長(zhǎng)輸油氣管道安全與完整性管理技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究

董紹華 ，袁士義，張來斌 ，胡瑾秋 *，陳怡玥

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249

2 油氣生產(chǎn)安全與應(yīng)急技術(shù)應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

3 中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京 100081

近年來中國(guó)油氣管道工程穩(wěn)步推進(jìn)，油氣管網(wǎng)逐漸完善，合作建設(shè)多條陸上油氣進(jìn)口通道。中緬、中亞、中哈、中俄油氣長(zhǎng)輸管道先后投入使用[1-2]。隨著管線運(yùn)行時(shí)間的增加，由于管道材質(zhì)老化、制造缺陷、第三方破壞、自然災(zāi)害、誤操作等因素引起的管道泄漏和燃燒爆炸等事故偶有發(fā)生，這類事故不僅破壞生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致人員傷亡，同時(shí)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

自21世紀(jì)以來，管道管理模式發(fā)生了重大變化，管道完整性管理逐漸成為全球管道行業(yè)預(yù)防事故發(fā)生、實(shí)現(xiàn)事前預(yù)控的重要手段，是以管道安全為目標(biāo)并持續(xù)改進(jìn)的系統(tǒng)管理體系。其內(nèi)容涉及管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、監(jiān)控、維修、更換、質(zhì)量控制和通信系統(tǒng)等管理全過程，并貫穿管道整個(gè)全生命周期內(nèi)。

中國(guó)油氣管道完整性管理的發(fā)展歷經(jīng)20余年。自1995年，我國(guó)開展管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管道安全評(píng)價(jià)研究，2001年中石油率先引進(jìn)管道完整性管理并實(shí)施，取得了豐碩成果，形成了“三個(gè)一”的完整性技術(shù)群，即一套技術(shù)體系、一套標(biāo)準(zhǔn)體系、一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，覆蓋管道儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的線路、場(chǎng)站、儲(chǔ)氣庫和系統(tǒng)平臺(tái)等多個(gè)領(lǐng)域。線路方面形成了本體安全保障、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制、輸送介質(zhì)安全保障、搶維修及應(yīng)急保障等技術(shù)群。場(chǎng)站完整性管理形成了站場(chǎng)工藝設(shè)施檢測(cè)與評(píng)估、壓縮機(jī)組診斷評(píng)估、定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全等級(jí)評(píng)估、設(shè)施完整性評(píng)價(jià)等技術(shù)群。儲(chǔ)氣庫完整性管理領(lǐng)域形成了地下儲(chǔ)氣庫風(fēng)險(xiǎn)控制、儲(chǔ)氣庫建庫及運(yùn)行安全技術(shù)群。管道完整性系統(tǒng)平臺(tái)領(lǐng)域形成了基于業(yè)務(wù)多源數(shù)據(jù)的管道應(yīng)急決策GIS系統(tǒng)，智能管網(wǎng)初步在中俄東線建成。

本文依托中國(guó)工程院 “油氣長(zhǎng)輸管道國(guó)家治理體系戰(zhàn)略問題研究” 項(xiàng)目中“油氣長(zhǎng)輸管道安全與應(yīng)急科技支撐體系研究”課題，在分析我國(guó)管道完整性現(xiàn)狀與瓶頸的基礎(chǔ)上，對(duì)未來發(fā)展方向與關(guān)鍵技術(shù)提出了具體發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)從技術(shù)、政策與科研能力建設(shè)3個(gè)方面做出規(guī)劃部署，最后提出了實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)的對(duì)策建議。

1 長(zhǎng)輸油氣管道完整性研究現(xiàn)狀分析

1.1 管道完整性發(fā)展進(jìn)程

我國(guó)管道完整性理論和技術(shù)體系基本來自于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。經(jīng)過多年建設(shè)國(guó)外已形成執(zhí)行嚴(yán)格、監(jiān)管到位的管道安全管理體系。美國(guó)1968年頒布了第一部與管道安全有關(guān)的立法《天然氣管道安全法》[3]；2002年頒布了《管道安全改進(jìn)法案》[4]，2006年頒布了《2006管道檢測(cè)、保護(hù)、實(shí)施及安全法案》，為管道完整性管理、腐蝕控制提供了法律保障；2012年頒布了《管道運(yùn)輸安全改進(jìn)法》。英國(guó)1962年頒布了《管道法》[5]，1996年《管道安全條例》[6]問世。英國(guó)也在積極推廣完整性管理工作，于2008年發(fā)布了公眾可獲取規(guī)范文件“PAS 55—資產(chǎn)管理”[7]，強(qiáng)調(diào)通過系統(tǒng)的和協(xié)調(diào)性的活動(dòng)和方法，以最優(yōu)的方式來管理其資產(chǎn)和資產(chǎn)生命周期內(nèi)的資產(chǎn)相關(guān)的性能、風(fēng)險(xiǎn)和支出，以實(shí)現(xiàn)其組織戰(zhàn)略計(jì)劃。2009年，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(BSI)發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)《陸上鋼制管道實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)》，給出了高壓天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的流程和方法，并明確給出了員工個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)、公眾個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的可接受范圍(ALARP)。目前，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)正在制定其完整性管理標(biāo)準(zhǔn)《管道系統(tǒng)第四部分：陸上海底鋼制管道完整性管理實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)》。德國(guó)的全部法律以制定法為主，不僅有體系完整的各種法典，也有大量的單行法規(guī)和比較完備的司法制度。涉及地下管線綜合管理的主要有：德國(guó)建設(shè)法典(BauGB)、能源經(jīng)濟(jì)法(EnWG)、各種單行管線法規(guī)。

