低温冻土区油气管道失效事故分析

房剑萍　段庆全

中国石油大学(北京)机械与储运工程学院,　北京　102249



低温冻土区油气管道失效事故分析

房剑萍段庆全

中国石油大学(北京)机械与储运工程学院,北京102249

摘要：近年来,随着冻土区油气资源的开发和利用,冻土区管道运输受到越来越多地关注。由于冻土区域地质与环境的特殊性,对管道运行具有严重的不利影响,因此,对冻土区域的油气管道事故进行分析显得尤为重要。对近年来美国与加拿大输油气管道事故进行数据统计与分析,比较冻土区与非冻土区管道事故的区别与联系；参考相关文献,将冻土区管道事故原因分为7类：融沉、冻胀、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水。对此数据进行统计与分析为我国冻土区的油气管道事故分析、应急处理、风险管理等提供参考,也为冻土区管道的设计、施工及其冻害防治等提供科学依据。

关键词：油气管道；冻土；冻胀；事故分类

0前言

目前,随着温暖地区油气资源的日益枯竭,多年冻土地带的油气资源得到了普遍关注[1]。由于冻土区蕴含大量的油气藏,且非冻土区的油气资源开采成本不断上升,因此,很多跨国石油公司和政府都将开发冻土区域油气资源作为长期发展计划的重要部分。但冻土区尤其是多年冻土区地质条件复杂,管道有别于温暖地区管道。冻土环境直接影响了冻土区油气管道的安全运营,一旦发生事故,会给人们的生命财产及生态环境造成很大危害。如Canol管道在敷设完成后的第二年发生了冻土融沉事故；美国的阿拉斯加(Alaska)输油管道也发生过严重的融沉和冻胀问题,造成部分埋地管段失稳,经济损失惨重[2]；中国的格拉输油管线由于冻胀和融沉问题造成多次露管现象和泄漏事件,经济损失严重[3]。因此,对冻土区域尤其是多年冻土区域的管道失效事故案例的统计与分析显得尤为重要。目前，美国的OPS、NTSB、PHMSA,欧洲的EGIG,加拿大的NEB，英国的UKOPA等机构在这方面都做了相关工作,中国石油天然气管道局、中国特种设备监测研究院等机构也做了相关工作[4]。文中以美国和加拿大冻土区管道失效事故案例为依据进行调查分析,全面掌握管道事故的次数、损失及原因,从而掌握冻土区域管道失效事故发生的规律性,进一步为冻土区管道的设计、施工，冻害防治，事故预防和事故应急以及制定管道运行工作方针、政策提供科学依据。

1冻土区管道事故原因分析

近些年,美国、加拿大等国为解决能源危机,加快了开发北极和北极近海等多年冻土区能源的步伐,管道事故也是屡见不鲜,同时造成了财产损失、人员伤亡、环境破坏等危害。以美国与加拿大的冻土区管道事故案例为依据,对冻土区域管道事故原因重新分类。参考相关文献[5-10]和事故报告[11-15],将冻土区管道事故原因分为冻胀、融沉、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水7类,但这7类事故原因有些为冻土区域所特有,而有些如露管、地震等并不是冻土区域独有的现象,在非冻土区也时有发生,但在冻土区事故后果更加严重,这主要与冻土区域的自然环境与地貌特征有关。

采用定性分析方法对以上7种事故原因进行风险分析,把发生事故的可能性与严重度分别划分成不同等级,并根据经验及相关资料确定发生事故的可能性与严重度,以事故严重度为横坐标,事故发生可能性为纵坐标,画出风险分析矩阵,见图1。可能性与严重度等级的不同组合可以区分不同事件所导致的风险程度。根据事件导致的事故后果制作表1,对7种管道失效事故原因进行对比分析,包括是否为冻土特有、易发季节、引起原因、影响、可能性、严重度和风险等级。

