美国天然气输送管道失效事故深度分析

李为卫，黄永场 编译

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077；2.西安石油大学 陕西 西安 710065)

0 引 言

在美国，天然气主要用作燃料和化工原料。据预测，到2040年，美国能源消费的30%将来自天然气，高于2018年的28%。据美国能源信息署(EIA)统计，自2010年以来，天然气消费量增长了12.5%，达到27.5×1012ft3(1 ft=0.304 8 m)，而2000年为23.3×1012ft3。

管道是天然气输送的主要方式。天然气管道一般分为两大类，即输送(Transmission)管道和分输(Distribution)管道。输送管道一般是大直径管道，运行压力较高，在州、县、市、镇之间输送天然气。分输管道通常是较小直径的管道，在较低压力下运行，将天然气直接输送至当地家庭和企业。美国管道与危险品管理局(PHMSA)在2017年进行的一项研究表明，美国有254×104mi(1 mi=1.609 km)的天然气管道，其中分输管道占总管道的87%(130×104mi里的分输干线和93×104mi的分输服务线)，输送管道占12%(30×104mi)，其余1%的管道由集气管道组成，还有许多额外的不受监管的集气管道。随着经济的发展，预计到2025年，天然气管道行业将增加180万人的就业岗位，其中包括50万个制造业岗位和32万个化工行业岗位。该行业规模预计到2025年将增长至5 330亿美元，主要是由于水力压裂技术的发展而带来的页岩气的开发。

天然气主要由甲烷(CH4)组成，是一种比CO2危害更大的温室气体。由于生产和运输损失，天然气需求的增加也可能导致CH4排放量的增加。根据PHMSA统计，输送和分输管道的泄漏主要来自腐蚀、开挖损坏、操作不正确、管子或焊缝材料失效、自然力损伤。管道事故不仅会对环境造成影响，在许多州天然气公司还将输气的成本转嫁给客户。

相关文献指出，2000年至2011年间，美国消费者为天然气损失和下落不明支付了200多亿美元。PHMSA定义的损失和未计算(LAU)气体是购买的天然气数量(例如，进入城市门户的天然气)与销售的天然气数量(例如，向客户计量)之间的差额。一项利用PHMSA天然气采集、输送和分输数据发布的研究显示，自2010年以来，大约129×108ft3的天然气流入大气中，足够超过17万户家庭使用一年。此外，过去10年来，美国天然气输送和分输管道的事故平均每年造成6人死亡、30人受伤和8 500万美元财产损失。

事故分析有助于交通部(DOT)掌握发展趋势，因此执行新的建议，以帮助减轻伤害、死亡和无意的气体自然损失。PHMSA提供的数据的独立分析，表明在事件预防方面的结果，图1以图形方式显示了过去20年内管道里程与事件数之间的关系。自1998年以来，事件总数一直保持相对不变，考虑到分输管道里程总数略有增加(16%)，而输送管道里程保持相对恒定。最后，自1998年以来，重大事件占所有事故的50%以上，表明管道事故的风险和严重性上升。

图1 近20年管道总里程和事故变化趋势

本文分析了与美国天然气管道重大事故相关的各种数据，研究的目的是对天然气管道行业的事故进行全面深入分析，这一分析被分为两个独立而独特的类别：输送管道和分输管道，本文为输送管道数据的分析，分输管道的数据分析另行介绍。通过美国国家运输安全委员会(NTSB)、PHMSA以及附加的当地公用事业委员会的数据收集作为案例，进一步分析了3起输送管道的重大事故。文中使用的数据来自3个值得关注的组织的文献综述：PHMSA、美国石油学会(API)和国际管道研究理事会(PRCI)。

