油气管道失效数据分析及失效原因研究

杨玉锋 李 杨 张 强 汪 澍 张希祥

1.国家管网集团科学技术研究总院分公司, 河北 廊坊 065000;2.北京科技大学土木与资源学院, 北京 100083;3.中国石油管道工程有限公司设备租赁分公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

近几十年全球油气管道发展迅速,管道事故屡见不鲜,特别是一些油气泄漏、火灾爆炸等恶性事故对人身安全、自然环境造成巨大危害[1]。世界各国对管道事故管理和安全运行的要求也越来越高,许多国家和组织建立了管道事故管理机制。如美国管道及危险材料管理局(Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration,PHMSA)、加拿大国家能源局(National Energy Board，NEB)和欧洲输气管道事故数据组织(European Gas Pipeline Ineident Data Group，EGIG)等定期对其所辖管道泄漏事故进行统计并发布事故报告[2]。

中国油气管道正处于高速发展阶段,国家和社会对管道安全的要求也日益严格,但并未形成成熟的管道事故管理机制[3],统计分析缺乏规范指导。本文结合国外管道事故管理的先进做法,借鉴其经验,提出了管道失效事故的分析方法,并对美国1995—2014年间的失效数据进行了分析,以期有助于健全中国管道事故管理机制。

1 美国管道事故分级方法

美国管道失效数据由PHMSA进行管理,各管道运营企业每年按照要求将管道失效数据上报PHMSA[4]。目前,PHMSA建立了统一的管道失效数据库,管理和发布美国境内的长输管道、集输管道、LNG管道、城镇燃气管道等失效事故数据。

PHMSA将失效事故的类型分为三个等级:上报事故、重大事故和特大事故,并分别制定了气体管道和危险液体管道事故上报标准[5]。

1.1 上报事故标准

气体储运管道及设施发生泄漏时,事故后果符合下列一种或几种情况的需要上报[5]。

1)1人以上死亡或人员受伤需要住院治疗。

2)产生的财产损失超过50 000美元,包括管道运行单位财产损害和其他人员财产损失,不包含泄漏气体成本费用。

3)产生的气体泄漏量在300万立方英尺(84 950 m3)以上。

4)导致LNG设施中紧急关断系统激活的事件。

5)事故可能不满足上述规定,但运营商认为情况严重的事故。

当危险液体管道系统发生泄漏,事故后果符合下列任意一种情况时需要上报[5]。

1)产生意外的火灾或者爆炸。

2)危险液体泄漏量超过5加仑(19 L),如果泄漏是由于管道维修维护产生,泄漏量小于5桶(0.8 m3)且泄漏及时进行了清理,则不需要上报。

3)导致人员死亡或者人员伤亡需要住院治疗。

4)产生的财产损失超过50 000美元,包括污染清理与环境恢复、泄漏油品价值、对管道运行商或其他人员财产产生的损坏。

1.2 重大事故及特大事故标准

管道系统发生泄漏,导致的后果符合下列任意一种或几种情况的为重大事故[5]。

1)造成人员死亡或人员受伤需要住院治疗。

2)按1984年的美元基准,造成50 000美元及以上财产损失。

3)5桶(0.8 m3)及以上高压液体泄漏,或者50桶(8 m3)及以上其他液体泄漏事故。

4)泄漏导致的意外火灾或者爆炸事故。

当事故造成1人以上死亡或人员受伤需要住院治疗,为特大事故。

2 事故数量、后果及原因分析

2.1 事故数量统计及趋势分析

管道事故数量统计与分析主要分析管道事故数量随时间变化情况和不同等级事故比例关系。各个等级事故数量一般是整体平稳缓慢变化的趋势,对于事故数量发生突变的年份,要进一步分析其发生变化的原因。

根据PHMSA数据库资料,1995—2014年美国境内油气管道共上报事故10 845起[6]、重大事故 5 598 起[7]、特大事故892起[8],三者之间的比例关系为12∶6∶1,美国1995—2014年管道事故统计见表1。根据美国事故上报准则,造成人员死亡或人员受伤需要住院治疗为特大事故,因此在上报的管道失效事故中,每12起事故就会有1起事故造成人员死亡或者受伤。

图1是PHMSA数据库中美国1995—2014年事故数量及变化趋势图,近20年间,美国发生的重大事故数量基本趋于平稳,每年发生280±30起,上报事故数量从2002年开始变化明显,2002年以前每年上报事故数量为350起左右,2002年以后每年上报事故数量为650起左右。进一步研究发现，美国在2002年8月对事故上报标准进行了修正,扩大了上报事故范围[5],导致上报事故数量发生了较大变化,但对于重大事故和特大事故界定标准没有变化。

