海底管道完整性管理研究進展

程 濤，朱夢影, 李 嘉, 曹亞文

（1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452； 2. 長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710016）

自20世紀50年代美國在淺水區(qū)域鋪設(shè)了第一條海底管道以來[1]，如何保持和維護海底管道的安全運行一直是海底管道運營企業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。如今，海底管道沿線與港口、海洋工業(yè)、商業(yè)或休閑娛樂區(qū)域、環(huán)境敏感地區(qū)相交叉，使得海底管道面臨的挑戰(zhàn)與威脅更為復雜。相比與陸上油氣管道，海底管道服役于惡劣的海洋環(huán)境中，監(jiān)測維修難度大，一旦發(fā)生失效，不僅經(jīng)濟損失巨大，而且會對海洋環(huán)境造成嚴重污染。

1 海底管道完整性管理概述

海底管道完整性管理(SPIM)指管道運營企業(yè)為了達到保障海底管道完整性，經(jīng)濟合理地保證海底管道安全運行而采取的一系列管理活動。主要任務(wù)是識別和評價海底管道運營中的風險因素，制定相應對策來改善風險因素；在事故發(fā)生前做好典型事故應急預案，并加強演練，避免突發(fā)事件時處理不當，造成巨大損失和傷害[2,3]。

海底管道完整性(SPI)與管道完整性要求一致，主要包括3個方面：（1）海底管道始終處于安全可靠的狀態(tài)；（2）海底管道在物理結(jié)構(gòu)和設(shè)計功能上是完整的，始終處于受控狀態(tài)；（3）海底管道運營方采取相應的技術(shù)管理措施來減少管道在運行過程中發(fā)生事故的頻率[4]。海底管道完整性(SPI)在其設(shè)計和建設(shè)（制作和安裝）階段建立，在操作階段持續(xù)維護。常規(guī)的在役管道完整性管理技術(shù)主要圍繞六步循環(huán)進行，如圖1所示。

2 海底管道失效原因

分析統(tǒng)計國內(nèi)外海底管道失效事故原因[5]發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)部流體的腐蝕，海洋波流的沖刷作用，拖網(wǎng)撞擊、錨擊等第三方破壞是導致管道事故的主要因素；管材缺陷和施工缺陷等工程質(zhì)量問題也是比較常見的事故原因。除此之外，施工前期的設(shè)計缺陷、管道運行過程中的操作失誤等也是海底管道失效的原因，具體的海底管道失效原因分類如圖2所示。

圖1 在役管道完整性管理Fig.1 Integrity Managmnet of Pipeline In Service

圖2 海底管道失效原因Fig.2 Failure reasons of submarine pipeline

英國PARLOC2001 數(shù)據(jù)庫收集了北海1567條海底管道的泄漏數(shù)據(jù)。這些管道包括鋼質(zhì)（Steel）管道和柔性（Flexible）管道，369起事故進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖可知海底鋼質(zhì)管道的主要失效原因排在前四位的分別為沖擊、管道腐蝕、拋錨撞擊和材料缺陷，共導致80%以上海底管道事故；柔性管道失效的主要原因是材料、沖擊、拋錨、結(jié)構(gòu)和建造[6]。

圖3 海底鋼質(zhì)管道失效因素Fig.3 Failure reasons of submarine steel pipeline

圖4 海底柔性管道失效因素Fig.4 Failure reasons of submarine flexible pipeline

對國內(nèi)1998-2012年公開發(fā)表和報道的19起海底管道泄漏事故進行分析，如圖5所示，可以看出，從公開的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，第三方破壞、沖刷懸空、管道腐蝕、海底自然災害是導致海底管道失效的主要因素，共導致85%以上海底管道事故。

圖5 中國海底管道事故失效原因統(tǒng)計Fig.5 Failure reasons of submarine pipeline in China

3 海底管道完整性管理標準現(xiàn)狀

為了滿足日益增長的能源需求，能源的開發(fā)逐步伸向海洋，并且石油天然氣開發(fā)規(guī)模不斷擴大，海底管道長度迅速增長。為確保海底管道的安全高效運行，相應的完整性管理也日益引起管理公司的重視。2001年，美國石油學會和焊接協(xié)會發(fā)布了API STD 1160和ASME B31.8S標準，通過多年實踐，這兩部標準也不斷更新；為強制進行海底管道安全運行管理，2002年美國國會決議通過了第一個管道安全運營法規(guī)H.R.3609號法規(guī)；2010年美國交通部(DOT)頒布了49CFR Section 192和Section 195，管道完整性管理法規(guī)[7]。

英國、挪威、澳大利亞、丹麥等國政府正聯(lián)合協(xié)作，積極推動海底管道完整性管理方案的建立。目前國外使用較多的是PiMSlider管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是BV結(jié)合10余年管道分析經(jīng)驗開發(fā)出的管道完整性管理系統(tǒng)，是目前唯一大規(guī)模廣泛應用的完整性管理工具。

2005年我國國家發(fā)改委發(fā)布了《輸氣管道系統(tǒng)的完整性管理》標準，該標準等同于ASME B31.8S標準，并以此作為我國石油天然氣行業(yè)的推薦標準。2009年中國石油天然氣集團公司推出了最新企業(yè)標準《管道完整性管理規(guī)范》，但這些標準主要針對陸上管道，對海底管道所處的海床、波浪、海流、海水等特殊情況考慮較少，還不能作為海底管道開展完整性管理研究的依據(jù)[5]。