在管道完整性相關(guān)技術(shù)研究方面，通過使用Citespace文獻(xiàn)計(jì)量軟件[8]分析2000年至今的研究發(fā)展歷程可見，2002至2005年的研究主要圍繞管道的腐蝕機(jī)理與腐蝕監(jiān)測(cè)，2010年左右形成了較完善的管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)模型聚類，2013年形成了包括管道焊縫[9]、裂紋與斷裂行為的殘余應(yīng)力聚類[10]，2015年與2016年分別形成了響應(yīng)決策與完整性評(píng)價(jià)的聚類[11-13]，2018年形成了包括內(nèi)檢測(cè)器與清管器[14-15]的研究聚類。如圖1所示。

圖1 基于關(guān)鍵詞分析的管道完整性發(fā)展進(jìn)程Fig.1 Pipeline integrity development process based on keyword analysis.

我國(guó)管道的完整性管理經(jīng)歷了引進(jìn)吸收再創(chuàng)新的過程，二十余年取得了重要進(jìn)展。2001年中石油北京天然氣管道公司制訂了完整性體系文件，將陜京管道完整性管理程序文件、作業(yè)文件納入HSE體系中；2002年—2003年聯(lián)合英國(guó)Advantica公司改造了中油管道檢測(cè)技術(shù)有限公司(原中油管道技術(shù)公司)液體管道檢測(cè)器適用于天然氣管道，首次在國(guó)內(nèi)完成了陜京一線912.5 km的高壓大口徑天然氣管道的內(nèi)檢測(cè)；2004年3月在中國(guó)石油管道管理與技術(shù)交流會(huì)上，北京天然氣管道公司發(fā)表了“以管道安全為中心，完整性管理為手段，開創(chuàng)管道管理的新局面”的技術(shù)交流論文并演講，完整性管理引起高度重視；2004年7月陜京天然氣管線結(jié)合自身特點(diǎn)建立了管道完整性管理模式，完成了從管理理念向?qū)嵤┓矫娴霓D(zhuǎn)變，“陜京管道完整性管理模式與應(yīng)用研究”項(xiàng)目取得重要進(jìn)展，建立了適用的陜京管道完整性管理文件體系，同時(shí)在技術(shù)研發(fā)方面取得重要成果，全面系統(tǒng)的研究陜京管道完整性關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)國(guó)產(chǎn)化X60管線鋼開展研究，在管道漏磁內(nèi)檢測(cè)、缺陷評(píng)價(jià)、復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)方面，取得多項(xiàng)成果，初步建立了較為適用的陜京管道完整性技術(shù)體系[16]；2005年中石油引進(jìn)了國(guó)外PII公司的高清晰度內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，在大港儲(chǔ)氣庫配套管線港清(復(fù))線711 mm上首次應(yīng)用獲得成功；2005年中石油引進(jìn)了英國(guó)導(dǎo)波公司的超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)和方法，并在全國(guó)推廣應(yīng)用；2006年9月，在加拿大IPC管道國(guó)際會(huì)議上，北京管道公司發(fā)表了“陜京管道完整性管理最佳實(shí)踐”的大會(huì)主題報(bào)告[17]；2007年中石油引進(jìn)TNO-RISCURVE、ANSYS、ABQUS等管道力學(xué)分析方法，上述技術(shù)方法至今仍在線路場(chǎng)站風(fēng)險(xiǎn)管理中發(fā)揮重要作用，繼續(xù)完善了完整性管理體系，形成包含線路、站場(chǎng)、儲(chǔ)氣庫、系統(tǒng)平臺(tái)的完整性控制與安全保障體系，建立了管道安全與材料測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。2008年以來發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管道公眾警示程序，規(guī)范管道第三方日常管理活動(dòng)；2009年中石油管道材料測(cè)試與安全實(shí)驗(yàn)室國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可委員會(huì)CNAS證書，構(gòu)建了完整性管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，共牽頭發(fā)布制訂企業(yè)和行業(yè)79部完整性管理標(biāo)準(zhǔn)[18]，2007年—2009年中國(guó)石油管道公司牽頭開展管道完整性管理體系研究，針對(duì)所轄各類型管道開展研究技術(shù)與管理體系，初步建立管道完整性GIS系統(tǒng)；2009年中石油制定了一套中石油集團(tuán)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T1080.1-8-2009系列標(biāo)準(zhǔn)；2011年中石油管道完整性管理系統(tǒng)(PIS)上線運(yùn)行，中石油所屬管道企業(yè)全面應(yīng)用；2011年中石油管道公司針對(duì)在役管道螺旋焊縫檢測(cè)、評(píng)價(jià)、修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)取得重要進(jìn)展，與PII共同研發(fā)螺旋焊縫三軸高清檢測(cè)技術(shù)，解決了東北管網(wǎng)螺旋焊縫檢測(cè)的難題；2012年螺旋焊縫檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)在卡爾加里國(guó)際管道大會(huì)上宣讀成果，并被授予全球管道獎(jiǎng)；2014年國(guó)家能源局發(fā)布了應(yīng)力腐蝕SCCDA評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[19-20]。自2015年以來，我國(guó)完整性管理快速高質(zhì)量發(fā)展，相繼發(fā)布了《SY/T6975-2014管道系統(tǒng)完整性管理實(shí)施指南》[21]、《GB32167-2015油氣管道系統(tǒng)完整性管理規(guī)范》[22]等國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，三軸超高清數(shù)字化亞毫米級(jí)復(fù)合檢測(cè)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化、中石化智慧管道系統(tǒng)在中石化所屬管道企業(yè)全面推廣，基于數(shù)據(jù)孿生的智慧管網(wǎng)建設(shè)在中俄東線成功完成并應(yīng)用、站庫區(qū)完整性管理技術(shù)日趨成熟和應(yīng)用，這些均標(biāo)志著我國(guó)在油氣管道系統(tǒng)完整性關(guān)鍵技術(shù)與工業(yè)化應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展。

