美国天然气分输管道失效事故深度分析

李为卫 编译

(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)

0 引 言

在美国，天然气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%。管道是天然气输送的主要方式，美国将天然气管道分为两大类，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。图1为天然气管道系统示意图。截止2018年，美国有254万英里的天然气管道，其中分输管道为总管道的87%(1.3×106mi的分输干线和9.3×105mi的分输服务线)(1 mi=1 609.344 m)，输送管道的比例为12%(3.0×105mi)，其余1%的管道由集输管道组成，另外还有许多额外的不受监管的集输管道。两类管道在地理分布、材料类型、运行参数以及失效类型和后果等方面存在较大的差异，本刊第8卷第3期介绍了美国天然气输送管道失效事故的深度分析结果，本文介绍美国天然气分输管道失效事故的深度分析结果。

图1 天然气管道系统示意图

1 分析与讨论

PHMSA提供了1个20年的数据库，其中包含了1997年至2017年间超过5 015起输送管道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，分析的类别有：事故次数、管材、释放形式、着火爆炸、事故位置、管道年限、经济损失、伤亡人数和事故原因。

1.1 管 材

图2为1997～2017年各种类型管子材料的分输管道的失效数量。根据PHMSA提供的信息，2017年地下最丰富的分输管道材料是塑料，这种材料在20世纪70年代早期开始流行。在塑料之前，自20世纪50年代以来，钢管被广泛使用，为无涂层钢管，也称为裸钢管，由于老化和缺乏保护，已被系统地停止使用。最后，从管道运输的早期到20世纪40年代，铸铁和熟铁管道一直被使用，被认为有非常高的风险。尽管制定了拆除铸铁和熟铁管道的计划，如2011年的《管道安全、监管确定性和创造就业法案》，但其中许多管道今天仍然向家庭和企业输送天然气。此外，PHMSA管道安全更新表明，由于老化和过时的技术，一旦管道使用超过60年，钢质和铁质管道发生事故的概率将大幅增加。

图2 各种类型管材的分输管道的失效数量及其比例(2010～2017年)

天然气工业正在用新的塑料管取代旧的分输管道。图2中分输管道的大量塑料材料破坏(29%)可归因于地下塑料管数量的增加。目前，塑料管道为总主要分输管道的54%，而钢管道的比例为40%。钢材在主要分输管道的比例已从2010年的45.2%降至2017年的40.6%。PHMSA将无涂层钢管定为加速更换计划的一部分，因为其事故率较高。

2017年铸铁/熟铁管道仅为分输管道总里程的0.01%，但却是分输管道总事故的约7%，如图2所示。因铸铁/熟铁管道的高事故率，运输部要求对所有此类管道进行年度分析，分析包括刚度测试、清管和地质分析。进行地质分析以减少铸铁/熟铁管道在地壳运动应力下发生疲劳的几率。理解这些数据的局限性是很重要的，因为图2中的数据没有体现出不同材料的管道里程，为了解决这一限制，绘制了不同材料管道每次失效事故的平均管道里程对比图，如图3所示。我们没有用相应管道材料的英里数来体现事故发生的概率，而是选择描绘每个事故管道发生的英里数。使用的平均英里数来自2017年PHMSA数据，该数字每年都略有增加。正如所预期的情况，图3表明钢和铁材料的分输管道每英里发生的事故更多，或每一事故的英里数最少。请注意，钢管道的失效概率大约是塑料管道的5倍，而铸铁/熟铁和铸熟铁管道分别是塑料管道的716倍和46倍，比塑料分输管道更容易发生事故，铸铁和熟铁管道的失效率明显高于所有其他管道材料。

图3 不同材料管道每次失效事故的平均管道里程对比

1.2 释放类型

图4为分输管道事故释放类型的分析：泄漏、破裂、穿孔和其它。2010年至2017年，分输管道主要是其它类型(42%)的释放形式。分输管道往往位于人口密度更高的区域，因此出现更多释放类型的机会，其中包括管道受到开挖等的影响。破裂造成的事故最少(5%)，穿孔和泄漏分别为25%和28%。而在2002～2009年，其他释放比例为57%、泄漏比例为21%及破裂比例为22%，没有发现穿孔。

图4 天然气释放到大气中的失效形式(总次数及百分比)

1.3 着火和爆炸

图5为导致着火、爆炸的事件的分析，二次着火也记录在这组数据中。2010年至2017年分输管道75%的失效事件导致着火或爆炸，其中着火比例为41%，爆炸引起的着火比例为31%，爆炸比例为3%。2002年至2009年的事故趋势与2010年后的趋势几乎相同。

