PHMSA和EGIG的天然气管道失效率对比研究

张维智，付勇，陈宏健，唐德志，朱世豪

(1.中国石油油气和新能源分公司，北京 100007；2.中国石油规划总院，北京 100083；3.中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川 成都 610095)

0 引言

管道安全影响因素复杂，管道事故后果更为严重。油气管道发展向着更大口径、更高钢级、更高压力的方向迈进。在这种背景下，管道完整性管理工作变得尤为重要[1-3]。国外管道的失效数据主要来源于失效数据库，世界上多数油气储运业发达国家均建立了管道失效或事故数据库，用于指导本国油气管道的设计、建设和风险管理[4]。目前比较有代表性的数据库包括美国的PHMSA、欧洲的EGIG和英国的UKOPA等。本文以陆上的天然气长输管道为研究对象，首先介绍了两个数据库的基本信息，其次说明了两个数据库所采用的失效率计算模型，最后进行对比分析和总结。

1 数据来源

美国的管道失效数据库由管道和有害介质安全管理部(the pipeline and hazardous materials safety administration，PHMSA)管理，目前，PHMSA收集的管道类型包括海上和陆上有害液体管道、集输气管道和长输管道、城市燃气管道、连接气体输送与燃气管道的液化天然气管道以及地下天然气存储设施。欧洲天然气管道事故数据组(european gas pipeline incident data group, EGIG)成立于 1982 年，它是欧洲天然气管道和事故数据的重要信息来源。目前，EGIG收集了欧洲十几个国家自1970年以来有关天然气输送管道的里程数据和事故数据。

2 失效率计算模型

管道完整性对管道失效的定义是指管道发生不能按设计完成传输任务的事件。管道失效率的计算通常有两个方法，而PHMSA与EGIG数据库正好分别采用了这两种计算模型。它们的主要区别在于公式的分母上所代表的含义不同，但都是通过统计年限内事故发生的次数来衡量的。表1是对两个计算模型中会使用到的一些参数的解释。

表1 计算模型参数含义

美国PHMSA数据库采用的方法得到的是每年具体的管道失效率，计算步骤如下：

第1步：计算统计时间内管道总失效数α；

第2步：选取统计时间内的管道总里程L；

第3步：用统计时间内发生的总失效数比上管道的总里程，即可得到管道失效率ηP。

欧洲EGIG采用的方法是目前国际上通用的曝露值方法，这种方法得到的是平均失效率。它将失效率分为整体平均失效率和分类平均失效率，具体计算步骤如下：

(1)整体平均失效率ηE

第1步：计算统计时间n内管道总失效数α；

第2步：计算统计时间n内的曝露值β，它的含义是管道里程乘上管道的持续暴露时间。其计算公式如下：

第3步：用统计时间n内发生的失效数α比上曝露值β，即可得到整体平均失效率ηE，单位：次/公里·年。

(2)分类平均失效率u

第1步：计算统计时间n内由某一种失效原因导致的管道失效数量γ；

第2步：选取统计时间n内的曝露值β；

第3步：用统计时间n内发生的失效数γ比上统计时间内的曝露值β，即可得到分类平均失效率μ，单位：次/公里·年。

由上可知，PHMSA的计算方法较EGIG更为简单，但EGIG考虑到不同建造年代的管道服役时长不同，管道的失效率自然不同，比直接用管道里程计算更科学。此外，EGIG的分类平均失效率还可以针对某一管道属性的曝露值去分析管道失效原因，这也是其他计算方法所不具备的。

3 天然气长输管道失效数据统计、失效率计算及分析

3.1 PHMSA数据库天然气长输管道

基于PHMSA的失效率计算模型，本文计算了PHMSA不同事故类型造成的管道失效率。图1展示了四种类型的事故发生率。15年间，可事先检测的泄漏造成的管道平均失效率约为0.060次/千公里·年，不可事先检测的泄漏造成的管道平均失效率约为0.223次/千公里·年，重大事故率约为0.123次/千公里·年，严重事故率约为0.008次/千公里·年。可以观察到不可事先检测的泄漏率远高于可事先检测，这说明目前多数的泄漏都还不能被预防。