1.2 管道完整性研究熱點(diǎn)

目前國(guó)際上對(duì)管道完整性研究的熱點(diǎn)問題集中在內(nèi)腐蝕檢測(cè)[23-25]、殘余應(yīng)力與退化曲線[26]、智能清管器、漏磁檢測(cè)、低碳鋼[27]等方向。國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)則主要分布在管道內(nèi)檢測(cè)器開發(fā)與應(yīng)用、無損檢測(cè)技術(shù)(包括漏磁檢測(cè)[28-32]、電磁超聲檢測(cè)以及多功能復(fù)合檢測(cè)技術(shù)等)、完整性評(píng)估理論體系、管道管材失效控制、維修技術(shù)以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制技術(shù)等。

管道完整性管理按照資產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)劃分為管道本體、管道防腐、管道地質(zhì)災(zāi)害和周邊環(huán)境、站場(chǎng)及設(shè)施、地下儲(chǔ)氣庫等5大類[33]。針對(duì)各類結(jié)構(gòu)開展針對(duì)性的檢測(cè)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)管控、搶維修、應(yīng)急與決策支持技術(shù)研究。建立了完善的管道完整性管理的標(biāo)準(zhǔn)體系、管理體系和技術(shù)體系[34-38]，提出了管道完整性管理的6步循環(huán)，整體包括數(shù)據(jù)采集、高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、減緩與維修、效能評(píng)價(jià)，提出了管道完整性數(shù)據(jù)和檢測(cè)、評(píng)估等技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，地理信息系統(tǒng)和企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)與構(gòu)架，給出了管道完整性管理體系的實(shí)施流程。

1.3 我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在管道完整性領(lǐng)域的研究與2006年左右形成聚類，略晚于美國(guó)、英國(guó)、加拿大與澳大利亞，但截止目前發(fā)文量?jī)H次于美國(guó)位列第二，如圖3所示。當(dāng)前我國(guó)主要發(fā)展的管道完整性研究與成果包括以下幾個(gè)方面。

圖3 管道完整性研究國(guó)家發(fā)文量與中心度Fig.3 National publication volume and centrality of pipeline integrity research.

1.3.1 完整性管理體系

我國(guó)學(xué)者相繼提出了完整性管理需覆蓋管道站場(chǎng)、海底管道、燃?xì)夤芫W(wǎng)、集輸管網(wǎng)、LNG接收站、儲(chǔ)氣庫設(shè)施；完整性專項(xiàng)技術(shù)包括定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)、管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，有限元仿真模擬技術(shù)，泵機(jī)組、壓縮機(jī)組在線檢測(cè)與故障診斷技術(shù)，失效分析技術(shù)等需要深入研究，大量的實(shí)踐證明管道安全預(yù)測(cè)、檢測(cè)、預(yù)防、分析、診斷等方法和技術(shù)，對(duì)降低事故發(fā)生頻率起了很大的作用，我國(guó)管道平均事故率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)由0.4次/每千公里年降低為0.25次/每千公里年，西氣東輸、陜京系統(tǒng)的事故率均低于在0.1次/每千公里年，達(dá)到安全管理的國(guó)際一流水平。

1.3.2 完整性控制技術(shù)

圖2 管道完整性研究主題聚類Fig.2 Pipeline integrity research topic clustering.

