油气管道全生命周期安全监测预警探析

2017-07-10李明吴斌刘思良陈天民张廷廷

当代化工 2017年7期

李明　吴斌　刘思良　陈天民　张廷廷

摘要：基于国内外油气管道安全事故统计分析，指出管道事故主要致因为外部干扰、腐蚀、材料失效以及自然灾害，其中第三方损坏是我国管道失效事故首要因素，提出应开展全生命周期管道安全监测预警进行风险防控，从源头做好风险防控和失效防护；分析国内外管道安全监测预警技术与管理现状，探讨监测预警技术对全生命周期管道安全监测预警的适用性、可行性、经济性，提出光纤传感、声波、视频安防、地质灾害监测、腐蚀监测等对油气管道风险防控具有较高的适用性和经济性；应加强管道安全预警技术性能评估方法和适用性准则研究，建立涵盖技术选择、系统设计、建设施工、运行评价的综合监测预警管理体系和运行机制，并有效纳入管道完整性管理体系范畴。

关键词：油气管道；全生命周期；监测预警；完整性管理

中图分类号：TE88；TE988 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1385-04

Analysis on Safety Monitoring and Early Warning on Oil/Gas Pipelines

LI Ming1， WU Bing2， LIU Si-liang2， CHEN Tian-min2， ZHANG Ting-ting2

（1. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， SINOPEC， Liaoning Fushun 113001，China；

2. Yulin-Jinan Gas Pipeline Division of Nature Gas Company， SINOPEC， Shandong Jinan 250101，China）

Abstract： Main reasons of pipeline accidents were analyzed based on oil and gas pipeline safety accident statistics at home and abroad， such as third party damage， natural and geological disasters， corrosion and material failure. The third party damage was the primary factor of pipeline failure in China， and the whole life cycle pipeline safety monitoring and early warning should be carried out for risk prevention and control from the sources. Current situation of pipeline safety monitoring and early warning was analyzed， as well as the applicability， feasibility and economy of various monitoring techniques， in which the optical fiber sensing monitoring， sound monitoring， video monitoring， geological disaster monitoring and corrosion monitoring were most applicable technology for full life cycle pipeline risk prevention. The research on the evaluation method and applicability criterion of pipeline safety early warning technology should be strengthened. The comprehensive monitoring and early warning management system including technology selection， system design， construction and operation evaluation should be established and effectively incorporated into the pipeline integrity management system.

Key words： Oil and gas pipeline； Full-life cycle； Monitoring and early warning； Integrity management

近年來，随着我国经济发展和科技进步，油气管道增长迅猛。由于受到管道路由、设施投资、区域经济等诸多因素限制，油气管道不可避免会经过人口密集、地质灾害、经济发达等高后果、高风险区域，一旦发生泄漏极易引发火灾、爆炸等重大事故，造成严重损失和巨大社会影响。

国内外经验表明：推广应用完整性管理技术，特别是引入全生命周期完整性管理是保障管道本质安全的根本[1]。全生命周期管道完整性管理是指在管道设计建设期以及运行期不断识别出管道可能发生的风险，并采取合适的控制措施，实现管道本质安全。安全监测可以实时掌握管道风险水平并提前预警而成为一种重要的风险防控手段[2]。我国当前处于油气管道的大发展时期，如何科学高效地实施全生命周期管道完整性管理安全监测预警并形成标准体系是当前管道行业面对的重要课题。

1 油气管道危害因素

1.1 管道事故致因统计

据美国运输部（PHMSA）统计，自1994年至2013年美国共发生各类管道事故10 620起，其中材料失效因素占28.7%，腐蚀与挖掘破坏分别占18.3%和17.8%（见表1）[3]。加拿大国家能源局（NEB）统计，1992-2011年加拿大发生各类管道破裂事故34起，其中管道开裂事故11起，金属损失事故9起，外部影响、材料、地质灾害事故各2起，其他原因5起。欧洲输气管道事故数据组织（EGIG）统计，外部干扰破坏引发的管道泄漏事故最多达到48.4%，其次是制造缺陷/材料失效和腐蚀，分别为16.7%和16.1% [4]。我国四川输气管道1969年至2003年事故统计表明腐蚀、施工缺陷、外部干扰以及材料缺陷是事故主要致因[4]；针对我国2004-2013年可检索到的28起重大管道泄漏事故中，其中第三方施工导致10起占比36%，打孔盗油7起，地质灾害3起，腐蚀2起，设备材料导致3起，操作不当1起，其余2起原因不明[4]。

