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典型案例 | 基于內(nèi)檢測的油氣管道安全保障體系研究

2017-08-14 13:41:56 作者：文 | 戴聯(lián)雙付春艷馮慶善陳朋超中國石油管道公司中來源：《腐蝕防護之友》分享至：

一、前言

油氣管道在設(shè)計、施工和運營階段都有可能遭受來自外部環(huán)境干擾和內(nèi)部操作不規(guī)范而造成的管道本體缺陷，從而影響管道的安全運營。同時，隨著管道業(yè)務(wù)的不斷深入發(fā)展，一系列新的問題使管道的完整性管理也面臨著挑戰(zhàn)[1]，研究應(yīng)對這些問題的技術(shù)方法和策略是解決管道本質(zhì)安全及管道業(yè)務(wù)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵 [2]。對于投產(chǎn)運營以后的油氣管道來說，絕大部分都采用埋地敷設(shè)的方式，屬于隱蔽工程，管道本體的劃傷、焊接缺陷、材料缺陷等在運營期很難通過地面檢查來識別，而這些缺陷對油氣管道安全運營來說都是潛在的隱患，如 2009 年 12 月 30 日，蘭鄭長成品油管道渭南支線因第三方施工破壞致使管道在試運投產(chǎn)過程中發(fā)生柴油泄漏事故，泄漏的柴油由赤水流入渭河，經(jīng)渭河流入黃河，對黃河造成了嚴(yán)重的油污染；青島“11.22”爆燃事故更是暴露出管道本體缺陷給生產(chǎn)運行和社會帶來的危害。

近年來隨著《管道保護法》、《特種設(shè) 備安全法》等國家法律法規(guī)，《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》（GB32167-2015）、《壓力管道定期檢驗規(guī)則 - 長輸油氣管》（TSG D7003-2010）等相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相繼出臺，以及逐步成熟和推廣應(yīng)用的管道完整性管理，在控制和監(jiān)控影響管道完整性的各類威脅中取得了顯著的效果。同時，隨著內(nèi)檢測技術(shù)的發(fā)展，識別管道本體缺陷已經(jīng)成為可能，如采用機械原理的幾何檢測器可以識別管道幾何變形，包括凹坑、橢圓變形、屈曲等；采用漏磁原理的漏磁檢測器可以識別管道金屬損失，包括劃傷、腐蝕、部分制造缺陷等；采用超聲原理的裂紋檢測器可以識別管道存在的裂紋和類裂紋缺陷，包括 HIC、SCC 等；還有很多種特定的缺陷可以通過特殊的檢測工具來識別，如針對輸氣管道環(huán)焊縫裂紋開發(fā)的電磁超聲檢測器（EMAT）等。這些內(nèi)檢測技術(shù)的發(fā)展，進一步提升了管道完整性管理體系發(fā)揮的作用，有效保障了油氣管道的本體安全，從而為“事故可防，風(fēng)險可控”提供了技術(shù)保障。

本文將以內(nèi)檢測技術(shù)為核心，基于風(fēng)險控制理論和“樹生”事故致因理論的方法，考慮到當(dāng)前管道大數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，探討一種基于內(nèi)檢測技術(shù)的油氣管道安全保障體系，實現(xiàn)主動的預(yù)防管理模式（見圖 1）。

圖1 被動的應(yīng)對管理與主動的預(yù)防管理示意圖

二、國內(nèi)外管道內(nèi)檢測現(xiàn)狀

20 世紀(jì) 70 年代由于管道檢測技術(shù)水平較低，無法準(zhǔn)確確定管道的運行狀況和腐蝕情況，管道的維護維修都采用被動的方式，為了保障生產(chǎn)的連續(xù)性，只好建設(shè)復(fù)線（如慶鐵老線和新線，新大老線和復(fù)線等）或采取限壓措施來確保管道安全生產(chǎn)，有時甚至提前結(jié)束服役年限報廢。這樣，一方面需要昂貴的費用作為代價，另一方面降低管道的輸量，造成管輸能力的浪費。而且部分管道即使采取了降壓措施，因不能了解管道本體的狀況，仍然不能確保管道安全。