我國(guó)分別對(duì)管道管體、站場(chǎng)與儲(chǔ)氣庫等附屬設(shè)施形成了較為全面的完整性控制技術(shù)。針對(duì)管道本體，從管道內(nèi)外腐蝕檢測(cè)、殘余應(yīng)力使用安全性、管道韌性材料起裂評(píng)估等多方面保障管道安全性。建立管道完整性評(píng)估理論體系，針對(duì)管道氫致開裂[40-42]、環(huán)焊縫/螺旋焊縫[43-48]/平面型缺陷評(píng)估理論與完整性評(píng)估模型，解決了老舊管線螺旋焊縫量化評(píng)價(jià)的難題。在可靠性、油氣介質(zhì)泄漏、地震災(zāi)害、管道地區(qū)等級(jí)升級(jí)等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制技術(shù)也有一定成果，并建立了基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的管道維護(hù)決策支持系統(tǒng)。

1.3.3 管道現(xiàn)代信息技術(shù)

經(jīng)過20余年的發(fā)展，我國(guó)油氣管道完整性管理技術(shù)日臻成熟。從油氣長(zhǎng)輸管道的完整性管理逐步向油氣設(shè)施裝備、城市燃?xì)夤艿馈⒂蜌馓锛敼芫W(wǎng)的完整性方向擴(kuò)展，并取得多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新成果[49-52]，通過建立管道完整性管理安全管控模式，消除了大量安全隱患，通過在各個(gè)方法的技術(shù)創(chuàng)新建立了管理中新的決策模式，大大提高了決策的智能性，實(shí)現(xiàn)了油氣設(shè)施檢測(cè)維修的有效性[50]。其中管道信息化在推進(jìn)完整性管理的智能化和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)等方面發(fā)揮主要作用，通過在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、系統(tǒng)架構(gòu)和決策支持等方面開展工作，提升了數(shù)據(jù)的整體價(jià)值以及數(shù)據(jù)應(yīng)用水平[54-59]。管道完整性管理利用管道歷史數(shù)據(jù)資料，例如建設(shè)期數(shù)據(jù)、內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)、日常運(yùn)行數(shù)據(jù)、外部環(huán)境數(shù)據(jù)等，經(jīng)校準(zhǔn)、對(duì)齊、整合，以構(gòu)建統(tǒng)一的管道大數(shù)據(jù)庫，從而形成管道多源大數(shù)據(jù)[60]，通過搭建大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的形式，實(shí)現(xiàn)可視化決策支持。

1.3.4 管道應(yīng)急技術(shù)

我國(guó)專家學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法研究油氣輸送介質(zhì)在泄漏后的擴(kuò)散速度和范圍[61-67]，以輔助應(yīng)急搶險(xiǎn)搶維修設(shè)備研發(fā)以及各層級(jí)不同險(xiǎn)種的應(yīng)急搶險(xiǎn)機(jī)制的完善，有效的提高了對(duì)管道突發(fā)事故的處置能力。截至目前，相對(duì)完善的管道泄漏維搶修技術(shù)包括：開孔封堵、管內(nèi)智能封堵、外卡夾具，以及可用于尚未發(fā)生泄漏的含缺陷管道的復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)。此外，厭氧型密封膠密封連接、針孔泄漏修復(fù)夾具等新型修復(fù)技術(shù)也為管道維搶修提供了更多的選擇[67-70]。

2 我國(guó)管道完整性研究存在瓶頸

2.1 高級(jí)鋼與老舊管道焊縫檢測(cè)技術(shù)交叉應(yīng)用困難

老舊管線存在不同程度腐蝕、裂紋、應(yīng)力集中等缺陷。隨著X80級(jí)以上高鋼級(jí)管道的應(yīng)用，以及在役老舊管道越來越接近失效的高發(fā)期，環(huán)焊縫開裂成為管道失效的主要因素。管道應(yīng)力狀態(tài)長(zhǎng)期處于交變載荷環(huán)境，有的處于河谷地帶、大江大河穿跨越等地段。目前高清內(nèi)檢測(cè)技術(shù)難以有效量化焊縫的體積型和裂紋型缺陷，并且受到諸多條件限制，環(huán)焊縫裂紋檢測(cè)問題成為制約管道安全的世界性難題。需要研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下高鋼級(jí)焊縫容許的應(yīng)力、應(yīng)變極限狀態(tài)，以及焊接的金相組織結(jié)構(gòu)、焊接工藝熱處理、焊縫的最大失效抗力等多因素耦合的問題，盡快建立焊縫內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)與無損檢測(cè)射線圖像的表征關(guān)系，找出存在的缺陷。

2.2 天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)仍存在技術(shù)困難

天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)方法較多，各有利弊，但整體技術(shù)亟待完善提高。數(shù)據(jù)分析法主要依據(jù)SCADA采集的數(shù)據(jù)，以及流量計(jì)溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)找出泄漏的位置，缺點(diǎn)是定位精度低、反應(yīng)慢。次聲原理法受環(huán)境噪聲的影響，加大了對(duì)泄漏信號(hào)提取的難度，影響了泄漏監(jiān)測(cè)與定位，小泄漏的判斷定位難度較大；負(fù)壓波法要求較大的壓力降，適用于大泄漏或突發(fā)泄漏；音波聲波法因其波長(zhǎng)短、頻率高等自身特點(diǎn)，衰減速度比較快，長(zhǎng)距離很有可能檢測(cè)不到信號(hào)。

2.3 公共服務(wù)與第三方防范技術(shù)亟待完善

我國(guó)尚未建立國(guó)家層面統(tǒng)一的挖掘報(bào)警系統(tǒng)，以及統(tǒng)一的管道安全特定施工作業(yè)申請(qǐng)與審批程序。未建立國(guó)家管道地理信息系統(tǒng)和與之配套的施工挖掘信息查詢統(tǒng)一呼叫電話，未采取多舉措預(yù)防施工挖掘過程中損壞管道事故的發(fā)生。

