城镇燃气管道完整性管理文献计量研究

梁海滨, 陈 开, 雷光祥, 朱 林, 岑 康

(1.中石油昆仑燃气有限公司 燃气技术研究院,黑龙江 哈尔滨 150016;2.西南石油大学 土木工程与测绘学院,四川 成都 610500)

1 概述

城市对燃气的需求不断增长,促使世界各地的燃气设施快速发展和高度复杂,管网建设和管理等方面的缺陷日益积累,导致燃气管网安全事故频发。由于燃气管网主要集中于人口、建筑物和财富密集的城市,城市的管道天然气运输被称为高风险过程工业之一[1],燃气管道的轻微破裂可能造成灾难性事件,导致重大的生命和财产损失。根据欧洲天然气管道事故数据组(EGIG)的统计[2],从1970年到2019年,EGIG共报告了1 411起天然气管道事故。据中国燃气协会统计,仅2020年全国共计发生燃气事故615起,造成伤亡652人[3]。因此,加强燃气管道完整性研究和提高燃气安全管理水平成为学界和业界的共识。

城镇燃气管道(简称燃气管道)完整性管理日益受到国内外的高度重视,成为关注的焦点。通过对文献分析发现,虽然已有较多完整性管理相关的文献[4],但采用知识图谱方法对现有文献进行科学统计的研究非常少,也缺乏对燃气管道完整性管理的系统总结和研究。因此,有必要对中英文相关文献进行系统归纳总结,采用知识图谱方法,梳理燃气管道完整性管理的热点、演化路径和发展趋势,为燃气管道完整性管理研究的持续完善提供参考。

2 研究工具与数据来源

2.1 研究工具

为实现对科学文献贡献的有效研究,许多学者和组织开发了很多优秀的文献计量分析软件,如HistCite、CiteSpace、BibExcel、Proknow-C、VOSviewer等[5]。其中CiteSpace具有良好的数据管理、分析和可视化功能,对于中英文参考文献数据支持比较好,得到了国内外学者的广泛认可[6-7]。作为一款强大的文献计量分析软件,CiteSpace专注于检测和可视化学术文献中的引用关系、主题演化以及关键词共现网络。在城镇燃气管道完整性管理研究中,CiteSpace有助于研究人员识别关键的研究主题、探索学术趋势和热点,并通过可视化手段展示关键词的时空演化趋势。VOSviewer具有良好的可视化特性,对于文献网络分析支持性比较好,VOSviewer主要用于分析文献的关键词共现和共被引关系。在城镇燃气管道完整性管理研究中,VOSviewer能够帮助研究人员进行文献的关键词共现分析,绘制关键词地图,呈现关键词之间的关联性和研究热点。因此,本文将CiteSpace与VOSviewer结合,对中英文燃气管道完整性管理相关文献进行深入分析,从量化研究视角挖掘燃气管道完整性管理研究中的热点、发展脉络,指出燃气管道完整性管理研究的发展方向。

2.2 数据来源

本文选择在中国知网、Web of Science数据库中检索与燃气管道完整性管理研究相关的文献。中国知网检索关键词为城镇燃气管道、完整性管理,时间跨度选择2013-2023年。Web of Science选择核心合集,检索词TS=(“Town gas pipeline”OR“Gas pipeline”AND“Integrity management”),时间跨度选择2013-2023年。最终选取中国知网文献94篇、Web of Science数据库文献279篇用于文献计量分析,见图1。由图1可知,中文研究在2019年达到一个小高潮,而英文研究高潮在2017年。最近两年相关论文发文量呈下降趋势,可能与世界经济形势与疫情影响了相关科研活动资助存在一定关系。虽然近年论文数量相对偏少,但考虑当前燃气事故频发现状,认为当前研究可能进入一个积累阶段,需要对其现有研究进行梳理总结,以揭示发展方向。

图1 选取文献的数量随年份的分布

3 研究热点分析

3.1 国内研究热点分析

关键词聚类反映研究的热点。当两个或多个关键词在同一篇文献中出现时,它们被称为共现关键词。通过对关键词共现次数的分析,可以揭示燃气管道完整性管理研究中的热点、特征和联系。利用VOSviewer软件可视化与燃气管道完整性管理研究相关的中国知网关键词共现网络,见图2。图2中,实心圆为节点,每个节点代表一个特定的关键词,这些关键词通常与研究领域、主题或文献的内容有关。当两个或多个关键词在同一篇文献中共同出现时,它们之间就会有一条线相连,表明它们之间存在关系。节点之间的距离表示节点的接近程度,距离越短,表示它们之间的关联程度越高。关联程度高意味着两个节点在文献中经常一起出现。字号描述了关键词的网络热度,字号越大表明该关键词越热门。图2表明,围绕城镇燃气管道完整性管理展开的研究,2014年之前主要涉及完整性检测、外防腐层、风险评估、天然气管道、体系框架等,2014年之后开始对燃气管网、技术进展、分级管控、顶层架构、标准体系、管道检测等开展研究,智慧燃气成为燃气管道研究的前沿。

图2 中国知网关键词共现网络(软件截图)