隨著材料、電子信息及計算機技術(shù)的發(fā)展，檢測器探頭小型化、縮小探頭間距、提高處理器的采樣速率以及超大容量存儲器的工業(yè)應(yīng)用等得以實現(xiàn)，使得對油氣管道無損探傷的精度和置信度也越來越高。同時，在 1999 年華盛頓州 Bellingham 汽油管道爆炸事故、2000年新墨西哥州 Carlsbad 天然氣管道爆炸事故等眾多油氣管道事故的推動下，各個國家完善了管道完整性管理相關(guān)的立法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，這些都促進了基于內(nèi)檢測的完整性管理技術(shù)和安全保障技術(shù)的全面、快速發(fā)展，利用超聲、漏磁、機械振動、陀螺儀、渦流等原理的管道內(nèi)檢測技術(shù)也從無到有，從低精度到高精度，從理論試驗研究走向了工業(yè)應(yīng)用，并建立了眾多內(nèi)檢測服務(wù)公司。

同時，當(dāng)前基于光學(xué)原理的無損檢測技術(shù)在對管道內(nèi)表面腐蝕、斑點、裂紋等進行快速定位與測量過程中，具有較高的檢測精度且易于實現(xiàn)自動化。相比其他檢測方法，該方法在實際應(yīng)用當(dāng)中有很大的優(yōu)勢，其中在管道內(nèi)檢測中采用較為普遍的光學(xué)檢測技術(shù)包括 CCTV 攝像技術(shù)、工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測技術(shù)和激光反射測量技術(shù)。

目前，比較有影響力的國際內(nèi)檢測服務(wù)公司主要有德國的 Rosen、美國GE PII、BakerHuges、T.D.Williamson、荷蘭 PipeSurvey 以及國內(nèi)的中油管道檢測技術(shù)有限責(zé)任公司等，還有一些新興的檢測公司，如英國的天祥集團、NDTGlobal、Penspen 等，這些公司在不同方面有著各自的獨特優(yōu)勢，如 Rosen 在新技術(shù)研發(fā)方便具有獨特的優(yōu)勢，其可以包括設(shè)備零件在內(nèi)的整裝設(shè)備生產(chǎn)，對于新技術(shù)的應(yīng)用反應(yīng)速度快，能夠及時完成設(shè)備的更新?lián)Q代；GE PII 則形成了比較成熟的技術(shù)體系和服務(wù)系統(tǒng)，在現(xiàn)場服務(wù)、數(shù)據(jù)分析等方面的優(yōu)勢比較顯著，且逐步形成了全球內(nèi)檢測服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。在全球內(nèi)檢測市場份額方面，德國的 Rosen 和美國 GE PII 這兩家檢測服務(wù)公司平分了超過 60% 的內(nèi)檢測市場，其次為 BakerHuges、T.D.Williamson 等近 100家內(nèi)檢測公司占據(jù)剩余的 40% 的內(nèi)檢測市場。

三、基于數(shù)據(jù)對齊的風(fēng)險管理

隨著管道發(fā) 展到大數(shù) 據(jù) 時代、信息技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的完善，在實現(xiàn)管道本體屬性數(shù)據(jù)、生命周期運營管理數(shù)據(jù)、以及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)對齊并納入數(shù)據(jù)庫的條件下，形成了管道大數(shù)據(jù)。所謂管道大數(shù)據(jù)就是：

以管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為基線，實現(xiàn)將內(nèi)檢測信息、外檢測數(shù)據(jù)、設(shè)計施工資料數(shù)據(jù)、歷史運維數(shù)據(jù)、管道環(huán)境數(shù)據(jù)和日常管理數(shù)據(jù)等的校準(zhǔn)、對齊整合，使各類數(shù)據(jù)均可對應(yīng)各環(huán)焊縫信息，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)表。從管道大數(shù)據(jù)的定義可知，管道大數(shù)據(jù)的核心在于整合管道相關(guān)的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其價值在于從大數(shù)據(jù)中挖掘潛在的安全隱患和提供制定維護維修決策的依據(jù)，而實現(xiàn)管道大數(shù)據(jù)價值的技術(shù)基礎(chǔ)在于數(shù)據(jù)對齊。

對于分散、雜亂無章的數(shù)據(jù)，再多也不能稱之為大數(shù)據(jù)，因為隨著數(shù)據(jù)量的增大，如果不能實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的價值，那么不僅僅會增加數(shù)據(jù)管理和維護的成本，而且還會掩蓋有價值的數(shù)據(jù)信息，從而成為管理的負(fù)擔(dān)。

