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管道研究

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努力提升我国油气管道本质安全水平

来源:《管道保护》杂志 作者:何仁洋;杨永;王海涛;李仕力 时间:2020-9-16 阅读:

何仁洋 杨永 王海涛 李仕力

中国特种设备检测研究院

 

 

2010年实施的《石油天然气管道保护法》从管道规划建设、运行保护、与其他工程相交相遇等方面有力地保障了管道外部安全。 2014年实施的《特种设备安全法》及其配套的条例、安全技术规范对油气管道本体的设计、制造、安装及使用等环节提出更具体的质量控制要求。 2015年实施的GB 32167―2015《油气输送管道完整性管理规范》进一步促进了管道安全管理水平的提升[1]

随着管道服役期的增长,当前管道腐蚀、疲劳等老化问题影响管道的本质安全,新建管道的长距离、大口径、高压力和高钢级等特点也给管道本质安全带来更大的挑战[2]

1 油气管道本质安全的内涵

本质安全在国外也称为内在安全[3],一般意义指工艺过程、机械设备、装置等生产条件的安全[4]。国内从更广泛的意义对本质安全进行了界定,定义为运用组织架构设计、技术、管理、规范及文化等手段在保障人、物及环境的可靠前提下,通过合理配置系统在运行过程中的基本交互作用、规范交互作用及文化交互作用的耦合关系,实现系统的内外在和谐性,从而达到设备可靠、管理全面、系统安全及安全文化深入人心,最终实现对可控事故的长效预防[5]。对应于事故致因认识的过程,本质安全可以划分为三个层次[6]。第一层次为基本安全阶段,第二层次为规范安全阶段,第三层次为文化安全阶段,本质安全是三个层次的有机整合,又包含非常复杂的交互作用关系,一个系统要实现本质安全都要经历基本安全和规范安全阶段。

油气管道本质安全可定义为:采用基于失效模式的设计方式,优化设计,强化制造(钢管、阀门和管件等)、安装(焊接、防腐、开挖和回填等)和检测试验(无损检测、压力试验等)等环节的过程质量管控,在服役期内持续开展风险管控和隐患治理,确保在整个服役周期内管道结构和功能完整,安全和可靠运行。

2 油气管道本质安全的影响因素

我国油气管道的本质安全目前主要处于基本安全和规范安全阶段。国内学者对油气管道本质安全的研究侧重于管理体系建设及评价指标优化[7]。采用的方法偏向于专家咨询和理论分析,对管道事故研究不够深入。笔者结合典型事故教训,从规划、设计、制造、施工、运行等各阶段分析影响油气管道本质安全的因素。

(1)规划阶段。部分新建管道选线对我国经济发展及城市化进程前瞻不足,在短时间内地区等级由人烟稀少的一、二级发展为人口稠密的三、四级,致 使原有管道强度设计系数不合规;城市轨道交通与油气管道交叉现象频繁,增大了管道的安全运行风险和公共安全风险。个别管道选线未能充分考虑沿线地质灾害影响,包括崩塌、滑坡、泥石流、活断层错动、采空区或岩溶塌陷等[8]。如2001年,格拉成品油管道及其部分设备受地震引起的地表破裂带影响而遭受不同程度的毁坏,主要就是因为在管道设计规划时未能充分考虑管道所处地区处于活动断层和高地震烈度地带[9-10]

(2)设计阶段。本质安全要求采取更安全的设计手段防止事故发生,不能仅考虑满足规范规定的基本功能。多起管道事故发现,设计过程未充分考虑油气管道的失效模式、组合载荷、焊接接头强度匹配和热影响区软化效应的影响;未考虑管道敷设时从岩石等硬质地基向软土地基过渡的不同地基沉降而产生的附加载荷,未采取有效的预防措施而增大了管道的轴向应力,造成管道在载荷组合条件(压力、温差应力、残余应力、不均匀沉降、应力集中)下发生断裂。目前,在基于管道强度设计中一般只考虑内压、温差和弹性敷设产生的轴向载荷以及地震载荷的校核,对普通的土体沉降、弯管等位置的附加轴向载荷考虑不足。目前管道失效时的远端应变一般小于0.5%,应进一步研究管道的轴向载荷和应变的校核。