對(duì)打孔盜油和施工挖掘損壞仍以人防為主。社會(huì)參與度低，預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)沒有實(shí)質(zhì)性突破，北斗衛(wèi)星、遙感技術(shù)、無人機(jī)巡線技術(shù)仍然處于局部應(yīng)用和適用發(fā)展階段，不能完全代替人工巡線；光纖第三方入侵技術(shù)仍然存在誤報(bào)率高、靈敏度低、光纖振動(dòng)信號(hào)微弱等情況?；诖髷?shù)據(jù)的第三方防范技術(shù)、基于視頻的第三方影像識(shí)別技術(shù)還處于研究階段。

2.4 地區(qū)等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管控面對(duì)動(dòng)態(tài)挑戰(zhàn)

隨著現(xiàn)代城市擴(kuò)張，原本人口稀少的地區(qū)已變成人口稠密的市區(qū)中心地帶。根據(jù)中國(guó)石油所屬22個(gè)地區(qū)分公司的初步調(diào)查，地區(qū)等級(jí)升級(jí)點(diǎn)達(dá)到9800多處。越來越多的管道地區(qū)升級(jí)情況對(duì)在役管道的安全管理帶來了更大的挑戰(zhàn)，因此非常有必要采取合理的風(fēng)險(xiǎn)控制措施以應(yīng)由此產(chǎn)生的一系列問題。我國(guó)目前缺乏地區(qū)等級(jí)升級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和管控措施，政府和企業(yè)對(duì)地區(qū)升級(jí)管控均有顧慮，出臺(tái)管控標(biāo)準(zhǔn)后對(duì)企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管控目標(biāo)的落實(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2.5 智慧管道成果尚不能滿足需求

智慧管道突出特點(diǎn)是管道數(shù)據(jù)深度挖掘與智能化決策支持。“智慧管道”概念衍生于“智慧地球”和“智慧城市”。2017年6月，中國(guó)石油集團(tuán)公司依托中俄東線天然氣管道工程試點(diǎn)建設(shè)了首條智能化管道。同年11月，中國(guó)石化發(fā)布了智能化管道管理系統(tǒng)2.0版。在2018年、2019年的中國(guó)智能管道大會(huì)上，中國(guó)石油管道公司和中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司分別發(fā)布了油氣智慧管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。目前，針對(duì)智能管道、智慧管網(wǎng)的宏觀設(shè)計(jì)較多，但具體的實(shí)現(xiàn)方法與問題討論相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)智慧管道建設(shè)均處于數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)階段，管道系統(tǒng)大數(shù)據(jù)尚未形成。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用案例相對(duì)較少，僅限于在管道風(fēng)險(xiǎn)分析、內(nèi)檢測(cè)等方面的初步探索，缺乏深度分析和決策支持應(yīng)用；基于大數(shù)據(jù)的管道泄漏監(jiān)測(cè)和預(yù)警、災(zāi)害預(yù)警、腐蝕控制管理仍然屬于空白；基于大數(shù)據(jù)的決策支持平臺(tái)僅完成系統(tǒng)架構(gòu)搭建，未實(shí)現(xiàn)決策支持功能的落地。如何提升模型的適用性和針對(duì)性，有效應(yīng)用于管道運(yùn)行管理及評(píng)估，把各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)等集成于一體還有待攻關(guān)。

2.6 管道信息安全面臨威脅

在管道智慧化建設(shè)的同時(shí)，對(duì)包括蓄意攻擊及非蓄意行為導(dǎo)致管道信息空間出現(xiàn)故障或異常的信息安全威脅這一新型、復(fù)雜安全隱患，缺乏充分認(rèn)識(shí)和有效檢測(cè)與預(yù)警方法。隨著數(shù)字時(shí)代的來臨，網(wǎng)絡(luò)攻擊呈現(xiàn)新特點(diǎn)、新趨勢(shì)。針對(duì)油氣管道系統(tǒng)有效的威脅通常是通過本地或遠(yuǎn)程訪問在網(wǎng)絡(luò)域中啟動(dòng)，模仿組件故障，同時(shí)隔離網(wǎng)絡(luò)與物理系統(tǒng)之間的連接，從而使油氣輸運(yùn)物理過程不受控制。這將會(huì)導(dǎo)致油氣輸運(yùn)過程延遲、動(dòng)力機(jī)組拒絕服務(wù)(DoS)，從而導(dǎo)致核心業(yè)務(wù)停擺或能量/物料的意外釋放。例如，美國(guó)最大成品油管道運(yùn)營(yíng)商Colonial Pipeline因受到勒索軟件攻擊，被迫關(guān)閉其美國(guó)東部沿海各州供油的關(guān)鍵燃油網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)達(dá)一周[71]。與物理實(shí)體在自然界的失效相比，信息安全威脅對(duì)油氣管道的運(yùn)行具有創(chuàng)造更大災(zāi)難性后果的潛力[72]。因此在信息安全威脅深度跨域迭代以及攻擊模式多樣化的雙重挑戰(zhàn)下，急需從“信息-物理-社會(huì)”系統(tǒng)視角，研究油氣智慧管道信息安全威脅驅(qū)動(dòng)的新型致災(zāi)機(jī)理，創(chuàng)建早期預(yù)警方法，實(shí)現(xiàn)油氣管道智慧、安全、可持續(xù)并行發(fā)展。

