江南水网地区长输管道风险评价的复杂性及其对策*

韦新华夏福勇何承代余兵刘延雷，2王飞

（1.杭州市特种设备检测院2.浙江大学化工机械研究所）

江南水网地区长输管道风险评价的复杂性及其对策*

韦新华**1夏福勇1何承代1余兵1刘延雷1，2王飞1

（1.杭州市特种设备检测院2.浙江大学化工机械研究所）

对江南水网软土环境中油气长输管道的特点进行了分析。结合湖州至杭州天然气长输管道、宁波至杭州成品油长输管道的风险评价工作，指出了现行的长输管道风险评价方法在江南水网地区软土环境油气长输管道评价时存在的问题，并在深入分析的基础上，对提高该地区油气长输管道安全技术水平提出了若干建议。

长输管道软土环境风险分析风险评价对策

0 引言

随着社会经济的持续快速发展，我国石油、天然气的消耗量不断上升。我国石油天然气资源分布较为集中。原油产地大多集中在东北、华北和西部一带；天然气四大气区都在西北和西南地区。除此之外，还有相当一部分海上油气田。因此存在从产地向消费地长距离输送的问题。按照现有的技术水平，对于使用量较大的石油天然气，管道运输是一种经济、安全和高效的运输方式。

江南地区经济发达，同时资源、能源匮缺，需要通过“西气东输”、海上油气田开发和进口等途径获取所需的天然气、石油等能源，长输管道是这些能源输送的主要方式。随着能源结构的调整，江南地区将迎来长输管道建设的高潮。根据《浙江省天然气管网规划》，浙江省将建设“三气一网”，长输天然气管道规划全长约1 400 km。江苏省也决定加快建设连接无锡、苏州、常州等经济发达地区的天然气长输管道。承担这些管道设计、建设、监理、检验的单位都是经验较为丰富的单位。但由于情况复杂，在运行中发生了多起管线漂浮、断裂、沉降等事故，造成了较大的影响。

长输管道一般埋地敷设，其施工、检验和安全状态监控难度较大。长输管道中的介质通常是易燃易爆的、有毒的或者有腐蚀性的，易发生火灾、爆炸或中毒事故，造成人员伤亡、财产损失和环境污染。据不完全统计，我国油气管道事故发生的概率是经济发达国家的5～10倍。因此如何确保新建或在役长输管道的安全运行，降低事故的发生率，最大限度地减少事故造成的损失，提高长输管道本身的安全性就成了当务之急。

1 江南地区油气长输管道的特点

1.1 管道沿线人口稠密、经济繁荣

以浙江省为例，长输天然气管道经过的杭州、宁波、温州、绍兴、嘉兴、湖州、金华、台州、衢州、丽水等市县，经济繁荣，人口稠密。按2003年全省生产总值9 200亿元、总人口4 551.58万人计算，管道沿线市、县的人口约占浙江省总人口的53%,其生产总值约占浙江省生产总值的69%。

人口稠密、活动频繁必然导致管道事故发生的可能性和危害程度加大。发达国家长输管道事故分析研究表明，第三方破坏已成为管道事故的三大主要原因之一。在江南地区要充分考虑以下一些因素的影响：繁忙的交通运输有可能带来明火等危险有害因素，对长输天然气管道的安全运行构成威胁；长输天然气管道的穿越，也有可能危及交通运输的安全，甚至中断交通（在天然气泄漏爆炸时）；地面建筑物的增多，也造成在这一地带进行管道评价工作所要考虑的因素较为复杂；管线附近经济开发区、高新技术开发区多，各类建设活动频繁，由于不可避免地存在一些管理者无法控制的因素，易造成第三方破坏。

1.2 危险有害因素多、事故防范难度大

长输管道的危险有害因素主要有：储运介质危险有害因素、储运工艺危险有害因素、储运设备与设施危险有害因素、人力与安全管理危险有害因素、环境危险有害因素等[1]。江南地区具有独特的软土地基与水网特性，在风险评价的环境有害因素中，必须充分考虑这两个特点。