(3)制造阶段。我国对油气管道用管材、管件、阀门及附件制造实施了较为严格的安全监管,如要求制造单位取得相应的制造许可证,对埋弧焊钢管进行制造监督检验,以及对油气管道用管体、管件进行型式实验。近年来少见因管道元件制造质量发生事故的报道。但2010年9月美国加利福尼亚州天然气管道发生破裂,造成66人伤亡,事故原因之一是管道未焊透区域贯穿整个直焊缝内部,且部分短管直焊缝内表面对接不重合,约差为15度。随着新建管道工程采用高钢级钢管越来越多,为满足标准要求的力学性能指标,不同制管厂的制造工艺存在较大的差异,未能统一高钢级钢管和管件专用技术条件,从而为管件制造过程质量控制带来较大挑战。

(4)施工阶段。施工质量对管道本质安全的影响不容忽视。管道施工工序多、环境条件恶劣、作业人员不固定等造成施工质量控制困难,其中焊接质量、开挖回填及腐蚀防护是重要因素。 2018年贵州晴隆天然气管道泄漏燃爆事故直接原因是环焊缝脆性断裂导致,现场焊接质量不满足相关标准要求,在组合载荷的作用下造成环焊缝脆性断裂。导致环焊缝质量问题的因素包括现场执行X80钢级管道焊接工艺不严、现场无损检测标准要求低、施工质量管理不严等。

(5)运行阶段。运行阶段主要影响因素在于能否严格落实国家强制标准规范,及时发现管道本体缺陷和预防危害管道安全的第三方损坏等[11-12]。2013年青岛东黄输油管道因腐蚀减薄破裂,大量原油泄漏进入密闭空间,引发爆炸造成62人死亡、 136人受伤、直接经济损失75 172万元。该管道在事故发生前进行两次检测,未能有效检测出管道本体的缺陷。国外“合于使用”评价标准主要有API 579―1―2016《Fitness-for-Service》和BS 7910―2013《Guideon Methods for Assessing the Acceptability of flawsin metallic structures》,国内常用SY/T 6477―2017《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》和GB/T 19624―2019《在用含缺陷压力容器安全评定》。 4项标准都采用了失效评估图技术(FAD),主要考虑脆性断裂和塑性失稳的失效模式。油气管道行业对局部应变集中的失效模式及基于局部应变的断裂控制准则的研究还有待加强。

3 油气管道本质安全的提升

(1)完善法规及技术标准体系。针对影响管道本质安全的因素,及时对相关法律法规进行修订,补充完善管道本质安全的相关规定要求;开展油气输送管道安全规划、设计、施工和保护研究,强化红线意识,加强源头管控,分析总结有关事故事件教训;完善相关特种设备安全技术规范,建立健全既适合油气输送管道行业特点、又符合特种设备安全监管要求的相关标准体系、长输管道检验检测技术体系和机构及人员准入体系[13]

(2)加强安全监管。应急管理部、市场监管总 局、国资委、能源局等有关部门明确职责,协调合作,完善油气输送管道保护和安全监管工作体制机制,建立覆盖规划、设计、施工、运行和报废等管道全生命周期的责任体系,实施有效监管和服务。

(3)落实企业主体责任。本质安全主张通过工程技术措施消除、控制系统中的危险源,创造安全的生产作业条件。企业承担安全主体责任,保证足够的安全投入以提高本质安全水平。新建管道要加强招标、设计、材料、施工、检测等各环节的质量控制,确保新建管道的本质安全;在役管道要严格落实长输管道法定检验制度,不断提高法定检验覆盖率,加强管道完整性管理,持续开展管道高后果区管控、隐患排查和治理工作。

