神渭输煤管道运行风险预评价

张英楠

(陕西神渭煤炭管道运输有限责任公司，陕西 西安 710001)

0 引言

神渭输煤管道是中国第一条自主研发的输煤管道，也是世界上规模最大，最长的输煤管道工程。此管道输煤工程对国内煤炭运输技术来说是一个巨大的挑战，也是一个具有战略意义的巨大创新实践。管道的安全性和可靠性是管道运输企业的关键需求。长输管道的风险大多是可控的，可以通过优化工艺流程、严格管理程序、提高人员素质来防控。而不可抗力可以通过科学的分析研究最大化的进行规避和预防。

长输管道的风险分析，由于输送介质、路由条件、技术水平和人们的安全感知等因素的差别，分析角度也不尽一致。神渭输煤管道作为亚洲第一条长距离输煤管道，国内对于其运行风险和安全管理的研究尚处于起步阶段，相关资料较少。针对神渭管道输煤工程，结合工程实际情况，分析影响神渭输煤管道安全生产运行的危险有害因素，选择采用因果图分析法、事故树分析法进行预评价，得出预评价结论，为企业提升经济效益和安全生产管理水平提供依据。

1 长输管道常见运行风险因素

1.1 管道故障及失效

管道故障是指输煤管道运行中因穿孔、破损、介质分层和沉积引起的管道堵塞。自控系统的误操作、通讯系统的中断及设备发生机械故障等造成管线紧急停车的事件。

管道失效是故障的升级，管输介质泄漏造成灾害，管道发生全断面堵塞，自控系统瘫痪，泵输工艺设备损坏报废等严重事件都称之为失效[1]。

1.2 管龄差异导致的风险

通过分析国内外长输管道的运行经验，管道风险通常随着管龄的增长而变化，其根据时间可分为3个阶段。

初生期(5年以内)：这一时期一般处于管道的投产试运行阶段，管道发生故障及失效的风险较大，其因素主要有设计缺陷及施工质量问题，人员业务技能不高、运行经验不足造成的误操作，新设备磨合的机械故障等，但随着运行经验的增加及不断的技改，其风险会逐渐降低。

成熟期(5～20年)：此为管道运行的“黄金时期”，人员素质、设备状态等各方面趋于稳定，管道风险较低，其因素主要有第三方破坏、材料缺陷、腐蚀等。

衰老期(20年以后)：随着管道衰老，管道风险逐渐增大，最终达到其使用寿命。主要因素是第三方破坏、腐蚀等。

神渭输煤管道设计使用年限30年，计划于2019年投产试运行，正处于管道初生期。

1.3 基于管道事故数据库的危险因素

国外著名的相关管理研究机构，如美国管道和危险材料安全局(Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration，PHMSA)、欧洲输气管道事故数据组织(European Gas Pipeline Incident Data Group，EGIG)、英国陆地管道经营者协会(United Kingdom On shore Pipeline Operator’s Association，UKOPA)、加拿大国家能源局(National Energy Board，NEB)等均对管道事故进行了大量的数据统计及分析研究。

按照美国 ASME B31.8 S—2004《输气管道完整性管理》的划分类别的方式，导致管道发生事故的原因有腐蚀、第三方破坏、材料失效、误操作、自然灾害、其他外力破坏以及其他的未知原因等7类。PHMSA对1988—2008年美国所有重大管道事故的原因进行了比较和分析，具体如图1所示。

图1 1988—2008年美国不同重大管道事故原因所占比例

UKOPA计算了管道发生事故的概率及严重结果，在此基础上为管道的设计、施工和运行维护给出了科学的指导意见，在数据库中管道事故的计算过程中，运用可靠性理论，推导了管道失效的机率[4]。UKOPA分析了管道事故发生的原因，具体为第三方破坏、腐蚀、材料缺陷、自然灾害和误操作等，如图2所示。

图2 UKOPA管道事故原因统计图

中石油管道局自2007年起也开始对其所属管道的失效相关数据的采集和分析研究，在深入调研了国外成熟的管道事故数据库的基础上，结合自身实际情况，于2009年建立了石油和天然气管道失效的数据库。通过对数据资料的统计分析，我国管道事故率比发达国家高出许多，安全隐患突出[5-6]。

通过对以上国内外管道事故数据库的研究分析，结合神渭输煤管道的实际情况，概括导致神渭输煤管道失效的危险因素主要有以下几点。

内部因素：指管道自身的，可通过技术措施和管理手段进行改善的因素。主要有以下几点。①设计缺陷—由于前期工程勘察、工艺方案、设备选型未考虑全面，导致在管道运行中存在一些潜在的缺陷;②施工质量—在管道下沟、焊接、补口、回填及通球试压等各环节中，由于施工组织或施工工艺不当，造成管道或设备损伤，未达到设计标准而导致性能降级；③材料缺陷—包括管材初始缺陷和施工缺陷，这些缺陷会降低管道的整体强度，直接影响管道的可靠性和使用寿命；④腐蚀—腐蚀包含外部腐蚀、内部腐蚀和应力腐蚀，土壤、阴极保护失灵和绝缘层损伤会引起管道的外部腐蚀。输送介质的腐蚀将导致内部腐蚀，应力腐蚀则是由于施工和安装过程中的不合理导致的；⑤误操作；⑥第三方破坏—包括人为因素和自然灾害破坏。如管顶上方取土及压占，野蛮施工，管线周边或穿越段遭遇滑坡、泥石流等地质灾害，都可能导致管道失效；⑦设备性能—包括主泵及供辅设施，其产品性能直接影响着工艺系统设置及运行安全；⑧通讯故障；⑨煤浆质量—浆体粒径过大浆体分层、造成堵管和加速磨损管道。浆体粒径过细粘度增加、屈服应力加大、沿程阻力加大，必然增加主泵负荷、加大管道承压特性。