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)

1.4 事故位置

图6为管道失效事故发生位置的分析。分输管道主要位于地下，2010～2017年50%以上的事故发生在地下，41%的事故发生在地上。2002～2009年早期数据提供了路面下、建筑物内/建筑物下、水下和明沟中的额外分类，地上和地下泄漏也占主导地位(分别为34%和29%)，路面下泄漏(12%)和建筑物内/地下泄漏(11%)比例近似为25%。

图6 失效事故发生的位置(总次数及百分比)

1.5 管道寿命

图7为分输管道失效时的使用年限的深入分析。根据DOT所说明的信息，过去20年来，一直有一项举措，即更换60年以上的所有管道，这一举措减轻了旧管道的潜在事故。然而，根据图7可以看到在60年窗口期之前发生了大量事故。60年内由于各种原因，该窗口期内发生事故主要是其他外力破坏，其次是开挖破坏。

图7 管道失效事故发生的年限(1997～2017年)

图8为分输管道安装后的前五年的失效分析评估，该分析包括失效原因以及所涉及管道的材料，包括早期(2002～2009年)和最近(2010～2017年)的数据。在这两个时间段内，其他外力破坏和开挖破坏是导致事故的前两个原因，塑料是导致分输管道失效的主要材料。

图8 管道安装后前五年的失效的分析

1.6 事故和死亡分析

图9是管道事故处理费用与死亡人数的分析。

图9 分输管道失效事故处理费用(USD)及死亡人数

2010～2017年，分输管道与事故相关的最高费用(柱状图)是开挖损坏，与此相关的损失接近8.5×107美元，其他外力损伤是导致死亡(折线图)的主要原因，其它事故原因次之。2002～2009年，分输管道的主要事故费用是2005年8月发生的破坏性极强的卡特里娜飓风(5级)造成的自然力破坏，其他外力破坏和开挖破坏是造成人员死亡的主要原因。

1.7 事故原因

图10为事故原因的分析。2010～2017年，分输管道事故以其他外力损伤为主(34%)，其次为开挖损伤(28%)，管材及焊缝的失效比例仅为7%。其他外力损伤是指因汽车、卡车或其他未参与开挖的机动车辆/设备对管道的损害而发生的事故，它还将工业、人为或其它火灾/爆炸作为事件的主要原因。分输管道内的高着火率和爆炸率可能是由这些其他外力因素造成的，部分原因是这些因素位于人口较集中的地区。2002年至2009年期间，管道事故的主要原因是其他外力损伤，其它外力和开挖损伤再一次为事故的近2/3(62%)，管材及焊缝的失效比例仅为5%。

图10 失效事故的原因分析

2 分输管道事故案例介绍

2.1 2014年纽约州纽约市案例

2014年3月12日，两栋相邻的多用途5层建筑被天然气爆炸摧毁，并引发火灾。该分输管道由纽约联合爱迪生公司(Con Edison)运营，爆炸事故造成8人死亡，48人受伤，损失近3×106美元。NTSB的调查确定了事故的两个可能原因，第一个是2011年Con Edison安装的三通的一个有缺陷的熔合接头发生事故，导致天然气从天然气管道泄漏，并流入其所在的建筑物引起着火。第二，至少从2006年起，纽约环境保护部就一直没有修复这条下水道的裂缝，这使地下水和土壤流入下水道，导致天然气管失去支撑，从而导致管道下沉，并使有缺陷的熔合接头承受过大应力。

事故发生日的上午9点06分，附近一栋名为Con Edison大楼的居民报告有天然气气味，然而，由于调度员和纽约消防局(NYFD)代表之间的沟通失误，导致天然气泄漏没有向应急响应人员报告。随后，9:30管道破裂。最后，建议纽约州公共服务委员会修改其天然气公用事业运营商计划。

2.2 2018年德克萨斯州达拉斯案例

2018年2月23日早上6点38分，德克萨斯州达拉斯一栋新装修的单层住宅发生了一次天然气爆炸。爆炸发生在前两天发生的两起事件之后。根据国家运输安全委员会的初步报告，最初的爆炸发生在2018年2月21日凌晨5:49，地点是杜兰戈大道3527号，距离最终的埃斯帕诺拉大道爆炸大约415 ft(1 ft=0.304 8 m)。第一起事故是由于暖通空调装置事故引起的爆炸引发的火灾，第二起事故是结构火灾，发生于2018年2月22日上午10:21左右，地点为杜兰戈大道3515号，原因是“红色失控”的燃气炉火焰。这起事故距离埃斯帕诺拉大道房屋爆炸不到310 ft。

