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管道研究

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从设计阶段为管道完整性管理打基础

来源:《管道保护》杂志 作者:史航 时间:2018-7-6 阅读:

史 航

中国石油天然气管道工程有限公司

《油气输送管道完整性管理规范》(以下简称“完整性规范”)作为管道管理的先进理念和最佳实践方法,涵盖管道建设、运营至报废的整个生命周期过程。管道建设阶段从规划设计开始,运用各项技术手段,将一项管道工程从设想(设计文件)通过施工变为现实的管道设施。油气管道的基本属性如管径、管材、输送压力和温度、敷设方式、长度、所经地区、穿跨越工程、管道站场设置、控制水平等等,都是经设计确定的,设计不仅决定了管道建设条件的难易,也决定了运营维护条件的优劣。因此,为管道工程做出科学合理、高质量的设计,是管道本质安全的基础,也是管道完整性管理的第一步。

本文结合管道设计工作,谈一下如何在设计中考虑管道完整性管理的问题。

1 完整性规范对设计方面的要求

1.1 一般要求

完整性规范第4章对设计提出了基本(一般)的要求:“完整性管理应贯穿管道全生命周期,包括设计、采购、施工、投产、运行和废弃等各阶段”(4.1条),“新建管道的设计、施工和投产应满足完整性管理的要求”(4.2条)。设计作为管道项目的谋划阶段,也是管道完整性管理的开始,该阶段对管道的安全、质量至关重要,是完整性管理的基础。所以要求管道的设计必须满足完整性管理的要求。规范中对设计阶段的数据采集、高后果区识别、风险评价都提出了要求,并要求“积极采用新技术”(4.7条),当然也包括设计的新技术。

1.2 数据采集与整合

数据采集是完整性管理的第一步。完整性规范规定:“数据采集与整合工作应从设计期开始,并在完整性管理全过程中持续进行”(4.3条)。“应明确管道全生命周期不同阶段需采集数据的种类和属性,并按照源头采集的原则进行采集”(5.1.1.1条)。“数据来源包括设计、采购、施工、投产、运行、废弃等过程中产生的数据,还包括管道测绘记录、环境数据、社会资源数据、失效分析、应急预案等”(5.1.1.2条)。“管道改线时,应测量新的中心线,并及时进行数据更新”(5.1.3.1.3条)。以上条文,强调了作为管道基础数据来源——设计的重要性。

设计数据在建设阶段是不断完善的,完善之后需要向运营单位提交。“在试运行之前,管道建设单位应将管道设计资料、中心线数据、施工记录、评估报告、相关协议等管道数据提交给运营单位”(5.2.1条)。“应采用结构化的实体数据模型,实现全生命周期数据的管理和有效维护”(5.3.2条)。“应采取管理措施确保数据精度和时效性”(5.3.5条)。从以上看出,设计在各阶段(至投产交付)都有具体的数据采集与整合的任务。

1.3 高后果区识别

高后果区识别是完整性管理的第二步。首先是设计阶段的高后果区识别:“在建设期开展高后果区识别,优化路由选择。无法避绕高后果区时应采取安全防护措施”(4.4条),“建设期识别出的高后果区应作为重点关注区域。试压及投产阶段应对处于高后果区管段重点检查,制定针对性预案,做好沿线宣传并采取安全保护措施”(6.3.1条),“地区发展规划足以改变该地区现有等级时,管道设计应根据地区发展规划划分地区等级”(6.3.4条)。设计人员掌握管道沿线详细的自然、人文、评价等各类资料,划分地区等级、识别高后果区是管道线路设计的工作之一,设计中采取合理的技术应对措施,对管道运营安全起到保障作用。

1.4 风险评价

“应在设计阶段和施工阶段进行危害识别和风险评价,根据风险评价结果进行设计、施工和投产优化,规避风险;设计与施工阶段的风险评价宜参考或模拟运行条件进行”(7.1.2条)。这一条非常重要,设计在施工之前,能够首先识别出各段管道的危害和风险,就能做出针对性地设计,采取技术措施规避风险。