1 分析与讨论

PHMSA提供了一个20年的数据库，其中包含了1997年至2017年间超过5 015起输送和分输管道事故的信息。为了对事故进行合理的分析，本工作仅对重大事故进行了分析，以避免大量的小泄漏导致结果偏差。研究表明，重大事故的原因不一定与轻微事故的原因相同。在本研究中，重大事故被确定为包括人员需要住院治疗的死亡或伤害，或以1984年美元计算的50 000美元或以上的直接总成本。PHMSA数据集有3个不同的时间段：1997年至2001年、2002年至2009年、2010年至今。例如工艺安全事故是由于天然气的非预期排放造成的，因此，并非所有事件都造成人身伤害。选择伤害和成本影响对事件的严重性/程度进行分类，随后分析处理原因和预防/缓解措施。环境影响也是一个需要分析的因素，但难以进行量化。因此，安全和经济影响是不可分割的，希望防止两者同时发生。

在过去10年中，重大事件平均每年发生135起，而在最近一段时间内，总事件的年平均数为230起，几乎是这一数字的2倍。对每个数据库的趋势进行了单独分析，分析的类别有：事故次数、管材、释放形式、着火爆炸、损失位置、管道年限、事故和死亡人数、事故原因。

1.1 管 材

图2为1997～2017年各种类型管材的输送管道的失效数量分析。

图2 各种类型管材的输送管道的失效数量

根据PHMSA统计，2017年地下最丰富的输送管道材料是钢材，其它管道材料包括非金属、铝以及不确定的材料。根据图2所示的数据，钢材造成的事故多于任何其他材料造成的事故，因为大多数输送管道是由钢材制成的。图3为每次失效事故的平均管道里程对比结果。根据图3，钢制管道发生的每次泄漏的平均管道英里数少于前面提到的其它类型管子材料，另一方面，每英里长钢管材料发生的失效次数多于其他材料。在2010年之前，未报告每次事故的平均管道里程。

图3 每次失效事故的平均管道里程对比

1.2 释放形式

图4提供了输送管道事故天然气释放到大气中形式的分析，包括泄漏、破裂、穿孔等，每种形式的释放都有特定的特征。破裂通常是由表面或近表面的制造缺陷引起的纵向不连续。通常在破裂过程中，管子会“拉开”(Pulls apart)，而不是开裂(Cracking)。当天然气无意中从管道中逸出时，例如由于腐蚀造成的管子厚度损失，就会发生泄漏，最后，当管子厚度损失延伸到一个小区域的管壁完全丧失时，就会发生穿孔(Puncture)。另一类包括但不限于事故，如管道被车辆撞击或因腐蚀而断裂。虽然此数据提供了有关发布形式的信息，但它并不反映事件的严重性。例如，如果逸出的气体保持在可燃极限阈值以下，则泄漏可能被认为是相对无害的。但是，导致破裂的事件可能是非常严重，一个例子是2010年9月发生在加州圣布鲁诺的事件，这起事故导致了一条高压输送管道的破裂和爆炸。

图4 天然气释放到大气中的失效形式(总次数及百分比)

根据国家管道测绘系统(NPMS)，天然气输送管道往往比分输管道长得多，除了输送管道的长度，它们通常由钢材制成，并且直径大、工作压力高于分输管道内的压力。2010年至今，超过一半(55%)的输送管道天然气释放是由泄漏引起的，穿孔是最不常见的(8%)失效原因，破裂和其他分别为18%和19%。而在2002～2009年间，其他释放(44%)和泄漏(34%)是突出的事故释放形式，破裂是占22%。

1.3 着火和爆炸

图5提供了导致着火和/或爆炸的事件的分析，二次着火也记录在这组数据中。根据PHMSA的定义，二次着火是指火源与气体输送系统无关的火灾，如电气火灾、纵火等，包括不是由管道系统事故或泄漏引起的火灾或爆炸，管道系统事故或泄漏是主要原因的事件。例如，炼油厂火灾，最初不是由管道系统的事故或泄漏引起的，但随后由于管道事故或泄漏引起的火灾。

图5 着火、爆炸或两者同时发生的失效事故的分析(总次数及百分比)