图1 1995—2014年事故数量及变化趋势图

管道事故数量整体趋势稳定,各年度数据具有一定的随机性,通过计算不同时间区间内平均值的方法,可以在一定程度上避免随机性的干扰,获得稳定趋势。可采用3年平均值、5年平均值、10年平均值和20年平均值进行分析,其中3年平均值是指2012—2014年事故数量的平均值,5年平均值是2010—2014年事故数量平均值,10年平均值是指2005—2014年事故数量的平均值,20年平均值是指1995—2014年事故数据平均值。

PHMSA数据库事故数量平均值计算结果见表2,从表2可以看出,美国重大事故不同时间区间平均值基本稳定在282起左右,上报事故总数量2005年以后的数据平均值基本稳定在620起左右,由于2002年上报事故标准调整导致20年平均值与其他平均值差异较大。特大事故数量平均值下降趋势明显,20年平均值为45起,近3年平均值为27起。特大事故数量平均值对比分析见图2。

图2 美国1995—2014年特大事故数量平均值对比分析图

表2 美国事故数量平均值分析表

2002年,美国颁布了《油气管道安全促进法案》[9],规定加强联邦油气管道安全管理,并且颁布了完整性管理标准。根据PHMSA数据库的失效数据,2002年美国加强管道管理后,管道上报事故数量没有逐年减少趋势,重大事故数量也基本稳定,特大管道事故数量呈现明显逐年减少的趋势。由此可见，完整性管理工作,对于一般小型失效没有明显控制效果,对于控制特大事故有明显的作用。

2.2 事故后果统计分析

管道事故产生的后果影响分析,主要包括人员伤亡、环境影响和财产损失等,由于环境影响的程度难以量化统计分析,因此后果分析主要从人员死亡、人员受伤和财产损失三个方面进行评价。根据PHMSA数据库资料美国1995—2014年管道事故共造成人员死亡371人、人员受伤1 395人,比例为1∶3.8[10]。美国1995—2014年人员伤亡情况随年份变化规律见图3。美国1995—2014年财产损失变化情况见图4。

图3 美国1995—2014年人员伤亡情况变化规律图

图4 美国1995—2014年财产损失变化情况图

从图3可看出,美国2001年以前管道事故导致的人员伤亡数据较高,2001—2008年人员伤亡数量下降到一个稳定趋势,2009年以后人员死亡数量基本稳定而人员受伤数量出现上升趋势。

从图4可以看出,1995年以来管道事故导致的财产损失逐年增加,2003年以前每年管道失效财产损失基本控制在2亿美元内,2003年以后大多年份财产损失超过2亿美元,这是由于2002年8月调整了上报事故标准,导致上报事故数量增加,同时由于近年来美国对于事故伤亡赔偿和污染物清理的要求更加严格。

人员伤亡和财产损失在2010年处于一个较高值,明显高于平均水平,经进一步分析,发现2010年9月在旧金山发了一起恶性天然气管道爆炸事故,导致了8人死亡,60多人受伤,烧毁了55栋房屋,直接经济损失10亿美元。

2.3 失效原因分析

根据PHMSA数据库美国1995—2014年上报事故10 845起管道失效数据,失效的原因可以分为腐蚀、开挖损坏、误操作、材料/焊接、自然外力、其他外力和其他不明原因。

腐蚀一般包括外腐蚀和内腐蚀;开挖损坏主要包括管道运行单位开挖损坏和第三方开挖损坏;误操作主要包括设备选型错误、设备安装错误、操作失误、超压、溢流、水击等;材料/焊接主要包括管材缺陷、焊缝失效、设备故障、施工或安装缺陷等;自然外力主要包括土体移动、洪水、雷电、大风、温度等;其他外力主要包括蓄意破坏、其他设备/设施电弧击穿、火灾爆炸、车辆、船舶等;其他不明原因是失效原因不明或者上报事故时未写明原因。美国1995—2014年管道失效原因统计见表3。

从表3可看出,上报事故、重大事故和特大事故主导的失效原因及其所占比例差异较大。所有上报事故中材料/焊接、腐蚀和开挖损坏是主要的失效原因,分别占事故总数的30.36%、18.11%和17.03%；重大事故中材料/焊接、开挖损坏和腐蚀是主要的失效原因,分别占重大事故总数的21.63%、21.24%和19.54%；特大事故中开挖损坏、其他不明原因和误操作是主要的失效原因,分别占特大事故总数的33.52%、26.46%和12.11%。