文献研究表明,燃气管道受到各种综合而复杂的风险和不确定性的影响,如第三方损坏、腐蚀、管道设备操作不正确、制造缺陷等[8]。燃气管道一般需要经过人口密度较高的地区,设备检查维护不到位、人员管理不到位、城市地质灾害影响等因素均可能导致燃气管道泄漏,进而引发次生事故(如中毒、窒息、火灾和爆炸等),造成灾难性后果。为避免风险不确定性,有必要对关键基础设施实施风险分析,对此,学者们提出了一系列有关燃气管道完整性管理的风险分析法,例如灰色理论+DEMATEL[9]、AHP+熵权法[10]、FTA-DBN[11]等。因此风险分析法成为研究热点。

文献[12]表明,管道运行的安全和稳定与城市燃气管网的完整性管理直接相关,为保证城市燃气管网安全有效运行,燃气企业应结合城市燃气管网的具体情况,对燃气管道进行完整性管理。目前,燃气管道完整性管理面临的突出问题是信息化程度低、自控水平低[13]。赵永起等[14]认为城市天然气管网的完整性管理必须建立在健全的标准规范基础上,应采用现代的方法收集数据和信息,建立先进的信息管理系统,提高天然气管网的完整性管理水平。马彬等[15]认为,物联网、大数据、云计算等先进技术和天然气管网完整性管理集成,是实现天然气管网网络化、信息化、可视化和智能化的重要途径。因此,智慧燃气正逐步成为研究热点。

3.2 国际研究热点分析

采用VOSviewer软件对英文文献进行可视化的研究热点网络分析,见图3。图3表明,国际完整性管理研究的热点包括风险分析、风险管理、泄漏检测、失效概率、模型研究等。

图3 Web of Science关键词共现网络(软件截图)

国际油气管道安全评价与完整性管理始于20世纪70年代的美国,美国油气管道完整性管理早期主要针对长输管道开展,针对城市燃气管道的研究从2000年开始[16]。国际注重充分利用数据库技术,以提高数据的完整性,在数据基础上研究各种不利因素的失效概率模型和算法,进行模拟和优化。另外,发达国家的应急管理体系相对完善,进行了较多的失效分析和风险分析,主要表现为:各级政府职能部门与运营企业、其他相关组织的协调机制更为便捷;事故应急及抢险救援方面的标准和法规较为完备,针对不同原因、规模、地理位置、复杂程度的事故建立了有针对性的处理方法等。如Tutunchi等[17]研究了城市天然气PE管道系统中可信的失效机制,评估各种失效情景下的失效概率和失效后果,最终确定城市天然气管道系统中不同部分的技术检查活动的优先顺序。

4 热点演化路径分析

4.1 国内研究热点演化路径分析

为全面洞察国内燃气管道完整性管理的研究路径,运用了CiteSpace的聚类与路径分析功能,绘制出了可视化知识图谱,得到7条热点演化路径,见图4。

图4 国内研究热点演化路径的聚类知识图谱(软件截图)

图4表明,近10年来燃气管道完整性管理的研究分支(即7条热点演化路径)主要包括燃气管网、风险评价、完整性、运营风险、安全管理、评估方法、全面检验等领域,体现为完整性管理的不同环节。

经过不断研究,研究者总结了完整性管理的6个基本环节,为数据管理、泄漏管理、风险评价、完整性评价、维修维护和效能评价[18]。不同燃气企业根据自身情况进行调整[14-15,19]。当前对于数据管理、维修维护和效能评价的研究较为薄弱。其中,管道建设期、运营期、维护期的数据管理是研究完整性管理的重点[20],建立统一的标准化数据管理是研究的前提。总体分析得知,国内对完整性效能评价的手段相对不成熟,对燃气管道完整性管理的有效实施形成了一定阻碍。

4.2 国际研究热点演化路径分析

为全面洞察国际燃气管道完整性管理的研究路径,运用了CiteSpace的聚类与路径分析功能,绘制出了可视化知识图谱,得到9条热点演化路径,见图5。图5表明,国际研究主要集中在区域供热、可持续性、风险评估、腐蚀缺陷、城市区域、生命周期评价、城市开采、模型、泄漏扩散等领域。在初始阶段,燃气管道完整性管理研究的重点是管道腐蚀、泄漏检测和安全评估。研究者主要关注燃气管道的物理特性、材料性能和腐蚀机制等方面的问题,以及如何使用传感器和相关技术来监测管道泄漏。热点词包括Pipeline Corrosion(管道腐蚀)、Leak Detection(泄漏检测)和Safety Assessment(安全评估)等。在发展阶段,研究热点进一步拓展,涉及到交叉研究领域和应用场景。如研究者开始关注管道完整性管理与可持续性发展、环境影响评估和社会责任等方面的关系,并且研究方法也逐渐多样化,包括数据分析、模型建立和决策支持等。热点词出现了Sustainability(可持续性)和Life Cycle Assessment(生命周期评价)等。目前,研究路径继续向更具体的方向发展,如燃气管道的特定问题(地震风险和管道损坏机制等)。此外,研究者提倡利用新兴技术和方法,如无损检测、人工智能和物联网等,对燃气管道完整性管理进行研究。

