对油气管道本质安全的几点认识

张宏

中国石油大学（北京）机械与储运工程学院

本文讨论的管道本质安全主要指管道结构的本质安全，并不给出严格定义，仅谈谈个人看法，供管道行业同仁参考。

1  管道本质安全概念的理解

关于管道本质安全重要性的论述很常见，但至今缺少对管道“本质安全”的明确定义。借鉴其他行业定义，“本质安全”是指“通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能”。如果将此概念移植到管道上，应明确管道本质安全是指“管道结构本质安全”还是“管道系统本质安全”。管道结构一般理解为管道本身，管道系统除管道结构之外，还包括相应的配套设施，如控制系统、监测预警系统、防护保护工程设施等，这些系统用于预防误操作、第三方损坏、大型地质灾害等意外偶然载荷对管道结构的破坏。因此“管道结构本质安全”应理解为通过合理的结构设计并按设计要求施工建设，使得管道具有抵抗设计载荷的能力，在生产运行过程中通过持续管理和维护让管道保持上述能力。而超出设计载荷的安全保障应由配套设施承担。

划分管道本质安全基于两个原因，一是管道发生事故后往往将重点放在管道结构本身，较少去寻找其他原因；二是管道结构不等同于管道系统，无法承担管道本质安全全部责任。

2  合理的管道结构设计

关于管道结构本质安全有几个概念值得讨论，首先什么是合理的结构设计。所谓“合理”指该设计按规范要求选择了满足强度的材料、尺寸和防护措施，平衡了管道安全性与经济性，考虑了管道可以承受的载荷和相应可能发生的破坏形式。合理的设计应具有一定的强度冗余，用于在一定程度上而不是完全防止由于管道与管件的制造误差、设计计算误差、施工质量瑕疵、运行误操作以及第三方施工等意外因素造成的管道破坏。

3  管道可能承受的载荷

从管道本质安全来讲，载荷不是外在因素，而是管道结构安全的约束条件。讨论管道结构本质安全必须限定在一定的载荷条件下，离开载荷讨论管道本质安全是没有意义的，管道不可能抵御所有载荷。

管道在运行过程中可能承受的载荷包括各种工艺载荷，以及识别到的可能以一定概率发生的地质灾害土壤位移、洪水或人为活动引起的冲击等。按管道设计规范要求选取的载荷可以称之为设计载荷。除此之外，管道承受的载荷中还可能存在来源于管道设计环境变化或设计时没有识别到的载荷。我曾于2019年第一次提出“非设计载荷”的概念（《管道保护》2019年第1期《论“非设计载荷”的识别与评价在管道保护中的重要性》——编者注）。多次管道事故都发现管道载荷超过了设计载荷，非设计载荷是造成管道事故的重要原因之一。

目前我们面临的管道轴向应力载荷是非设计载荷，复杂且难以确定。有时可能认为该载荷较小或不确定是否存在而没有引起足够重视；有时可能没有办法确定载荷大小而在设计中未给予充分考虑。

近年来管道断裂事故大都是环焊缝轴向断裂，断裂的焊缝处都存在一定的几何缺陷或焊接缺陷，或材料性能不合格。这些因素淡化了事故中对载荷重要性的认识程度。为了更好地理解载荷在事故中的作用，试想一下，即使这些焊缝没有缺陷和材料性能问题，事故就一定不会发生了吗？管道依然可能因载荷的作用在管体上断裂破坏，宽板试验中观察到高强匹配焊缝试样在管体屈服破坏的现象，验证了这一观点。

我们不能认为管道设计有一定强度冗余，管道就可以承受非设计载荷。管道设计规范中留给引起轴向应力的其他因素份额很小，即使在等效应力校核中采用了0.9的设计系数、管材实际强度与SMYS的差以及圆整的壁厚增量使得管道有一定的强度冗余，但其并不像我们认为的那么强。对此必须引起足够重视，尽可能发现、认识、消除非设计载荷，或在不能消除时将其纳入管道设计载荷。忽略非设计载荷是非常危险的，管道的安全与事故之间往往就差一根稻草。

土壤位移等非设计载荷可以通过建立管土相互作用力学模型，将土壤位移作为管道结构强度的控制参数，建立其与管道应力/应变之间的关系，监测（地表）土壤位移来防止管道因载荷过大而被破坏。

4  管道环焊缝强度

管道环焊缝在拉应力作用下的结构安全性是管道本质安全的焦点。影响环焊缝承载能力的因素较多，主要包括焊缝结构的材料性能以及存在的各种缺陷。管道环焊缝事故往往是较小的载荷、较小的缺陷以及一定的材料性能偏差组合作用的结果。国家管网集团公司目前实施的揭榜挂帅项目，对环焊缝事故发生时载荷、材料性能和缺陷这三者之间的关系及其影响因素和影响规律开展了研究。我相信，通过各方面合力攻关，正确认识制管、施工、运行等环节诸多因素对管道环焊缝结构安全性的影响，合理确定焊缝的材料性能及对焊缝缺陷的控制要求，管道结构本质安全将会得到进一步提升。

5  总结

（1）管道的本质安全通过两部分实现，管道系统的配套设施用于防止非设计载荷的作用，管道结构本质安全抵抗设计载荷，期望通过管道本质安全完全杜绝管道事故是不现实的。

（2）进一步讨论了设计载荷和非设计载荷的关系与区别，强调了非设计载荷的存在和对管道事故的重要作用。尽可能认识到非设计载荷的存在，并在设计与运行过程中对其进行处理。

（3）正确认识管道本质安全与事故之间的关系。不是所有的事故都是管道本质安全问题。许多事故中确实存在事先难以认识到的各种因素，首先要做的是逐步认识并消除或抵御这些风险。管道事故分析最重要的是找到事故发生的原因，防止类似事故再次发生，其次再考虑是否存在人为责任。同时应重视和发挥管道事故失效分析的作用，促进我国管道失效案例库的建立与应用。

作者简介：张宏，博士，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院教授，油气储运工程、安全技术与工程学科博士生导师。长期从事工程力学在石油装备及油气储运设施的结构分析、强度设计与安全评估方面的科学研究。近年来主要从事地质灾害管土相互作用与管道环焊缝强度研究。联系方式：13601034401，hzhang@cup.edu.cn。