(4)推进技术研究工作。基于新建油气管道的特点,亟需研究攻克大口径、高强钢管道的建设、运行、维护技术难题[14],如:加强焊缝区低强匹配和软化效应,不等厚焊接接头环焊缝微区性能、承载能力和失效模式,环焊缝根焊焊趾位置形态、表面成型质量的工艺控制方法,基于管道轴向载荷和应变的校核等研究;进一步研究X80钢管的焊接工艺,改进不等厚焊接接头的坡口形式,制定不等厚焊接接头专项工艺规程;加强在役管道的环焊缝材料性能、应力及各类缺陷等在线检测评价技术,以及局部应变控制准则等研究。

(5)加快信息技术应用。在标准统一和数字化管道的基础上,以数据全面统一、感知交互可视、系统融合互联、供应精准匹配、运行智能高效、预测预警可控为目标,通过“端+云+大数据”体系架构集成管道全生命周期数据,提供智能分析和决策支持,用信息化手段实现管道的可视化、网络化、智能化管理,最终形成具有全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化的能力,且安全高效运行的智能油气管网[15]

 

参考文献:

[1] 王俊强,何仁洋,刘哲,等. 中美油气管道完整性管理规范发展现状及差异[J]. 油气储运, 2018,37(1): 6-14.

[2] 冯庆善. 管道完整性管理实践与思考[J]. 油气储运, 2014, 33(03): 229-232.

[3] 许正权,宋学锋,李敏莉. 本质安全化管理思想及实证研究框架[J]. 中国安全科学学报, 2006(12):79-85.

[4] 陈宝智,吴敏. 本质安全的理念与实践[J]. 中国安全生产科学技术, 2008(03): 79-83.

[5] 许正权,宋学锋,吴志刚. 本质安全管理理论基础:本质安全的诠释[J]. 煤矿安全, 2007(09): 75-78.

[6] 李卫杰. 油气长输管道全寿命周期本质安全评价技术研究[D]. 西南石油大学, 2014.

[7] 李师瑶,侯磊,熊毅,等. 油气管道本质安全影响因素分析及启示[J]. 中国安全生产科学技术,2017, 13(11): 79-84.

[8] 王学平,孙晓滨,郝建斌,等. 管道地质灾害风险分级——以忠县-武汉输气管道为例[J]. 地质科技情报, 2009, 28(03): 99-102.

[9] 赵忠刚,姚安林,赵学芬,等. 长输管道地质灾害的类型、防控措施和预测方法[J]. 石油工程建设,2006(01): 7-12.

[10] 赵汉青. 我国油气管道的事故成因及环境预防措施[J]. 油气储运, 2015, 34(04): 368-372.

[11] 王俊强,何仁洋.含缺陷管道复合材料修复后承压能力研究[J]. 压力容器, 2015, 32(9): 59-65.

[12] 何仁洋,徐广贵,王玮,等. 压力管道安全完整性监控、检测和评价技术[J]. 腐蚀科学与防护技术,2013, 25(4): 350-352.

[13] 何仁洋,吉建立. 美国油气管道安全管理经验及启示[J]. 质量探索, 2014(6): 45-46.

[14] 陈朋超,冯文兴,燕冰川. 油气管道全生命周期完整性管理体系的构建[J]. 油气储运, 2020,39(01): 40-47.

[15] 岳铭亮,王天宇,杨旭东,等. 智能管道与智慧管网建设分析[J]. 中国科技信息, 2020(11): 72-75.

 

作者简介:何仁洋, 1970年生,博士,研究员,中国特种设备检测研究院副院长,中国石油大学(北京)硕士生兼职导师,享受国务院特殊津贴,国务院安委会专家咨询委员会特种设备专业委员会委员,长期从事压力管道检验评价、标准制定以及安全保障技术研究工作。

通讯作者:李仕力, 1986年生,硕士,工程师,现从事压力管道材料适用性评价及失效分析工作,联系方式:18602621710, 59311286@163.com。

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