1.2 管道事故危害因素分析

国内外管道事故统计表明，尽管各国或组织对管道事故类型和原因划分存在一定的差别，但整体上外部干扰、腐蚀、材料失效以及自然灾害是诱发管道事故的最主要因素。国内管道事故早期危害因素主要为管道腐蚀，但随着近十余年经济建设快速发展，第三方损坏因素上升并成为首要危害因素，其次为自然与地质灾害、腐蚀和材料失效[5]。

显然，如果针对管道实施全生命周期安全监测预警，可以对管道设计建设阶段以及运行阶段识别出的高后果、高风险因素从源头上实施安全监测与风险防控，并提供管道原始安全状态数据，提升管道监测预警精度和安全管理水平。

2 油气管道监测预警现状

2.1 管道监测预警技术现状

2.1.1 光纤传感监测预警

分布式光纤传感基于光纤散射及干涉原理实现管道温度、应力、泄漏以及安全防御等监测预警，如日本ANDO公司研制的光纤应变/损耗分析仪可检测光纤沿线80 km的应变信息[6]。英国QinetiQ公司产品Opta Sense利用通信光缆监测50 km内管道附近人员、车辆和机器等[7]。澳大利亚FFT公司的分布式光纤管道安全防御系统可检测管道泄漏、挖掘、机械施工等事件[8]。国内中石油管道科技中心研制的管道分布式光纤预警系统可对人工破坏、机械挖掘等分类报警和准确定位[9]。准分布式光纤光栅传感多用于管道局部敏感危险点的监测，如英国Smart Fibers公司开发的4通道光纤光栅传感分析仪可用于监测变化很慢的应力、温度和压力[10]。

2.1.2 功能化安全监测预警

针对管道外部干扰，美国GE公司开发了Threat Scan声学入侵探测系统并被美国和欧洲管道公司广泛采用；美国Magal Senstar公司开发的Dream Box视频图像探测系统可实现各类破坏行为的报警[7]。美国CORTEST公司针对管道内腐蚀开发了MICROCOR磁感应传感器和监测系统评估管内介质腐蚀能力与腐蚀状态[11]。针对管道外腐蚀，美国INCON公司的TS-CPM阴极保护监测系统可实现恒电位仪输出电压、电流、管地电位和杂散电流等的远程监测[12]。美国ASI公司开发的 Wave Alert音波管道泄漏检测系统在美国、澳大利亚和我国的20 多个管道工程得到应用[13]。国内中石油管道科技中心等单位开发了管道声波预警、地质灾害预警、智能阴保监测和音波泄漏检测等实用化安全监测系统并局部应用[9，14]。

2.2 管道监测预警管理现状

欧美国家管道安全监测体系较为完善并得到法律保障，如美国2006年发布的《管道检测、保护、实施及安全法案》。国内较多规范涉及管道安全监测，如SY/T 6186《石油天然气管道安全规程》中提出油气管道安全设施包括有毒有害气体监测报警系统、腐蚀控制与监测系统、自然灾害防护和安全保护设施等，GB 32167《油气输送管道完整性管理规范》中指出对管道第三方损坏、自然与地质灾害以及腐蚀等风险应实施监测或安全预警等控制措施，SY/T 6827 《油气管道安全预警系统技术规范》中提出管道安全预警系统可选择光纤预警、声波预警、智能防腐层预警、视频安全监控等技术，但尚未建立系统的管道监测预警标准体系。此外，国内管道企业开展安全监测预警多集中于在役管道的单一风险因素管理及应急管理[15]，如西气东输一线管道针对地质灾害建立了沿线地质灾害风险前期监测网和监测预警体系[16]，港枣管道针对外部破坏建立了管道声波预警系统和技术体系[9]，东黄管道针对管道外腐蚀应用了极化电位检测与无线远传实时掌控阴极保护真实状态[17]；此外，各企业开展安全监测预警时间不同，技术水平参差不齐，与管道完整性管理系统结合度不高。

3 油气管道全生命周期监测预警

3.1 管道监测预警技术适用性

油气管道实施监测预警风险防控，首先应基于管道高后果区、风险评价及危险源识别等确定管道敏感因素，并依此制定安全监测目标与指标，综合考虑不同技术的性能特点、施工难度及投资费用等综合评估选取（见表2）。