图1　风险分析矩阵

由表1可知，冻胀、融沉、露管的风险等级最高,为Ⅳ级。这是因为冻胀、融沉是冻土区常见也是容易发生的管道失效事故,且可能造成严重后果；露管事故的后果虽然不严重,但发生的可能性较高,冻胀、融沉、地震、滑塌、洪水都有可能造成露管的发生,因此风险等级也是Ⅳ级。冰堵、地震、一般斜坡滑塌、季节性冻土区斜坡滑塌、暴雨洪水的风险等级为Ⅲ级,融雪洪水、冰凌洪水的风险等级为Ⅱ级。根据表1及冻土区域某一管线周围环境可以预测该管线可能发生事故的类型、时间、原因、后果等情况,可以采用适当的方法及预防措施以减少管道事故发生的可能性。

表1冻土区油气管道事故原因对比分析

分类冻胀融沉冰堵天然气管道冰堵输油管道冰堵露管地震滑塌洪水一般斜坡滑塌季节性斜坡滑塌暴雨洪水融雪洪水冰凌洪水是否为冻土特有是是是是否否否是否是是易发季节冬(季节性)春(季节性)冬(季节性)冬(季节性)全年(永久性)春夏(永久性)全年(永久性)全年(永久性)全年-全年春夏春夏秋春夏(特殊地区除外)秋末初春引起原因低温导致的土体冻后膨胀升温导致的冻土融化后土体压密天然气水露点高,管中存有液态水地温太低,管中存有液态水冻胀、热融滑塌、冻土融化、取土不当,河流冲刷、埋深不足-河流、雨水积雪、地下水使土体失稳斜坡土体产生冻胀、融沉,春季冻结土体融化降雨量大积雪或冰川在春夏季节因气温升高融化封冰期河流积聚的水量在解冻期急剧释放下泄影响管道弯曲变形管道弯曲变形管道堵塞停运管道堵塞停运管道弯曲变形管道开裂错断管道弯曲变形管道弯曲变形移位断裂泄漏移位断裂泄漏移位断裂泄漏可能性容易发生容易发生偶尔发生不常发生非常容易发生不常发生偶尔发生偶尔发生容易发生偶尔发生偶尔发生严重度ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅡⅡⅡⅡⅡ风险等级ⅣⅣⅢⅢⅣⅢⅢⅢⅢⅡⅡ

2国外冻土区管道事故统计分析

2.1美国管道事故统计分析

2.2加拿大冻土区域管道事故统计分析

根据加拿大能源管道协会(CEPA)统计,加拿大各类地下油气管道总长约84×104km,其中运输干线为11.3×104km,包含天然气管道77 750 km、液体管道37 388 km[16]。本文统计分析的加拿大管道事故均来自于加拿大运输安全委员会(TSB)的输油气管道事故报告。本文对1992～2012年之间的86篇管道事故报告进行了详细统计,得出加拿大冻土区管道失效事故原因与冻土区管道腐蚀分类的饼状图,见图3。

图2　美国冻土区与非冻土区的管道事故原因对比图

图3　加拿大冻土区域管道失效原因图

3结论

1)与美国相比,加拿大冻土区域管道更容易发生管道腐蚀事故,而美国冻土区管道失效的主要原因是外部干扰。这是由加拿大冻土区的地质条件所决定,如土壤电阻率，pH值低也会促进管道的腐蚀进度。我国黑龙江北部情况和加拿大情况相近，而新疆及西藏冻土区域与加拿大则不尽相同。

2)通过对冻土区管道事故案例的分析总结,将冻土区油气管道事故原因分为冻胀、融沉、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水7类。其中冻胀、融沉、露管是最主要原因,应采取措施加以防范。

3)由于冻土区域地质与环境的特殊性,冻土对油气管道运行具有严重的不利影响,使得事故屡有发生,造成重大的人员、财产损失。大多数北半球的国家为此问题所困,冻土区油气管道得到了广泛重视。但我国对冻土区管道的设计、施工、应急处置、运行管理等科学技术难题研究不足,尤其是管道工程的研究,对事故案例缺乏足够的统计与全面分析。因此,对该类事故案例的统计分析尤为重要。

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收稿日期：2016-02-29

基金项目：中国石油大学(北京)青年教师专项培养基金项目(KYJJ 2012-04-26)

作者简介：房剑萍(1989-)，女，河南商丘人，硕士研究生，从事油气生产装备失效分析与完整性管理等研究工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.002