3 未來我國(guó)管道完整性技術(shù)發(fā)展方向

針對(duì)我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道所面臨的問題，未來發(fā)展必需緊緊圍繞管道本質(zhì)安全和公共安全風(fēng)險(xiǎn)控制為核心，全面實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的高效運(yùn)行和安全管控，保障能源供給。在管道完整性技術(shù)層面上將建立基于全生命周期的智慧管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制，全面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化數(shù)據(jù)采集、風(fēng)險(xiǎn)因素精準(zhǔn)識(shí)別、系統(tǒng)自適應(yīng)反饋與控制、高精度的完整性檢測(cè)評(píng)價(jià)等，最大限度降低失效概率，減少次生災(zāi)害發(fā)生。

3.1 油氣管道檢測(cè)技術(shù)及裝備

通過理論研究、計(jì)算模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究電磁控陣、壓電超聲、自動(dòng)超聲、瞬變電磁、主動(dòng)聲波、機(jī)器人、高頻導(dǎo)波等信號(hào)的發(fā)射與接收技術(shù)，探索檢測(cè)信號(hào)傳輸過程中遇到裂紋、缺陷時(shí)的反射信號(hào)規(guī)律，開發(fā)反射信號(hào)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，形成裂紋、缺陷的顯示方法，最終開發(fā)管道內(nèi)檢測(cè)、環(huán)焊縫檢測(cè)、外檢測(cè)技術(shù)與裝備，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在管道檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備方面的空白，為油氣管道的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行、定期檢測(cè)、完整性評(píng)估等提供技術(shù)支持，減少油氣管道的事故發(fā)生率。主要可圍繞管道缺陷檢測(cè)、管道狀態(tài)監(jiān)測(cè)檢測(cè)與定位等方面相關(guān)技術(shù)開展，如圖4所示。

圖4 油氣管道檢測(cè)技術(shù)及裝備發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)Fig.4 Development Key technology of oil and gas pipeline detection technology and equipment.

3.2 智慧管道系統(tǒng)信息安全威脅致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

針對(duì)智慧管道信息安全威脅新型攻擊行為建模，重點(diǎn)研究3種典型攻擊模式(多步攻擊、觀察性攻擊、橫向移動(dòng)攻擊)的動(dòng)態(tài)行為特點(diǎn)，研究典型油氣輸運(yùn)環(huán)節(jié)(長(zhǎng)輸管道段、海底管道段、沿海接收站、海上浮式輸運(yùn)段等)的建模方法。開展信息安全威脅的跨域響應(yīng)及其時(shí)間依賴性研究，研究攻擊行為和智慧管道系統(tǒng)固有響應(yīng)機(jī)制之間的動(dòng)態(tài)交互特性，建立攻擊者行為預(yù)測(cè)和安全態(tài)勢(shì)評(píng)估方法。

基于網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)功能的信息安全威脅跨域傳播機(jī)理研究。研究信息安全威脅下管道各系統(tǒng)破壞與功能損失之間的關(guān)系。研究被攻擊系統(tǒng)各種狀態(tài)(滲透狀態(tài)，受影響狀態(tài)和受到損害的狀態(tài))的判定和定量建模，建立含狀態(tài)轉(zhuǎn)移、故障積累強(qiáng)度以及暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間的定量表征方法，提出智慧管道系統(tǒng)安全態(tài)勢(shì)失穩(wěn)奇點(diǎn)和判據(jù)。建立不同節(jié)點(diǎn)漏洞組合的攻擊能力和系統(tǒng)脆弱性評(píng)價(jià)方法，并分析系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)對(duì)各種攻擊類型時(shí)間窗口的敏感性。

3.3 公共安全的重大隱患監(jiān)測(cè)與防護(hù)

針對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道中的管輸產(chǎn)品泄漏、第三方破壞、地質(zhì)災(zāi)害、大型輸油泵故障、雜散電流腐蝕等威脅，通過理論研究、仿真計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，圍繞微弱泄漏信號(hào)提取與定位、長(zhǎng)距離光纖傳感與復(fù)雜信號(hào)識(shí)別、地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別監(jiān)測(cè)、大型輸油泵多源信息融合診斷、罐區(qū)激光多組分氣體泄漏探測(cè)、高壓直流干擾防御和評(píng)價(jià)等技術(shù)難點(diǎn)，開展油氣管道安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)與防護(hù)技術(shù)研究。研制主動(dòng)激勵(lì)式輸油管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備、基于復(fù)合模式光時(shí)域反射分布式光纖傳感原理的長(zhǎng)距離油氣管道安全預(yù)警技術(shù)及設(shè)備，地質(zhì)災(zāi)害作用下管土耦合監(jiān)測(cè)技術(shù)、建立個(gè)性化故障模式庫和診斷標(biāo)準(zhǔn)庫，開發(fā)多源信息融合診斷和預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)、布設(shè)安裝方案和綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成油氣管道雜散電流干擾危害評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和油氣管道安全監(jiān)測(cè)及防護(hù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，提高管道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控水平。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)定量化

