道本質(zhì)安全的薄弱環(huán)節(jié)即管道環(huán)境、防護設(shè)計、制管工藝和管道施工缺陷十分相似,結(jié)合油氣管道本質(zhì)安全影響因素的分析,對于改善管道本質(zhì)安全,有如下啟示。
表4 我國2003年至2013年油氣管道事故統(tǒng)計Table 4 Oil and gas pipeline accidents in Chinafrom 2003 to 2013
(1)全面調(diào)研管道周圍環(huán)境
規(guī)劃是管道的起始階段,是管道建設(shè)的基礎(chǔ),在管道設(shè)計之前應(yīng)對管道環(huán)境如地質(zhì)條件、降雨量、地下(表)水和交通等情況進行全面調(diào)研。管道環(huán)境惡劣主要包括2種情況:一是城市規(guī)劃的速度遠超過管道規(guī)劃速度,地上地下構(gòu)筑物對管道產(chǎn)生影響,尤其是靠近市區(qū)的管道,如我國某地經(jīng)濟發(fā)展速度加快,管道工程建設(shè)速度也在加快,常出現(xiàn)管道安全距離不足的問題[11];二是管道位于惡劣的土質(zhì)環(huán)境,管道公司卻不知情,依舊按照正常土質(zhì)鋪設(shè)管道,如2005年7月加拿大英屬哥倫比亞省的管道穿越了垃圾填埋場,垃圾的填埋擾亂了原生土層的平衡狀態(tài),造成管道支撐設(shè)計失敗。在管道規(guī)劃階段,管道周圍可能沒有明顯的惡劣環(huán)境跡象,需要詳細(xì)調(diào)研管道敷設(shè)區(qū)地層情況,為管道設(shè)計提供依據(jù)。
(2)加強油氣管道系統(tǒng)本質(zhì)安全的設(shè)計
本質(zhì)安全觀點是采取更安全的設(shè)計手段防止事故發(fā)生。如設(shè)計階段的防護設(shè)計,防護設(shè)計主要由水工保護、抗震設(shè)計和陰極保護組成,在調(diào)研的事故中,大部分事故受陰極保護不足的影響,其影響因素主要包括3方面:一是整流器效率低;二是當(dāng)?shù)赝寥离娮杪实淖兓?;三是陰極保護電流低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如2000年8月,加拿大WestCoast能源公司的管道干線發(fā)生破裂,主要原因是在陰極保護不足期間,管道涂層表面出現(xiàn)局部腐蝕點,造成管道表面暴露在電解質(zhì)中,生成裂紋。在管道設(shè)計階段,需選擇合適的陽極材料、接地材料或增加整流器的輸出、替換地床等以避免陰極保護出現(xiàn)不足,做好管道防護設(shè)計。
(3)增強油氣管道的材料制作質(zhì)量
管道材料質(zhì)量的好壞與制管過程有很大的關(guān)系,制管缺陷主要體現(xiàn)為軋制技術(shù)和焊接技術(shù)缺陷,其影響因素包括3方面:一是軋制機構(gòu)不合適造成鋼材晶粒不均勻,未充分細(xì)化;二是鋼材的軋制方向不對;三是卷制焊接中焊縫存在未焊透、變形、氣泡等問題。2010年9月美國加利福尼亞州發(fā)生嚴(yán)重的天然氣管道破裂火災(zāi)事故,裂開的短管中硫化錳夾渣被橫向拉長,說明鋼材的軋制方向是橫向的,而不是正確的軸向,造成短管的尺寸不能滿足已知管材規(guī)格的最小長度要求。制管階段應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范操作,避免使用存在尺寸問題的管段。
(4)保障管道的施工建造質(zhì)量
施工階段是管道事故的高發(fā)階段,由于管道施工工序多、自然環(huán)境和施工條件復(fù)雜、工作人員流動等給管道的施工建造質(zhì)量增加了難度。目前施工缺陷主要體現(xiàn)在焊接質(zhì)量和防腐技術(shù)問題上。