图1 PHMSA不同事故类型的失效率

3.2 EGIG数据库天然气长输管道

EGIG数据库将管道失效的类型分成系统整体平均失效率和分类平均失效率，这是它与其他数据库最大的不同所在。下面将分别给出两种失效率的含义及相应的失效率值。

3.2.1 管道整体平均失效率

管道整体平均失效率是在统计时间内用事故数量除以相应的总曝露值的结果。图2显示出2007—2016年间整体平均失效率在稳定下降，从0.367次/千公里·年降至0.31次/千公里·年。5年移动平均失效率不是很稳定，主要是因为统计时间取得比较短，但总体也呈下降趋势，并且远低于整体平均失效率。

图2 EGIG系统整体平均失效率

3.2.2 分类平均失效率

本文根据第2部分提出的分类失效率计算公式，针对6种失效原因计算了EGIG数据库中每类原因的平均失效率。

(1)外力干涉与管道直径、埋深、壁厚。通过计算可知，大直径管道的失效率较低，说明其抗外部干扰的能力更强；埋深较大的管道失效率较低；壁厚较大的管道失效率较低，当壁厚大于15 mm时，没有发生过由外力干涉引起的事故。

(2)腐蚀与建造年代、涂层类型、壁厚。通过计算可知，管道失效率随着管道建造年代的增加而降低；涂有聚乙烯涂层的管道比涂有其他类型涂层的管道失效率低得多；因腐蚀引起的管道失效率也随着壁厚的增加而降低。

(3)施工缺陷/材料失效与建造年代、材料等级。通过计算得到了“施工缺陷”和“材料失效”的失效率数据。可知，管道失效率通常随着建造年代的增加而降低。

(4)操作失效导致的热冲击与管道直径。操作失效导致的热冲击是指有另一条管道错误地连接到天然气长输管道上，而发生爆炸火灾类的热冲击事故。操作失效造成的管道失效率随着管道直径的增加而降低。

(5)地质移动与管道直径。在2007—2016年的10年里，地质移动造成了大约15%的事故，且主要影响的是管径尺寸偏小的管道，这也说明了管道直径越小就越容易受到地质移动的影响。

(6)其他和未知。“其他和未知”主要是指由自然外力损害造成的管道失效，所以并没有考虑管道自身的属性。1970—2016年间，EGIG共记录了29起因闪电引起的事故，管道失效率约为0.006 6次/千公里·年。

4 管理建议

通过上述对两个输气管道失效数据库的对比分析，提出建议如下[5]：

(1)规范事故汇报格式、明晰收集数据内容。PHMSA会在其网站上公布管道失效的原始采集数据，EGIG也有公开管道事故的调查报告，便于研究人员做相应的统计分析和学术研究。因此我国需要建立相应的管道事故数据组进行数据收集，明晰数据内容及范围。

(2)借鉴EGIG管道失效率的计算模型。EGIG将失效率分为整体平均失效率和分类平均失效率。前者与PHMSA的方法一样适合观察多年宏观的变化趋势，后者可以分析由某一失效原因引起的管道失效率，因此更为全面。

(3)划分管道属性，结合失效原因分析失效率。管道失效原因与管道的某些属性息息相关，因此需要根据我国管道建设的设计参数，参考EGIG对于管道属性的划分种类，确定我国管道相应的属性并进行相应的数据采集。用管道属性结合失效原因的方法去分析管道失效率，有助于找到具有针对性的解决措施。

5 结语

通过对美欧两大管道失效数据库PHMSA和EGIG的数据收集和统计，给出了美欧天然气长输管道失效率计算方法，并对不同事故类型失效率、整体平均失效率、分类失效率进行了计算。研究发现，EGIG将失效率分为整体平均失效率和分类平均失效率，前者与PHMSA的方法一样适合观察多年宏观的变化趋势，后者可以分析由某一失效原因引起的管道失效率。EGIG还考虑到管道服役时长，引入了曝露值的概念，总体来说其失效率模型考虑更全面。国内在计算管道失效率时可以借鉴EGIG的方法，其提出的5年移动平均失效率也适合观察近些年的管道失效趋势和进一步的风险评估。