“建设期各阶段的风险评价宜作为各阶段工作成果的评估依据之一。在风险评价报告所提出的风险消减措施应得到有效落实”(7.3.3.6条),“应对提出的风险消减措施建议的有效性进行分析”(7.3.8.2条),“如未满足风险可接受标准,应改进管道完整性管理活动或改进管道设计施工管理活动”(7.4.3条)。以上各条均包含对设计的要求。

1.5 运营阶段完整性管理需要设计的配合

完整性评价、风险削减与维修维护、效能评估这些完整性管理工作(完整性规范第8、9、10章)虽然以运营单位为主,但设计单位作为技术服务与咨询部门,可以且有能力参与这些工作,持续地为管道的完整性管理服务。比如管道需要改造、维护时,也需要进行设计,设计单位就要根据规范的要求、业主的需求,做出完善的设计,达到完整性管理的要求。

从以上几方面看出,完整性规范对管道设计做出了多项要求,这些新的要求是全面提高我国油气管道设计、建设、管理水平的需要。管道设计人员必须认识到,管道设计不能仅“满足设计规范”,同时要符合完整性规范要求。设计时考虑长远了,设计站位高了,设计质量也就提高了。

2 贯彻执行完整性规范的几项重要工作

2.1 设计阶段的数据采集与整合

2.1.1 线路数据的质量

规划设计阶段根据介质性质、输送量、输送距离等计算分析得出管径、压力、温度等工艺参数。参数与资源、市场、管线或管网特征等条件关联度大,基于大量的管道水力计算与分析的经验,数据的准确性是较好的。

管道线路与管道长度、经过地区的人口密度、沿线的地形地质条件、经过河流山体等障碍物的情况密切相关,包含了复杂的自然和社会因素,对完整性管理来说是重点。线路选线需要设计人员秉持认真科学的态度,深入现场实地勘查,广泛收集资料,线路数据的质量就好。

举一例子:某管道穿过山区,管道若爬山敷设,给施工和后期运营管理带来困难,投资也较高,并存在地质灾害的风险。若从山间谷地中穿过,埋设容易、投资少,但谷地内人口较密集,属于高后果区,存在第三方损害的风险。受青岛输油管道泄漏爆炸事故的影响,地方政府、企业和设计单位均不愿让管道穿越人口密集区,而采取管道经过城镇外围的山区,或经过人口分布最少的地带,这样选择的线路可以说数据质量较好。

目前对设计文件的审查,主要集中在工艺、自动控制、建筑等专业,对于线路方案审查较少,如果设计文件上没有标明通过敏感地区,专家们一般看不出问题。因此,一些管道项目的线路设计质量不好,比如:沿线的城镇规划、敏感目标调研不够造成遗漏,复杂地区的管道线路从地图上一笔划过,缺少隧道、穿越、建构筑物和经济作物赔偿量,概算投资偏少等,这就给后续设计和建设造成很大难度,施工中可能会大量改线,不满足管道完整性管理的数据要求。

2.1.2 设计数据要根据施工改动及时修改

目前我国城乡建设发展很快,城镇规划区不断扩大,农林牧渔和旅游项目遍地开花,给管道路由选择带来很大难度。土地使用者对于管道通过普遍不予支持。设计中征求地方各部门的意见一般只能取得“原则同意”的批复,施工时由于村民不同意、赔偿要价太高等原因,已设计好的线路会出现较多的改线,若设计不能根据改线的调整及时做出施工图,管道采集的数据就不是真实的,不真实的数据将直接影响管道完整性管理。

完整性规范中考虑到线路数据的准确性(见上述4.3条、5.1.3.1.3款),但具体实施还存在问题。《油气长输管道工程施工及验收规范》(GB 50369-2014)规定:“管道下沟后应对管顶标高进行测量,直线段应每100 m测一点,曲线段可对起点、中点和终点进行测量”(第12.1.7条)。该规范仅要求测量管顶标高,而且直线段100 m测一点、曲线段仅测量3点,数据太少,更主要的是缺少“管顶三维坐标数据”。完整性规范附录B中要求给出沿线管道各控制点(中线桩位)的坐标和高程,而控制点之间每隔一段距离(比如每道焊口或间隔2、3道焊口)还应该在下沟后(回填之前)进行焊口管顶的三维坐标数据的准确测量,才能够保持管道中线数据的准确。