焊接質(zhì)量問題引發(fā)的事故數(shù)量僅次于防腐缺陷,焊接質(zhì)量問題主要體現(xiàn)為焊縫缺陷,包括氣孔、未焊透、咬邊等問題,其影響因素是焊接技術(shù)不足。我國焊接技術(shù)先后經(jīng)歷了手工焊接、半自動焊接、CO2焊接、全位置自動焊接等[13]。手工焊效率低且誤差大,CO2焊接常出現(xiàn)氣孔、咬邊和夾渣等問題,自保護藥芯半自動焊接常出現(xiàn)氣孔、飛濺、未融合、未焊透等狀況[12]。全自動焊接在我國還不能得到廣泛應(yīng)用,主要因為焊槍的振動導(dǎo)致傳動系統(tǒng)反應(yīng)不靈敏,同時各行動系統(tǒng)會有累計誤差[13-14]。事故中普遍存在的焊縫缺陷是未焊透,如2001年1月,我國某石油公司負(fù)責(zé)的輸油管線發(fā)生泄漏,其重要原因是焊縫2~3mm未焊透,導(dǎo)致焊縫斷裂。2010年9月美國加利福尼亞州天然氣管道發(fā)生破裂,事故原因之一是未焊透區(qū)域貫穿整個直焊縫內(nèi)部,且部分短管直焊縫內(nèi)表面對接不重合,約差為15°。在施工焊接階段,提高焊接技術(shù)或方法,采用新型的焊接設(shè)備,以減少管道的焊縫缺陷問題。
防腐技術(shù)不足會直接造成防腐層存在問題,常見的是陰極剝離,其影響因素主要分為2種情況。一是防腐層材料性能存在不足。我國已建的長輸管道通常使用的防腐材料包括熔結(jié)環(huán)氧粉末、三層聚乙烯和少量的煤焦油瓷漆[15],常出現(xiàn)氣泡、漏點、損傷和脫層問題,如陰極反應(yīng)形成堿性環(huán)境,有缺陷的防腐層抗堿性能下降,當(dāng)水、氧和離子滲入涂層,該處涂層對金屬的附著力降低,從金屬表面剝離。所以在選擇涂層時,應(yīng)綜合考慮涂層的抗沖擊性、抗刮擦、抗鑿刻、附著性、熱膨脹(收縮)性、抗彎曲性、抗堿性[16-17]等性能。二是操作人員的失誤,如不能正確把握涂層的冷卻時間,涂層會出現(xiàn)氣泡和脫落問題。2000年4月,美國田納西州Explorer公司的一條油品管道發(fā)生泄漏,原因包括涂層未完全冷卻開始回填管道,導(dǎo)致防腐層大面積起皺與脫落,管道表面暴露在外部,降低了陰極保護的有效性,進而發(fā)生陰極剝離。在施工防腐階段,需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H環(huán)境條件和管道材料選擇與之匹配的防腐涂層材料。
(5)不斷完善管道運行體系
管道運行體系能夠及時發(fā)現(xiàn)管道裂紋、凹陷、壓扁和腐蝕缺陷等問題,減少事故發(fā)生。國外油氣管道在運營階段主要體現(xiàn)為檢測方案落后,其影響因素包括2方面:一是由于檢測技術(shù)落后,未能將缺陷檢出或檢測數(shù)據(jù)分析時間過長;二是管道公司不遵守規(guī)范制度或檢測標(biāo)準(zhǔn)落后,長時間不進行管道檢測。如2001年1月,加拿大亞伯達哈迪斯蒂的一條原油管道發(fā)生嚴(yán)重的泄漏事故,原因是數(shù)據(jù)分析中區(qū)分缺陷的時間和反饋風(fēng)險位置的時間較長,公司沒能及時收到異常信息。在管道運營階段,應(yīng)提高檢測器對管道缺陷的靈敏程度,結(jié)合管道系統(tǒng)運行的資源信息優(yōu)化數(shù)據(jù)分析程序,也可通過試驗檢測來更好的了解檢測器探測到管道缺陷的信號特征,便于工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題。
1)通過油氣管道本質(zhì)安全影響因素識別流程方法,確定了2個一級影響因素、19個二級影響因素和26個三級影響因素,明確了各類影響因素與管道建設(shè)階段間的對應(yīng)關(guān)系,分析表明,提升制管和施工階段的管道本質(zhì)安全難度較大,而提升規(guī)劃、設(shè)計和運營階段的管道本質(zhì)安全難度相對不大。
2)通過比較各階段二級影響因素誘發(fā)國外管道事故的數(shù)量,共確定了管道環(huán)境、防護設(shè)計、軋制技術(shù)、焊接技術(shù)、焊接質(zhì)量、防腐技術(shù)和檢測方案等7個本質(zhì)安全薄弱環(huán)節(jié),其中,管道環(huán)境、防護設(shè)計、焊接和防腐技術(shù)也是我國管道的薄弱環(huán)節(jié)。
3)管道工程各階段存在各自的關(guān)鍵問題,規(guī)劃階段應(yīng)注意城市規(guī)劃速度與管道規(guī)劃速度的平衡;設(shè)計階段應(yīng)注意陰極保護不足問題;制管階段應(yīng)注意軋制方向,避免出現(xiàn)尺寸錯誤的管段;施工階段應(yīng)提高焊接技術(shù)減少焊縫缺陷,增強防腐層性能水平;運營階段應(yīng)縮短數(shù)據(jù)分析和反饋的時間,并按照規(guī)范定期檢測。
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