1.2.1 软土地基对长输管道的影响

软土一般指在静水或缓慢水环境中沉积而成的，以黏粒为主并伴有微生物作用的一种结构性土。长三角区域内有三分之一范围地面累计沉降已超过200 mm，面积近1万km2。上海、苏南的苏锡常地区和浙北的杭嘉湖地区已经形成了三个区域性沉降中心。从成因上看，江南地区的软土属于湖泊沉积（太湖流域）和河滩沉积（长江中下游冲积平原）。软土具有天然含水量大、压缩性高、饱和度高、空隙比大、透水性低、灵敏度高和承载力低等特点，是一种呈软塑到流塑状态的饱和黏性土[2]。

由于抗剪强度低，具有明显的流变性，使得软土地基容易发生超量沉降和不均匀沉降。长输管道受到这些沉降的影响，会在局部地区产生应力集中，生成裂纹，甚至断裂，这是软土地基造成的最大、最普遍的危害。浙江部分地区还存在山区软土，在倾斜表面的作用下，会使软土蠕变滑移，导致地基失稳。江苏北部受到山东中部和渤海湾地震带的影响，浙江沿海和上海地区受到台湾地震带的影响。由于软土地基灵敏度高，当地基受到震动时，结构发生变化，黏土颗粒松散，有效承载力降低，易发生土壤液化，威胁长输管道的安全运行[3]。

1.2.2 水网对长输管道的影响

江南水网是以太湖为中心的河道密集区域，平均每平方公里河道长度为3.2 km。江南水网地区河道纵横，河面不宽，但常年有水。除了河道外，还有大量的稻田、水塘等水域，整体上这一地区的地下水位高。水网地区的土质一般为淤泥质黏土。江南地区的水网还受到雨季的影响，有明显的季节性。为确保长输管道埋地敷设，在经过水网地区的时候需要采用定向钻穿越、漂浮牵引法穿越、水下管沟开挖、大开挖等方法施工[4]。江南水网与高速公路网和铁路网交错出现，造成管道穿越数量多，距离长，施工难度大。例如钱塘江穿越达到2 308 m，创国内纪录。

水网地区长输管道的危险有害因素种类增多，危害程度增加，同时事故防范、处理的复杂性和难度都大大增加。首先，管道施工难度增加。穿越管道在施工的时候受到周边土壤的影响，会产生附加载荷，使管道的受力状况复杂化。水下管道有时要采用稳管措施，压重块会影响管道的局部区域，使相应的部位受力增大。第二，易造成漂浮、悬空。江南水网地区地下水位高，且随季节变化，易造成漂浮；江南水网地区易发生洪水，洪水冲击河床泥土，易造成管道悬空，甚至冲断管道[5]。第三，危害范围大。水网地区的原油和成品油管道如果发生断裂或者泄漏事故，会在大范围的水域和土壤引起污染。

1.3 事故发生后涉及面广、应急救援困难

长输管道涵盖行政范围广泛，一般都要经过不同的行政市、县，具有埋地敷设、线长、点多、面广、事故原因多、应急难度大等特点，单靠地方政府和企业难以建立长输天然气管道的事故应急救援组织体系及应急指挥决策系统。

2 风险评价复杂性

在系统地辨识长输管道的危险和有害因素的基础上，预测其风险程度是风险控制的重要基础。通过对湖州至杭州天然气长输管道、宁波至杭州成品油长输管道的风险评价工作，发现现有的定性或定量管道风险评价方法，有的不能充分反映管道的风险程度，有的需要结合国情作适当调整。

2.1 肯特管道风险评价

肯特（W.Kent Muhlbauer）管道风险评价法是一种长输管道风险评价方法[6]。其基本思想是：先对管道进行分段，再求取各段管道的相对风险数。相对风险数越大，说明风险越小，管道越安全。相对风险数是指数和与泄漏影响系数的比值。指数包括四个方面：第三方破坏指数、腐蚀指数、设计指数和错误指数；泄漏影响系数是介质危险指数和影响系数的比值。肯特管道风险评价方法的主要工作就是进行这些参数的赋分。