根据联邦调查人员的通报，Atmos Energy公司在爆炸发生前的7个多星期内就已经意识到达拉斯西北部的一个街区有燃气泄漏，以前在整个街区都发现了多处泄漏。2018年1月1日，报道有异味由社区内漏出。NTSB的初步报告表明，Atmos在这3起事件发生之前和发生期间进行了各种修复工作。在爆炸前一晚上，Atmos人员为应对杜兰戈大道发生的爆炸和随后的火灾，正在调查和修复房屋后面的泄漏。

为应对第三起事故，向居住在北面3个街区和南面3个街区的住宅(包括埃斯帕诺拉大道和杜兰戈大道)的居民发布了强制疏散令。在疏散过程中，Atmos Energy公司在整个区域内更换了长度为2.5 mi的管道。

2.3 2011年宾夕法尼亚州案例

2011年2月9日宾夕法尼亚州阿伦顿一场雷鸣般的燃气爆炸摧毁了一个联排式住宅区，造成5人死亡。宾夕法尼亚州艾伦镇艾伦街道路面下1928年安装的铸铁主管道破裂，导致爆炸。导致爆炸的天然气来源是一个有周向裂纹的12 in(1 in=25.4 mm)铸铁主管道。公用事业委员会进行了为期16个月的调查，发现1979年12月的UGI工作指令建议更换管道，但该管道从未进行过更换。

除了1979年12月的工作指令外，1991年8月国家运输安全委员会还提醒UGI，铸铁管道的所有运营商执行一项计划，以识别和更换可能威胁公共安全的铸铁管道。根据PHMSA的数据，2009年底塑料和钢管占美国天然气分输管道里程的约97%，剩下的3%主要是铸铁管(无论是铸铁、可锻铸铁还是球墨铸铁)。艾伦镇泄漏管道由铸铁制成、安装于1928年。管道开挖后，发现外部腐蚀导致主管壁厚损失80%。

宾夕法尼亚公共事业委员会发布的安全报告显示，没有人准备好应对阿伦顿或圣布鲁诺这样的重大事故。一系列事件导致了阿伦顿的爆炸，如果采取适当的警示措施，这些事故是可以预防的。阿伦顿事件表明了遵循国家运输安全委员会建议的重要性。

2.4 2018年马萨诸塞州波士顿案例

2018年9月13日，一条天然气分输管道在波士顿以北25 mi处破裂，引发数十起爆炸和火灾，如图11所示。这最终影响了附近的3个社区，60～80个家庭起火，一人死亡，数十人受伤，近8 000人从周围地区撤离。此外，近1.8万户家庭和企业断电。初步调查表明，事故原因是因为管道压力过高。然而，PHMSA和其他机构尚未完成完整的事故调查，以确定根本原因。天然气管道归马萨诸塞州哥伦比亚天然气公司所有。

图11 2018年波士顿天然气分输管道泄漏后房屋起火

3 结 论

通过对近20年美国天然气分输管道事故数据库的分析，可以得出如下结论：

1)分输管道最常使用的材料是塑料，是总分输管道的54%，而钢质管道的比例为40%。塑料是最安全的管道材料，平均每5 000 mi发生一次事故，而钢质管道平均每1 000 mi发生一次事故。铸铁/熟铁和球墨铸铁管是风险最高的材料，其管道失效概率分别是塑料管的约700倍和50倍。

2)分输管道更有可能由于车辆或人员撞击管道、或腐蚀发生事故，事故更有可能导致发生火灾和/或爆炸。

3)分输管道通常位于陆地，通常分布于地下，近年来58%的泄漏事故发生在地下。

4)其它外力破坏和开挖破坏是分输管道失效事故的两个主要原因，是总事故的60%，也是早期(投产5 a内)分输管道事故的主要原因。塑料材料在安装后5 a内比其它材料的事故率更高，这可能是因为它是新建分输管道使用最多的材料。

5)分输管道事故中，开挖破坏造成的经济损失最大，其次是其它外力破坏。其它外力损伤是造成人员伤亡的主要原因。

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.JournalofLossPreventionintheProcessIndustries60 (2019) 317-333.

参 考 文 献(略)