表3 美国1995—2014年管道失效原因统计表

3 失效原因研究

3.1 危害程度计算方法

通过结合各类失效原因导致事故的数量和产生的影响后果,综合分析7类失效原因的危害程度。从危害发生可能性和危害后果等级两方面进行分析[12-13]。

1)危害发生可能性用P表示,根据PHMSA数据库各类失效原因导致事故的数量及占总事故数量的比例确定,具体确定的准则见表4[14]。

表4 危害发生可能性分级准则表

2)危害后果等级用C表示,根据PHMSA数据库各类失效原因导致事故产生后果由危害程度确定,影响危害后果等级由事故导致的人员死亡、人员受伤,财产损失三个方面确定,具体确定的准则见表5[14]。

表5 危害后果分级准则表

危害程度分析R计算公式表示为[14-17]:

R=P×C

(1)

式中:R为危害程度;P为危害发生可能性;C为危害等级后果。

3.2 计算结果

危害发生可能性评价依据PHMSA数据库美国1995—2014年管道失效事故的数量确定,其中材料/焊接事故数量为3 293起,等级为可能发生,腐蚀、开挖损坏和其他不明原因事故数量1 000～2 000起,等级为有理由可能发生,其他因素导致事故数量小于1 000起,为可能性小,详细分级结果见表6。

表6 危害发生可能性评分结果表

危害后果损失评分结果依据PHMSA数据库美国1995—2014年管道失效事故造成的人员伤亡和财产损失确定,评分过程中危害后果等级确定优先考虑人员死亡,人员死亡数量相差不大时,通过人员受伤数量确定,若前两项基本一致,通过财产损失确定危害后果损失等级,详细分析结果见表7。

表7 危害后果损失评分结果表

根据表6～7中的评分结果,通过式(1)计算各失效原因的危害程度值并排序,见表8。

表8 失效原因及其危害程度计算结果表

造成管道事故的7类失效原因中,危害程度最大的失效原因是开挖损坏,根据PHMSA数据库1995—2014年统计数据开挖损坏导致的事故数量多达1 847起,开挖损坏导致的管道事故一般为大泄漏或者破裂,输送的油气介质泄漏量较大,发生油气积聚并进一步引发火灾和爆炸的概率高,开挖区域一般建设活动频繁,人口密度较大,容易产生严重的人员伤亡[18-20]。

危害程度第2位的失效原因是材料/焊接,由材料/焊接导致的事故数量最多为3 293起,材料/焊接导致的人员伤亡位于平均水平,造成的财产损失最大,美国1995—2014年因材料/焊接失效原因导致事故的财产损失为23亿美元。

危害程度位于第3位的失效原因是其他不明原因,根据PHMSA数据库的描述,其他不明原因一般包括失效原因没有调查清楚和管道企业没有上报失效原因。

危害程度排在最后的失效原因是自然外力,自然外力导致的事故数量最少,同时产生的人员伤亡也最小。洪水、土体移动等自然外力导致的管道事故,一般发生在河流、山区等区域,人口密度相对较低,产生人员伤亡概率也较小。

4 结论及建议

4.1 结论

1)对美国1995—2014年管道失效数据进行分析研究，管道系统上报失效事故分为三个等级,其中上报事故因上报标准调整,在2002年前后出现较大变化,重大事故数量稳定在每年280起左右,特大事故从2005年开始平均数量下降趋势明显。

2)2002年,美国颁布了《油气管道安全促进法案》,加强油气管道安全管理水平,上报事故总数量和重大事故数量没有明显下降趋势,特大事故数量下降趋势明显,说明完整性管理工作对于控制特大事故效果更明显。

3)所有上报事故和重大事故的失效原因是材料/焊接、腐蚀和开挖损坏,特大事故的失效原因是开挖损坏、其他不明原因和误操作。

4)美国1995—2014年管道失效事故中,导致事故数量最多的失效原因是材料/焊接,造成人员伤亡最大的失效原因是开挖损坏,造成财产损失最严重的失效原因是材料/焊接。采用安全系统工程分析方法,综合评价危害程度最严重的失效原因是开挖损坏。

5)在国外事故统计分析研究中,建议研究事故上报标准和标准变化情况,避免单纯统计事故数量的上升和下降趋势导致产生的结论不全面。

4.2 建议

中国油气管道正处于高速发展时期,管道建设规模和速度居世界前列,未来20～30年中国将有大量的油气管道进入设计使用年限的老龄化时期,管道可能迈入事故高发阶段,为预防和减轻事故风险,应当从国外管道的发展中学习经验,吸取教训,建立统一的管道安全管理机构,完善管道安全数据库,制定管道失效事故上报标准,明确上报要求和需要上报的内容,研究管道事故等级分级准则,建立详细的管道失效原因分类标准。