如图5所示，2010年至今输送管道只有17%的失效事件导致着火或爆炸，而在2002～2009年间也只有16%，这两个类别都不属于主要地位。2010年至今的爆炸事故为1%，爆炸引起的着火为7%，而2002～2009年分别为7%、0。

1.4 事故位置

图6提供了管道失效事故时发生位置的分析。可能发生损失的位置包括：地上、过渡区(从地下到地上，或者反之)、地下、船舶和海上。

图6 失效事故发生的位置(总次数及百分比)

输送管道主要位于地下，这也是2010年至今50%以上事故发生的地方，大约四分之一(26%)的事故发生在海上，20%的事故发生在地面上。2002～2009年间37%的事故发生在水下，35%发生在地下，16%发生在地上。

1.5 管道寿命

图7提供了输送管道发生事故时使用年限的深入分析。大多数输送管道事故发生在60年窗口期内，但在使用35～45年时出现明显峰值。由于输送管道主要由钢材组成(约94%)，过去20年来输送管道事故主要与钢管有关。

图7 管道失效事故发生的年限(1997年至今)

1.6 事故与死亡人数分析

图8提供了输送管道事故处理费用与死亡人数的分析。输送管道因为直径大、压力高，事故处理时就支出了较高的相关费用，但死亡的人数较少。

图8 输送管道失效事故处理费用(USD)及死亡人数

2010年至今，因材料和/或焊接引起的管道失效事故，其相关费用最高，总计将近63亿美元，远远高于其他类别。此外，因材料和/或焊接导致的失效事件是主要的死亡事件。与这一事件有关的所有死亡事件均来自同一次加利福尼亚州圣布鲁诺事件(2010年)，该事件夺走8人生命，并损失了28亿美元。2002年至2009年，输送管道的主要事故费用是卡特里娜飓风造成的自然力损失，开挖损坏是造成人员死亡的主要原因。

1.7 事故原因

根据PHMSA数据，输送管道有8类事故原因，图9提供了事故原因的分析结果。

图9 失效事故的原因分析

2010年至今，输送管道事故的主要原因是腐蚀，其比例为31%，其次是管子或焊缝材料事故和设备事故，这两种事故的比例分别为17%。设备事故是指泄压/控制设备不能正常运行或发生螺纹/非螺纹连接事故的事件。泄漏是输送管道发现的天然气主要释放形式，高腐蚀失效率与此一致。2002年至2009年间，主要的事故原因为腐蚀(26%)，其次是自然力、材料和/或焊缝失效(16%)。自1982年以来，欧洲输气管道运营商(目前共17家)也一直在共享和收集事故数据，但其事故原因分类与PHMSA有所不同，在2007～2016年期间，事故的主要原因是“外部干扰”，其比例为28%，其次是腐蚀，其比例为25%。

2 管道事故案例分析

1)案例A：2010年加利福尼亚州圣布鲁诺事故

2010年加利福尼亚州圣布鲁诺事故为十年来单次灾难中最具破坏性的管道事故。在2010年9月9日下午6点11分，加利福尼亚州圣布鲁诺，一段28 ft长的碳钢管从地面喷发出来，降落在离爆炸中心近100 ft的地方，该段管道归太平洋天然气电力公司(PG&E)所有和运营。爆炸导致8人死亡，51人受伤，近40所房屋被毁，以及约6亿美元的房屋受损。几乎就在破裂发生后的同时，逸出的气体被点燃，形成了一个地狱，如图10所示。根据美国国家运输安全委员会(NTSB)的一份报告，直径为30 in(1 in=25.4 mm)的管道，其焊缝中有许多缺陷，失效管段最初于1956年焊接，不符合普遍接受的质量控制和实际的焊接标准。