这一评价方法存在以下一些问题：

（1）对于管道的一些重要指数没有定量计算，仅按照评价经验主观赋分。如管道埋深和土壤移动指数，在软土地基上的管道，没有充分考虑到过量沉降和不均匀沉降的影响；泄漏分值，只考虑泄漏量大小，没有考虑与泄漏介质引起的中毒、火灾、爆炸危险程度密切相关的泄漏点附近的局部地貌（包括建筑物、构筑物等）和泄漏时的气候条件。

（2）由于肯特风险评价方法是以美国运输部的实际运行经验和相关部门的研究结果为基础的，国内长输管道设计、建设、运行、管理等技术水平与国外有较大差距。如单号呼叫系统未完全执行、管道操作人员上岗前均未药检、管道设计执行的规范标准不同等。肯特风险评价法中的某些评分原则在我国并不适用，必须视具体情况作适当调整。

（3）与发达国家相比，我国在用长输管道有两大不足之处：一是由于历史原因管道中存在超出制造标准的先天性缺陷；二是由于管道设计没有强调“设计寿命”概念等原因造成的超期服役。由于肯特法中假定长输管道的设计、制造都满足规范标准要求，因此未考虑超标缺陷和超期服役对管道风险的影响。

2.2 介质泄漏扩散危险有害程度评价

介质泄漏扩散通常采用高斯（Gaussian）模型、Sutton模型和重气模型等来描述[7]。长输管道油气介质泄漏扩散危险有害程度一般采用帕斯奎尔-吉福德（Pasquil-Gifford）模型来评价[8]。该模型是一种简化的高斯模型，其基本思想是：先根据柏努利方程计算出管道事故的泄漏量，或者在风险评价中根据工程实际情况假设一定的泄漏量，再根据泄漏所在地的气候条件与地理特征，选用相应的帕斯奎尔-吉福德参数进行评价，以确定泄漏范围和程度。

这一模型没有考虑泄漏点附近建筑物对介质扩散过程的影响。江南地区的长输管道沿线往往有建筑物，会影响介质的扩散过程。对于穿越河流、湖泊等水域的长输管道，还应考虑水流、潮水、风的联合作用，分析油在水中扩展造成的危害[9]。此外，油泄漏后在土壤中扩散还会造成污染危害。

2.3 介质燃烧、爆炸危险有害程度评价

天然气和原油、成品油等在泄漏后遇点火源，会产生火灾、爆炸危害。蒙德法和DOW化学公司火灾、爆炸危险指数评价法等可以对其进行危险有害程度评价[10]。根据流体力学和燃烧学推导出的理论模型，可以更清楚地确定长输管道火灾、爆炸危险的有害程度，因此也可用于长输管道风险评价。在原油和成品油库如果油罐发生破裂，液态油会充斥一定范围，发生池火灾，可以采用池火灾危险评价方法来评价[11]。天然气管道发生破裂，高速天然气喷出，遇火源发生喷射火灾，可以采用喷射火灾危险评价方法来评价。计算喷射火的火焰长度是危险评价中最重要的参数之一，按照可测得的介质参数和火焰参数，可以选用霍索恩法（Hawthorne），Hustad和Sonju法，Brzustowski法和Guenther法等来计算[12]。对于达到爆炸极限的天然气云，遇到火源会发生爆炸事故，TNT当量法为常用的评价方法。

池火灾危险评价方法中没有考虑周围设备或建筑物对辐射的影响。喷射火的喷射气流为非稳定流体，其喷射火焰的长度会受周边建筑物的影响，并因而改变其影响范围[13]。TNT当量法太过于简单，在考虑爆炸冲击波的时候，没有考虑冲击波与建筑、设备的相互作用[14]。

3 相关对策

为提高江南水网地区软土环境长输管道的安全技术水平，应加强以下几个方面的研究。

3.1 长输管道定量风险评价方法

结合流体力学、气体动力学、燃烧学等专业知识，进行事故模拟分析，建立以量化分析为核心的长输天然气管道风险评价方法。

长输管道中的油库等属于高风险装置群，装置中的内、外可燃气体爆炸会对周围装置产生危害。因此，有必要揭示火灾、罐内介质状态变化和罐体强度间的耦合关系，寻求切实有效的灾害控制技术，如确定经济合理的油罐、天然气储罐防火间距等。