針對(duì)特殊敷設(shè)方式和環(huán)境敏感區(qū)管段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)定量化程度不高的問題，以“中國(guó)石油管道失效庫”積累的典型失效案例為基礎(chǔ)，結(jié)合中石油2009年以來風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)開展研究。采用不確定性方法進(jìn)行管道及油罐失效概率理論研究，改進(jìn)管道及油罐失效概率模型，通過生命線工程影響范圍仿真計(jì)算、管道和油罐失效后果仿真計(jì)算，獲得災(zāi)害強(qiáng)度分布和風(fēng)險(xiǎn)值，進(jìn)行災(zāi)害分級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)和隱患分級(jí)，提出隱患治理與風(fēng)險(xiǎn)管控措施。主要可圍繞管道安全評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方面相關(guān)技術(shù)開展，具體技術(shù)可包括： (1)環(huán)境敏感區(qū)和特殊敷設(shè)方式下的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)；(2)環(huán)境敏感型高后果區(qū)泄漏事故仿真與決策支持技術(shù)；(3)管道信息安全威脅致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析與早期預(yù)警；(4)多因素耦合下作用下的管道安全評(píng)定技術(shù)。

3.5 維搶修技術(shù)與設(shè)備

針對(duì)油氣管道智能維搶修封堵器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、速度及姿態(tài)控制難題及高鋼級(jí)、高壓力、厚壁油氣管道的封堵密封嚴(yán)密性和可靠性問題?；诂F(xiàn)有國(guó)內(nèi)油氣管道維搶修技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)外成熟、先進(jìn)的油氣管道維搶修技術(shù)，以“油氣管道在線開孔封堵”技術(shù)為依托，針對(duì)近年的大口徑規(guī)格管道(如中俄東線、陜京四線等)進(jìn)行相應(yīng)維修、搶修裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)。針對(duì)國(guó)際上最先進(jìn)的“管道智能維搶修封堵器”開展攻關(guān)研制，搜集國(guó)內(nèi)外的相關(guān)資料，通過對(duì)該裝備的行走、錨定機(jī)械設(shè)計(jì)以及無線通信定位等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，掌握該設(shè)備的自主設(shè)計(jì)、研發(fā)、應(yīng)用。具體技術(shù)可包括：(1)油氣管道無痕(免三通)維搶修技術(shù)及工藝研究；(2)油氣管道泄漏快速疏導(dǎo)與堵漏技術(shù)及裝備；(3)特殊地區(qū)管道高效維搶修技術(shù)。

3.6 設(shè)施完整性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

針對(duì)以高鋼級(jí)為主的管道完整性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不確定的問題，通過理論計(jì)算、有限元模擬、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證方法，研究高鋼級(jí)管道完整性評(píng)價(jià)技術(shù)。通過研制開發(fā)小沖桿試驗(yàn)裝置及微探針壓痕測(cè)試方裝置，建立油氣管道微損試樣試驗(yàn)方法。以中石油干線管網(wǎng)在用離心式壓縮機(jī)失效案例為基礎(chǔ)，通過建立核心部件失效模式庫，建立離心式壓縮機(jī)組損傷、腐蝕及疲勞評(píng)價(jià)方法。具體技術(shù)可包括：(1)高鋼級(jí)管道完整性與適用性評(píng)價(jià)技術(shù)；(2)高鋼級(jí)管材各向異性與變形和斷裂行為技術(shù)；(3)大口徑高壓油氣管道韌性止裂關(guān)鍵技術(shù)；(4)復(fù)雜載荷下環(huán)焊縫的缺陷容限判定技術(shù)；(5)低溫低應(yīng)力管材脆性斷裂控制技術(shù)；(6)高壓/超高壓直流輸電干擾下管道腐蝕控制技術(shù)；(7)X80管道在內(nèi)壓及外載條件下的承壓能力及缺陷增長(zhǎng)規(guī)律研究；(8)信息安全威脅下智慧管道新型失效機(jī)理與致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

3.7 安全與應(yīng)急輔助決策支持

圍繞管網(wǎng)系統(tǒng)安全綜合評(píng)價(jià)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)兩條主線，建立管道安全保障技術(shù)體系及安全保障決策支持平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管道重大災(zāi)害區(qū)域預(yù)測(cè)及應(yīng)急資源調(diào)配決策支持；通過大型物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃投喾N環(huán)境下的工程示范作為測(cè)試手段和應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管道安全保障技術(shù)體系的工程應(yīng)用。

3.8 管道完整性智能化管控

建設(shè)智能化管控系統(tǒng)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，聯(lián)動(dòng)管道本體及附屬設(shè)施、管線運(yùn)行、管線隱患、周邊環(huán)境等數(shù)據(jù)信息，集管線運(yùn)行管理、應(yīng)急響應(yīng)管理、隱患治理管理、巡線管理應(yīng)用、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能為一體，形成數(shù)字化、可視化、標(biāo)準(zhǔn)化的智能管控模式。