图10 2010年加利福尼亚州圣布鲁诺管道事故现场

破裂是由于PG&E Milpitas终端内的一系列问题导致该管段(132号线)压力过高造成的。当设备断路导致本地控制面板意外断电时，一个不间断电源正在进行设施维护，结果，一系列阀门被完全打开，132号管段压力处于过高状态。安装了监控阀，以防止主管道内发生过压，然而由于断电产生的停机，一系列错误信号被发送到监控和数据采集(SCADA)单元后，监控阀显示为关闭。随后，气体在管段增压过度后点燃并爆炸。

根据国家运输安全委员会的说法，“调查确定加州公共事业委员会(CPUC)是加州的管道安全监管机构，未能发现PG&E完整性管理计划的不足之处，以及PHMSA完整性管理检查协议需要改进”。

2)案例B：2015年加利福尼亚州弗雷斯诺事故

2015年4月17日，在加利福尼亚州弗雷斯诺，一台挖土机撞击了一条直径12 in的天然气管道时发生了爆炸，爆炸将管道的一部分从震中喷出34 ft，造成1人死亡，11人受伤。CPUC的一份报告显示，挖土机作业人员在山坡边挖土时，撞击了埋地天然气管道。事故报告指出，该天然气管道归PG&E拥有，该公司没有责任，该事件由外力损伤引起，经济损失约28亿美元。CPUC的安全和执法部门(SED)进行的调查表明，弗雷斯诺县公共工程从未申请过USA One Call 811单。PG&E每隔3年向PG&E所有压力大于60 psig(1 psig=0.006 89 MPa)的天然气输送管道2 000 ft范围内的企业，包括位于弗雷斯诺县的居民，通知他们注意接近天然气管道(加利福尼亚公共事业委员会，2016年)。

综上所述，CPUC认定弗雷斯诺县公共工程在开挖前未对开挖现场进行适当的勘察。如果弗雷斯诺公共工程811号申请单用于确定潜在地下管线，这一事件可能会避免。经调查确定，PG&E已适当通知弗雷斯诺县有压力主管道，因此不承担事故责任。

3)案例C：2011年德克萨斯州迦太基事故

2011年2月14日，德克萨斯州帕诺拉县Gulf South Pipeline Company LP(海湾南部)迦太基枢纽压气站发生爆炸和火灾，爆炸产生的周围破坏和气体损失造成了3 500万美元的损失。据PHMSA声称，迦太基枢纽事件造成的经济损失仅次于加州圣布鲁诺爆炸(2010年以来最大规模)。系统关闭期间止回阀事故导致压气站火灾，所涉及的管道部分包含一个24 in的检查阀门。根据在德克萨斯州休斯顿的应力工程公司的分析，止回阀的中央装配螺栓失效，事故导致约14 in长的纵向断裂。根据调查，导致事故的因素有很多，其中包括：失效部位小氧化物夹杂区域的热影响；止回阀部分事故导致排放阀部分打开；压缩机反向旋转；润滑油火灾点燃逸出气体；润滑油火灾产生的热冲击导致24 in弯头失效；紧急停机(ESD)系统因设计不当而发生事故。

3 结 论

通过对近20年美国天然气输送管道事故数据库的分析，可以得出如下结论：

1)输送管道最常使用的材料是钢材，其比例约为94%，大多数泄漏事故发生在钢管上。

2)输送管道最有可能因泄漏(即腐蚀)而失效，通常不会导致着火和/或爆炸，83%的输送管道事故未着火。

3)管道通常位于地下，53%泄漏事故发生在地下，26%的泄漏事故发生在海上。

4)材料和/或焊缝失效是输送管道事故造成死亡的主要原因，并导致最大经济损失。

5)腐蚀是输送管道失效事故的主要原因，占所有失效事故的31%，其次是管材/焊缝的失效和设备失效，它们的比例均为17%。

本文编译自CHRISTIAN P. VETTER, LAURA A. KUEBEL, DIVYA NATARAJAN, Ray A. MENTZER. Review of failure trends in the US natural gas pipeline industry: An in-depth analysis of transmission and distribution system incidents. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 60 (2019)317-333.

参 考 文 献(略)