光纤传感监测预警通过获取管道沿线及重点区段温度、应力及振动信号识别并定位异常事件，如机械/手工挖掘、车流负载、钻孔施工、农业耕种、表面爆破、管道泄漏、自然及地质灾害、管道应变/变形等，因而适用于管道人口密集區、工业区、地质灾害区以及管道转弯处、接头部位等区域。声波监测预警采用高灵敏度传感器检测管道沿线机械挖掘、打孔盗油等异常声波信号而判别预警，因此对管道无光缆管段、打孔盗油易发区以及高后果区等较为适用；视频安防监测适用于管道高后果区、站场、库区、阀室、隧道、穿跨越等重点区域，实现外部入侵实时预警；声波监测预警和视频安防监测预警初期投资较高，可依防护目标和监测指标局部选用。

管道布设地质灾害监测预警系统，可在设计建设期即评估管道沿线地质灾害与管道位置和危险性，掌握管道初始结构状态，对运行期管道失效状态准确判断预警；系统通常局部应用，投资适中。音波泄漏监测和光纤气体传感对管道泄漏风险能实现较好的预警，但均属于事后预警，同时音波泄漏监测预警投资较高，且对运行压力较高管道布设音波探头存在一定风险。针对管道介质流速、高程变化，存在外界干扰等重点区段部署腐蚀监测可以掌握管道腐蚀规律和趋势，评估和检验腐蚀控制技术效能。针对水域大开挖穿越管道安全监测预警的标记漂浮物技术，可结合管道建设施工在穿越段布设固定线、固定链和标记漂浮物等实现穿越管道裸露悬空的安全监测[18]，系统施工简单，投资较低。

因此，针对全生命周期管道安全监测预警，应用光纤传感安全监测、声波监测、视频安防监测、地质灾害监测、腐蚀监测可有效实现第三方损坏、地质灾害、腐蚀等风险因素的预警防控，且监测预警精度高、整体投资适中；针对高后果区、重大危险源等重点区域，还可以复合使用多种技术；在管道设计建设阶段即部署监测预警系统，还可与管道建设工程同期配套施工，有效降低投资并避免了管道运行阶段安装须停产或带压安装风险。

3.2 管道监测预警技术规范建立

选择监测预警技术需考虑管道环境条件和需求并结合不同技术特点。现行的SY/T 6827油气管道安全预警系统技术规范仅涵盖光纤预警、声波预警和视频监控等技术内容，对监测预警技术选择依据、管道监测预警实施技术要求等内容也未涉及。因此，有必要开展管道安全预警技术性能评估方法和适用性准则研究，明确不同监测预警技术适用性条件和针对全生命周期不同阶段管道实施技术要点，建立系统的油气管道安全监测预警技术规范，为企业科学应用安全監测预警技术提供量化标准和科学依据。

3.3 管道全生命周期监测预警体系

监测预警体系建设是保障管道安全的有效方式。对油气管道全生命周期面临的多风险因素防控，应系统化考虑并设计安全需求和技术方案，建立涵盖监测预警技术选择、监测预警系统开发、与管道工程配套施工、全维度监测预警运行、信息安全评价预警的综合技术体系，并与完整性管理系统进行集成和数据库共享，实现运行参数、管道结构、油气泄漏、腐蚀防护、外部干扰等多种信号的多功能、一体化监测预警管理；此外，应构建企业全维度安全监测预警技术规范、操作程序、实施细则、决策支持等管理体系和运行机制，细化全生命周期管道安全监测预警技术要点与决策支持，重点开展全维度监测信息的综合风险分析，将油气管道安全监测预警有效纳入全生命周期管道完整性管理体系范畴。

4 结论

（1）国内外管道事故统计表明，外部干扰、腐蚀、材料失效以及自然灾害是管道事故主要致因，其中第三方损坏是我国管道失效事故首要因素；有必要开展管道全生命周期安全监测预警建设，从管道设计建设源头做好风险防控和失效防护，提高监测精度和预警效率。

（2）针对管道全生命周期监测预警，管道光纤传感、声波、视频安防、地质灾害、腐蚀等监测预警技术对油气管道第三方损坏、地质灾害、腐蚀等风险因素防控适用性和经济性较高，并可与管道建设工程同期进行监测预警施工，降低施工风险和投资。

（3）有必要开展管道监测预警技术规范及体系建设，加强管道安全预警技术性能评估方法和适用性准则研究，建立预警技术选择、监测预警系统开发、与管道工程建设配套施工、全维度监测预警运行、信息安全评价预警的综合体系和运行机制，并有效纳入管道完整性管理体系范畴。

参考文献：

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[2]王全国，贺帅斌，党文义.油气管道安全预警技术性能评估研究[J].中国安全生产科学技术，2013，9（1）：98-102.

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