3.2 水网地区软土环境下长输管道力学特性和设计方法

我国长输天然气管道的建设还刚刚起步，现有的天然气管道主要分布在华北和中原地区的油气田区域。由于浙江的自然环境和社会环境与华北、中原地区有很大差异，现有的设计、施工规范标准并不完全适用于浙江长输天然气管道。

应针对长输管道沿线水网地区软土环境的特点，研究弹性敷设管道受软土地质条件而产生的力学响应特性以及穿越水网时的管道与土壤接触挤压问题，研究软土环境下长输管道的设计方法和穿越对管道影响的计算方法。

应利用先进的大型模拟和仿真软件建立长输管道的环境灾害危害程度分析模型，通过沉降过程的模拟，揭示长输管道沉降量、偏移量等与其安全性之间的定量关系，建立失效判据和相应的设计准则。

在该地区新建管道工程上采用软土地基加固技术对管道地基进行处理。目前对软土地基的处理方法有：灰土垫层、素土垫层、砂和砂石垫层、强夯法等。可按照现场实际情况选择经济合理的地基处理方法。

3.3 基于GIS的长输管道事故应急指挥辅助决策系统

研究长输管道应急救援预案，开发事故危害程度评价和分级软件。选择示范管道工程，以地理信息系统（GIS）为平台，建立长输管道信息数据库，集成长输管道事故危害程度预测和评估方法，开发长输管道事故应急指挥决策系统。系统在接到各类报警信息后，可为决策者及时、直观、形象地提供长输管道的信息（逃生路线、进场路由等），进行危险程度评估和分级，并按照应急事故等级分类，启动相应的应急预案，调动抢修、排障队伍[15-16]。

3.4 长输管道移动情况的实时检测技术

研究长输管道沉降、漂浮实时检测技术，监测管道移动情况，分析由此造成的危害。

3.5 长输管道实时泄漏检测方法的研究

如果可以实现长输管道实时泄漏检测，则可以在最少时间内遏制重大事故的发生，减少事故损失。因此，应当研究简单、可靠的实时微量泄漏监控技术，包括检测信号的提取、传输和分析方法。国外在这一方面进行了很多试验研究，例如在管线上布置气体浓度传感器，再通过远程信号传输的方式集中分析，然后将泄漏位置实时确定。实时检测信号的提取、传输和分析需要相应的软硬件支持，这是实时泄漏检测重要的环节，长输管道实时泄漏检测方法的研究也就是对应着这三个方面的研究。

4 结论

随着“西气东输”等项目的完成和城市化速度的加快，江南水网软土环境油气长输管道数量快速增长。由于江南油气长输管道具有地下水位高、基础容易沉降、沿线人口稠密、经济繁荣等一系列特点，目前国内对其安全性高度重视。本文对江南水网软土环境油气长输管道的特点进行了分析研究，结合湖州至杭州天然气长输管道、宁波至杭州成品油长输管道的风险评价工作，指出了现行的长输管道风险评价方法在江南水网地区软土环境油气长输管道评价时存在的问题，并在深入分析的基础上提出了若干对策。

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Complexity and Countermeasure of Long Distance Pipeline Risk Assessment in Jiangnan River Network Region

Wei XinhuaXia FuyongHe ChengdaiYu BingLiu YanleiWang Fei

The characteristics of long distance oil and gas pipeline in soft clay of Jiangnan river network region are studied,and the problem of different assessment for pipeline is put forward combining the assessment of gas pipelines between Huzhou and Hangzhou and oil pipelines between Ningbo and Hangzhou.Furthermore,some advices for improving the safety level of pipeline in this region are brought forward on the basis of indepth analysis.

Long distance pipeline；Soft clay；Risk analysis；Risk assessment；Countermeasure

TQ 055.8

*资助项目：国家质检公益性行业项目（201110025）。

**韦新华，男，1965年生，高级工程师。杭州市，310003。

2012-04-06）