目前普遍发现管道竣工图的中线数据不准确,缺少管顶现场三维数据的专业测量是主要原因,而后期运营管理中的中线数据测量只能用探管设备(雷迪)+部分开挖验证,其数据的精度相比直接测量误差大得多。近期施工的中俄原油二线等工程要求下沟阶段进行管顶三维坐标测量,是一种很好的方法。

2.2 线路选择需关注风险点与高后果区

根据沿线各类评价资料和数据,以现场的实际条件,按照完整性规范划定地区等级,确定特定场所,编制高后果区识别报告,应该是比较容易的。难点在于沿线未来发展规划的不确定性和掌握程度,在无规划时,设计人员应能够对当地的城镇发展作出比较准确的预判,以避免将来发生管线被占压和演变为高后果区。这样编制出的设计文件才称得上高水平。

2.3 做好管道安全设施设计

完整性规范提出了设计阶段要进行“管道安全设施设计”,提交有关安全监管机关审查,主要就是危害识别、风险评价、风险规避或削减措施。管道安全设施设计有规定的编制大纲和要求,关键要结合各项目的沿线具体条件,分段、逐个敏感点认真做出危害识别,对识别出的危害进行科学分析评价,确定风险大小、级别,并采取切实可行的、效果良好的技术措施,提出运营维护中的建议。

3 对管道完整性管理工作的几点建议

(1)管道完整性管理应从设计抓起

设计阶段定义了管道的基本参数,将管道路由确定在各种不同的环境之内,设计质量直接关系到施工条件的难易,运营管理中保护、维护、调度、抢修等条件的完善程度,因此,完整性管理应从工程的源头——设计抓起,为管道整个生命周期内各项完整性管理活动奠定基础。

管道企业(业主)应关注前期的工程规划、设计,抓好各阶段的设计评审,管道设计不仅要符合规范标准要求,达到技术可行、经济合理,还应满足合规性,管道的抗风险能力要足够强,对周边居民和环境造成的潜在风险相对最小,并从各种运营、保护条件方面保证设计方案的可靠性。

(2)选线等应作为完整性管理的重点

管道线路路由、站址一旦确定下来,并经过国家要求的规划选址、土地预审、各项评价,即便是路由和某些站址不优化,甚至存在风险,但核准、备案完成后基本就不可改变了。所以,业主和设计单位要将管道选线(包括敏感区、高后果区路由走向)、站场选址(包括截断阀选址)作为设计阶段关注的重点,联合组织专家认真审核把关,使方案相对最优,达到放心的程度,后期的完整性管理工作就会顺畅很多。

(3)应重视施工变更和施工质量控制

施工阶段往往由于用地、赔偿等因素被迫改线,造成管道线路坐标、穿越、地理条件、用地条件等发生变化,如开挖施工改为定向钻穿越等。改线后,按程序应编制“改线段施工图”和变更的相关文件,但由于施工时机等原因,往往在变更设计之前就已经施工了,这是造成管道基本数据不准确的主要原因。施工阶段质量对管道本质安全影响很大。如施工质量差,监理不到位,将给管道留下隐患。现在经常遇到的补口质量不好、埋深不足、管体凹坑、管内杂质多、地貌恢复不好、水工保护质量差等问题,留给运营单位许多矛盾和需要整改的问题,最终影响完整性管理工作的开展。业主单位应明确施工、监理单位的质量责任,采取切实措施加强各工序的质量监督,完善检验手段,保证施工质量。

(4)发挥设计在完整性管理中咨询服务作用

设计单位可以为完整性管理工作提供各种技术服务,除了管道的改造、扩建的工程设计之外,还包括数据测量、数据恢复、高后果区复查、地区等级升高段勘测、含缺陷管段的评估与修复、新建工程和设施对管道的影响评估、管道保护设施加强、新技术在运营管道上的应用等。北美、欧洲的工程公司新建管道的设计任务并不多,为管道运营提供技术支持是最多的业务。在我国管道建设速度减缓后,完整性管理工作将成为管道设计单位的主要工作方向。

(作者:中国石油天然气管道工程有限公司副总工程师,全国工程勘察设计大师)

《管道保护》2017年第2期(总第33期)

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