图5 国际研究热点演化路径的聚类知识图谱(软件截图)

5 国内外研究对比与发展趋势分析

5.1 国内外研究热点及研究方法对比分析

综上所述,国内外在城镇燃气管道完整性管理的主要内容上还存在一定差异。从中英文文献的分析对比可以发现,国内外刊物主要集中在完整性管理的风险评价研究上。从关键词可以看出,国内外研究的关注点各有特点,国内研究热点为风险评价和智慧燃气等领域,国际研究热点则聚焦于风险分析、泄漏检测、失效概率、模型研究等。此外,国内研究还注重燃气管网安全管理,包括燃气管网的安全评估、风险管理和应急管理等方面;国际研究还注重燃气管网智能化管理、可持续绿色能源替代技术和能源系统融合与协同优化等方面。燃气管网智能化管理包括基于先进传感器技术、物联网技术、人工智能等的智能监测、智能预警和智能管理系统等。

国内城镇燃气管道完整性管理研究主要采用试验室试验、现场测试和数值模拟等方法。试验室试验主要包括燃气泄漏检测技术的验证和泄漏修复技术的试验,现场测试主要包括燃气管网的监测和修复实践,数值模拟主要用于研究燃气泄漏扩散规律和管网安全评估等。国际城镇燃气管道完整性管理研究则更加注重数据驱动和模型化方法,包括基于大数据和物联网技术的智能监测和管理系统、基于数学建模和仿真的燃气泄漏扩散模型和管网优化调度模型等。此外,国际研究还采用了经济评估和环境评估等方法,综合考虑了燃气管道完整性管理的社会、经济和环境影响。

5.2 发展趋势分析

从研究路径上发现,完整性管理在数据管理、维修维护、效能评价研究上有待加强。

① 数据管理研究。数据管理是进行燃气管道完整性管理的第一步。首先,由于许多国家管道完整性管理起步较晚,对于故障统计数据关注度不够和积累有限,难以满足管道量化风险评估的需要,经常使用其他国家成熟的故障数据作为数据支撑。但由于其他国家管道的环境和故障原因不同,难以直接使用其他国家的故障数据库进行定量风险评估。其次,大多数城市燃气事故调查数据的缺失,导致许多研究都是专家定性分析。未来应加强物联网技术的应用,以提高管网运营管理中数据采集的统一性和完整性,避免冲突,促进数据的共享。在数据收集中,可以充分利用各种传感器和监测数据,整合各种传感手段、方法和仪器的检测结果,确保风险评估和完整性评估的可靠性。实现有限人力资源和设备的科学合理配置,并对现有管理体系的有效性进行评估,达到逐步完善管理的目标。基于加强的完整性数据管理,建立基于全生命周期的智慧管网风险管控机制,可以全面实现系统智能化数据采集、风险因素精准识别、系统自适应反馈与控制、高精度的完整性检测评价等,最大限度降低失效概率,减少次生灾害发生。

② 维修维护研究。随着国内外城镇燃气管网的建设规模不断扩大和使用年限的增长,研究和改进燃气管道维修维护方法和技术变得尤为重要。首先,智能监测和维护系统的发展将为燃气管道维修维护提供更多可能性。通过传感器、无线通信和大数据分析等技术,可以实时监测管道的状态和运行参数,及时发现异常和潜在故障。基于人工智能和机器学习的算法也可以对管道进行预测性维护,避免突发故障和安全事故的发生。其次,继续改进和创新无损检测技术,提高其灵敏度和准确性。在燃气管道的维修维护中,注重环境友好型方法的研究和应用。推广使用可再生能源作为管道维护设备的动力源,减少对传统能源的依赖,降低环境污染。

③ 效能评价研究。城镇燃气管道由于复杂的敷设环境,与长输管道存在一定差异。在对燃气管道完整性管理进行效能评价时,研究者多从完整性管理带来的经济效益角度出发,忽视了对完整性管理进行系统性的分析评价。目前城镇燃气管道的效能评价理论相对丰富,对于细节研究很少,需要建立完整的标准的效能评价指标体系。同时,各燃气企业可以发展有自己特色的效能评价指标体系,使其促进企业的发展。

6 结论与建议

① 围绕城镇燃气管道完整性管理展开的研究,国内研究热点为风险评价和智慧燃气等,国际研究热点则聚焦于风险分析、风险管理、泄漏检测、失效概率、模型研究等。

② 国内研究有7条热点演化路径,分别为燃气管网、风险评价、完整性研究、运营风险研究、安全管理研究、评估方法研究、全面检验研究。国际研究有9条热点演化路径,分别为区域供热、可持续性、风险评估、腐蚀缺陷、城市区域、生命周期评价、城市开采、模型、泄漏扩散。

③ 从研究路径上发现,燃气管道完整性管理在数据管理、维修维护、效能评价研究上有待加强。

④ 建议燃气企业在进行燃气管道完整性管理研究时基于系统工程思想分析问题,重视数据管理,加强信息化建设,注重全过程研究,采用科学技术方法及智能化手段,建立一套行之有效的适合企业的燃气管道完整性管理标准。