4 保障措施和對(duì)策建議

4.1 政策保障及對(duì)策建議

4.1.1 完整性管理體系建立與審核

針對(duì)國(guó)內(nèi)管道完整性管理存在的問題，從企業(yè)完整性管理體系建立的框架、技術(shù)、方法、內(nèi)容出發(fā)，發(fā)展完整性管理體系的質(zhì)量控制、技術(shù)培訓(xùn)和管理審核等關(guān)鍵要素的具體技術(shù)與方法。

4.1.2 管理體制機(jī)制

研究我國(guó)油氣管道全生命周期的管理體制、機(jī)制建設(shè)方案，國(guó)家管網(wǎng)與地方管網(wǎng)的供需關(guān)系，上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)和供需關(guān)系以及油氣田和社會(huì)資源的銜接。

4.1.3 管道安全立法方面

持續(xù)增強(qiáng)對(duì)油氣管道安全管理的研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行法律法規(guī)中隨著社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生的與管道安全管理實(shí)際情況不相匹配的問題，解決油氣管道安全管理相關(guān)的法律《石油天然氣管道保護(hù)法》、《特種設(shè)備安全法》及新《安全生產(chǎn)法》之間相互矛盾的問題，提供配套標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)制度的支撐，合并與石油石化行業(yè)長(zhǎng)輸油氣管道相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求存在的差異。在完善技術(shù)支持體系建設(shè)的基礎(chǔ)上，提高與管道安全相關(guān)的法律法規(guī)的適用性和執(zhí)行力。

建立管道地役權(quán)制度，保障管道企業(yè)的用地權(quán)利和土地權(quán)利人的合法利益，化解矛盾沖突，改善企民關(guān)系。調(diào)節(jié)涉及民事關(guān)系，管道通過農(nóng)村集體土地和他人取得使用權(quán)的國(guó)有土地、影響土地使用的，管道企業(yè)應(yīng)當(dāng)給予補(bǔ)償。

4.2 科研能力建設(shè)保障及對(duì)策建議

4.2.1 國(guó)家級(jí)管道安全與完整性實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

依托優(yōu)勢(shì)學(xué)科開展技術(shù)研發(fā)工作，努力籌建國(guó)家級(jí)管道安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，配套建立大型工程實(shí)驗(yàn)室，建議包括：管道工藝實(shí)驗(yàn)室、管道安全實(shí)驗(yàn)室、管道材料實(shí)驗(yàn)室、管道防腐實(shí)驗(yàn)室、管道環(huán)保實(shí)驗(yàn)室、管道完整性實(shí)驗(yàn)室、管道焊接實(shí)驗(yàn)室、管道內(nèi)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室、維搶修技術(shù)與裝備材料實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)力診斷實(shí)驗(yàn)室、智慧管道信息安全實(shí)驗(yàn)室等。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化，用于油氣管道安全與完整性領(lǐng)域主體技術(shù)的研發(fā)。

在科技創(chuàng)新能力建設(shè)上，國(guó)家級(jí)管道安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以油氣設(shè)施安全、完整性、大數(shù)據(jù)及工程實(shí)踐為主體的產(chǎn)學(xué)研一體化工程中心，瞄準(zhǔn)世界前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)研發(fā)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

4.2.2 持續(xù)穩(wěn)定科技研發(fā)投入強(qiáng)度

建議依據(jù)國(guó)家科技投入要求，按照國(guó)家油氣管網(wǎng)公司與各大石油天然氣公司科技投入平均水平，建立油氣長(zhǎng)輸管道安全與應(yīng)急科研經(jīng)費(fèi)穩(wěn)定投入機(jī)制。

4.2.3 搭建國(guó)內(nèi)外管道技術(shù)交流平臺(tái)

強(qiáng)化交流合作，堅(jiān)持“1+N”的科技創(chuàng)新模式，加強(qiáng)同國(guó)內(nèi)外企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)合作與交流。積極參加國(guó)際管道協(xié)會(huì)(PRCI)研究工作，實(shí)現(xiàn)與國(guó)外管道研究機(jī)構(gòu)技術(shù)共享。建立以中國(guó)國(guó)際管道會(huì)議為主、國(guó)際研習(xí)會(huì)為輔的技術(shù)交流平臺(tái)，及時(shí)掌握國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)。加大人才引進(jìn)力度，積極引進(jìn)和培育高端技術(shù)人才。

4.2.4 加強(qiáng)科技成果共享及推廣應(yīng)用

改進(jìn)研發(fā)組織模式，試行科技項(xiàng)目研究應(yīng)用一體化，需求提出部門牽頭研究，并負(fù)責(zé)應(yīng)用。開展油氣長(zhǎng)輸管道安全與應(yīng)急科技成果集成，將“十三”以來在不同層次、不同地區(qū)公司產(chǎn)生的、分散在不同研究單位的科技成果統(tǒng)一集成，形成系統(tǒng)的技術(shù)成果，在所屬管道企業(yè)全面推廣。建立有效的獎(jiǎng)懲機(jī)制，對(duì)推廣面廣、經(jīng)濟(jì)效益好的科技成果，按照一定比例對(duì)項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)和應(yīng)用單位進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。