中國海洋石油總公司自 2008年啟動海底管道完整性管理項目，已初步建立了海底管道的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，但并未完成包括 GIS、數(shù)據(jù)管理、風險評價、管道內(nèi)外檢測、穩(wěn)定性分析、懸跨分析、位移分析在內(nèi)的海底管道完整性管理系統(tǒng)的開發(fā)，也未能實現(xiàn)海底管道完整性管理系統(tǒng)的應用。

4 海底管道風險評價技術(shù)

4.1 風險評價方法分類

按照風險量化程度可以分為三類：定性方法、半定量方法和定量方法。定性方法一般為風險等級的定性描述；半定量方法一般為指標體系法，結(jié)果為一相對數(shù)值，數(shù)值大高低表示風險的高低，為無量綱值；定量方法結(jié)果為具有一定實際意義的數(shù)值，大小表示風險的高低，為有量綱值。常用的海底管道風險評價方法如表1所示：

表1 常用的海底管道風險評價方法Table 1 Typic method of risk assessment

當進行海底管道風險評價時，根據(jù)被評價管道的特點，現(xiàn)有的基礎(chǔ)材料，以及具體的實際情況進行分析比較來選擇合理的評價方法。甚至對于一個評價對象進行多種評價方法進行互補，綜合分析，相互驗證從而提高評價的準確性[8,9]。

4.2 海底管道風險評價模型

胡顯偉[10]，提出一種新的模糊 Bow-tie 模型定量風險評價方法。綜合運用Bow-tie 圖、模糊集以及德爾菲法，定量分析海底油氣管道泄漏概率，同時，結(jié)合風險矩陣，實現(xiàn)對高風險深水海底管道的定量風險評價。

李毅[11]，基于Kent法的基本原理，結(jié)合我國海底管道管理的實際情況，梳理劃分了第三方破壞與機械損傷、腐蝕與沖蝕、結(jié)構(gòu)與設(shè)計、誤操作、自然與地質(zhì)災害5 大類海底管道風險因素，設(shè)計了包含73個指標的風險評價指標體系，建立了半定量的海底管道風險評價模型。

丁鵬[12,13]，基于模糊數(shù)學理論提出了一種海底管道風險評價方法，這種方法能夠有效的避免常規(guī)評價風險中的出現(xiàn)的主觀新，使評價結(jié)果更具客觀性與管道實際情況更加接近，因此具有一定的應用價值。

4.3 管道風險評價軟件

管道風險評價過程涉及大量數(shù)據(jù)處理和計算工作，通常需要軟件輔助完成，國外比較著名的風險評價軟件有加拿大的C-Fer公司的Piramid軟件，美國Dynamic Risk Assessment Systems公司IRAS軟件中的RiskAnalyst模塊，美國American Innovation公司Bass-Trigon開發(fā)的風險評價模塊、美國GE PII公司開發(fā)的 PVI軟件及挪威 DNV開發(fā)的OrbitOffshore軟件。上述這些風險評價軟件能幫助客戶實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、風險計算、結(jié)果展示功能。

國內(nèi)中國石油管道公司基于肯特打分法的半定量風險評價模型開發(fā)了適合中國石油自身特點的風險評價軟件工具RiskScore管道風險評分系統(tǒng)。該軟件可系統(tǒng)全面的識別影響管道完整性的風險因素。另一款軟件為 RiskSharp管道定量風險評分系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一款基于失效統(tǒng)計的管道風險定量評價專業(yè)軟件。該軟件對各風險因素引起的管道失效后果進行貨幣化計算，采用貨幣損失來定量展示風險等級[14]。

雖然我國管道風險評價技術(shù)有所發(fā)展但是相比國外技術(shù)差距很遠主要表現(xiàn)在：① 缺乏有效的量化管道風險評價技術(shù)；② 缺少我國海底管道故障數(shù)據(jù)的收集和分析；③缺少對海底管道失效后果的全面估算和評價；④缺少針對海底管道的風險評價實證研究。

5 結(jié)束語

國內(nèi)外對海底管道完整性管理的研究較為零散，還沒有形成完整的管理體系；完整性管理方法不統(tǒng)一，側(cè)重于力學的理論分析較多。

而目前已開展的管道完整性管理多應用于陸上管道，針對海底管道的運用還不夠系統(tǒng)。因此在鑒國內(nèi)外先進管道完整性管理方法及技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立海底管道風險識別評系統(tǒng)，實現(xiàn)海底管道風險因素監(jiān)控自動化，編制海底管道事故應急預案等，對保障海底管道安全運行具有重要意義。

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［5］胡軍.海底管道完整性管理解決方案研究[D].天津:天津大學,2012.

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［9］楊娥. 海底管道風險評價研究[D]. 南充：西南石油大學, 2012.

［10］胡顯偉, 段夢蘭, 官耀華. 基于模糊 Bow-tie 模型的深水海底管道定量風險評價研究[J]. 中國安全科學學報, 2012, 22(3):128-132.

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［12］丁鵬, 張敏. 基于模糊數(shù)學的海底管道風險評價方法研究[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備, 2011 (5): 6-8.

［13］丁鵬. 海底管線安全可靠性及風險評價技術(shù)研究 [D]. 東營: 中國石油大學 (華東), 2008.

［14］姚偉. 油氣管道完整性管理技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2010:10-40.