外部因素：指除去管道自身的，通过各种方法不可改变或改善很小的因素。主要有以下几点。①管道沿线的自然条件(如土壤的腐蚀率)和社会条件(如治安环境)；②供电风险—保持不间断供电是保证管道安全的必要条件，泵站长时间停电，特别是短时间内多次停电对设备的冲击和管道的安全影响是非常巨大的。外部供电不可控的因素多，一旦受灾导致双回路停电，容易导致严重事故；③供水风险—管道的供水是浆体管道输送的充要条件，任何时候各个泵站都必须保证有足够的水把本站到下级泵站的管道内的浆体全部推完，以备发生紧急情况时的故障处理使用。中间泵站一旦水源出现问题，检修或事故时没有足量的水来冲洗管道，容易产生或扩大事故。

2 神渭输煤管道运行风险预评价

2.1 因果图法分析

将输煤管道失效作为研究目标，通过前文中基于管道事故数据库的危险因素辨识，分析所得的输煤管道事故主要原因，构建出因果图的主要枝干，针对其潜在因素进行分析，构造出因果图的中枝，并根据需要继续分析找出小枝和细枝，直至不能再分解为止。输煤管道失效因果图如图3所示。

图3 输煤管道失效因果图

通过对输煤管道失效原因的研究，进一步分析了输煤管道失效的子因素构成，结合国内外管道失效数据库的统计分析和神渭输煤管道的运行特点，建立了输煤管道失效因果图，定性分析出对输煤管道失效产生影响的主要原因有：第三方破坏、腐蚀、材料缺陷、误操作和其他因素等。

2.2 事故树法分析

输煤管道在运行过程中，受到相关因素等影响，导致部分管段发生失效，这直接影响着管道的安全运行和管道的使用寿命。通过对输煤管道系统进行可靠性分析，可以找出管道的主要失效形式、失效因素，有针对性地在输煤管道施工及运行中采取相应的措施，从而提高输煤管道的可靠性，延长使用寿命。

事故树：输煤管道事故树如图4所示，事故树中各符号对应的事件见表1。

最小割集计算：最小割集计算见式(1)。

T=A1+A2

=B1+B2+B3+X20+B4+B5

=B1+X6D1D2+C2+C3+C4+X20+C5+C6+C7+C8

=B1+X6D1D2+C2+C3+C4+X20+X6X21X22D3+X6D4D5+X32+D6+C8

=B1+X6D1X10E1+C2+X16C3+C4+X20+X6X21X22D3+X6X10E1D5+X32+D6+C8

=X1+X2+X3+X4+X5+X6(X7+X8+X9)X10

图4 输煤管道事故树

表1 符号事件对应表

(X11+X12+X13)+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X6X21X22(X23+X24+X25+X26+X27+X28)+X6X10(X11+X12+X13)(X37+X38+X39+X40)+X32+X29+X30+X31+X33+X34+X35+X36

=X1+X2+X3+X4+X5+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X29+X30+X31+X32+X34+X35+X36+X6X7X10X11+X6X7X10X12+X6X7X10X13+X6X8X10X11+X6X8X10X12+X6X8X10X13+X6X9X10X11+X6X9X10X12+X6X9X10X13+X6X21X22X23+X6X21X22X24+X6X21X22X25+X6X21X22X26+X6X21X22X27+X6X21X22X28+X6X10X11X37+X6X10X11X38+X6X10X11X39+X6X10X11X40+X6X10X12X37+X6X10X12X38+X6X10X12X39+X6X10X12X40+X6X10X13X37+X6X10X13X38+X6X10X13X39+X6X10X13X40

(1)

通过计算，输煤管道事故树最小割集有47个，其中单事件最小割集20个，4事件最小割集27个，具体见表2。

结构重要度分析：事件X1～X5、X14～X20、X29～X36是单事件最小割集，结构重要度最大；在4事件最小割集中，事件X6出现了27次，事件X10出现了21次，事件X11、X12、X13各出现了7次，事件X21、X22各出现了6次，事件X7、X8、X9、X37、X38、X39、X40各出现了3次，事件X23、X24、X25、X26、X27、X28各出现了1次。

失效原因：通过对输煤管道事故树及最小割集的分析计算，发现管道失效的主要原因有第三方破坏、误操作、材料缺陷、腐蚀等4个方面。

表2 割集事件对照表

3 结论

(1)神渭输煤管道在设计、施工和验收中，遵守国家相关法律法规、行业相关标准规范的条件下，加强安全管理，提高防范意识，可使本项目存在的安全风险降至可接受的程度，能够实现安全生产运行。

(2)管输企业应当贯彻实行安全运营。在项目建设过程中，对设计、采购、施工、监理、验收等全过程严格监管，认真把关，从源头上保证工程质量。在将来投产运行后，加强管道沿线管理，严格执行各项规章制度，建立考核机制，加强教育培训，做好应急预案及演练，确保消防设施、安全部件、报警系统及控制系统的可靠运行，防止各类事故的发生。只有在安全生产的各个环节上建立切实有效的机制和手段并坚决贯彻执行，才能达到评价的最终安全水平。

(3)神渭输煤管道作为世界最长、亚洲第一条输煤管道，预先识别出影响其安全运行的因素，对于神渭输煤管道投产后的安全运行具有重大意义，不但可以从管道运营安全性方面促进企业科学管理和安全标准化建设，还从经济性方面为各级决策提供依据，减少事故损失，节约维修维护费用，带来实在的经济效益。