管道內(nèi)檢測是對管道的一次全面的體檢，也是管道大數(shù)據(jù)得以實現(xiàn)其價值，完成數(shù)據(jù)對齊的關(guān)鍵。管道內(nèi)檢測除了識別管道本體缺陷外，還能識別管道的各類特征，如三通、閥門、環(huán)焊縫、套管等。其中，根據(jù)內(nèi)檢測報告的焊縫編號與建設(shè)施工期的焊接記錄中的焊口編號對齊，可以實現(xiàn)內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與建設(shè)施工期的數(shù)據(jù)整合；通過內(nèi)檢測地面定標(biāo)點和識別的各類典型特征，可以實現(xiàn)內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與外檢測數(shù)據(jù)、日常管理數(shù)據(jù)、以及其他歷史資料數(shù)據(jù)（如換管、修復(fù)等）的對齊。從而實現(xiàn)以內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為核心，將施工焊接記錄、管材信息、外檢測、地面特征等對齊起來，從而發(fā)揮兩個方面的作用，一是將大數(shù)據(jù)進行了有效的整合，更加有效地實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的價值；另一方面是通過數(shù)據(jù)對齊可以識別一些潛在的危險，如施工記錄中缺失的焊口記錄、短管的記錄、連頭口的記錄等。

通過數(shù)據(jù)對齊技術(shù)，以內(nèi)檢測環(huán)焊縫號為基準(zhǔn)，識別建設(shè)期和運營期不合規(guī)的特征（如某些管道存在的斜接彎頭、預(yù)載的打孔盜油閥門、凹坑、劃傷等）及其位置，建立風(fēng)險管理臺賬，從風(fēng)險專家評估風(fēng)險轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)分析人員分析風(fēng)險，關(guān)注數(shù)據(jù)相關(guān)性，識別潛在的風(fēng)險。這種模式可以減少人為的主觀性，基于風(fēng)險的理念合理配置資源，同時也有利于保障管理的連續(xù)性，減小政策變化或變更管理給管道運營安全帶來的影響。通過這種模式，實現(xiàn)管道大數(shù)據(jù)的管理和從大數(shù)據(jù)中挖掘潛在的風(fēng)險也是構(gòu)建管道安全保障體系的重要工作。

四、內(nèi)檢測在油氣管道生命周期內(nèi)的作用

管道內(nèi)檢測在管道安全生產(chǎn)全生命周期內(nèi)都發(fā)揮著重要的作用，其中包括：

1.新建管道質(zhì)量控制

由于長輸油氣管道基本都是采用埋地的方式敷設(shè)，建設(shè)施工完成后就成為隱蔽工程，以前對于管道驗收都是驗收相關(guān)的資料、地面標(biāo)識、路權(quán)等資料信息，缺乏對于管道本體完整性情況的驗收，質(zhì)量控制非常困難，以致在新建管道投產(chǎn)初期往往因為面臨各類完整性威脅導(dǎo)致事故頻發(fā)，呈現(xiàn)“浴盆曲線”的初期事故多發(fā)期。

通過打壓試驗，發(fā)現(xiàn)了很多缺陷，但是打壓對于處于臨界狀態(tài)的缺陷暴露不出來，同時會促使一些處于臨界狀態(tài)下的缺陷的擴展（見圖 2），因此為了更好地控制管道建設(shè)施工質(zhì)量，管道內(nèi)檢測是一種非常有效的質(zhì)量控制手段，在新建管道投產(chǎn)初期就應(yīng)當(dāng)開展基線檢測，對于基線檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷，分析其原因，并作為新建管道質(zhì)量控制的一部分。

圖2 某新投產(chǎn)管道內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)的針孔缺陷已經(jīng)開始滲油（左），采用補丁修復(fù)（右）

2.運行期的安全保障

通過周期性的管道內(nèi)檢測，可以在管道本體缺陷導(dǎo)致管道失效前，識別該缺陷尤其在管道內(nèi)腐蝕比較集中的管道上，這種方式可以準(zhǔn)確預(yù)測腐蝕速率，從而實施精準(zhǔn)的維護維修策略 [19]，避免泄漏事故的發(fā)生。同時，通過這種方式還可以延長管道的壽命 [20]，這也是為什么管道運營商和政府監(jiān)管部門非常重視管道內(nèi)檢測的原因 [1]。近幾年針對老管道開展的內(nèi)檢測工作，及時發(fā)現(xiàn)了管道本體的缺陷，進行針對性的修復(fù)，避免了大量泄漏事故（見圖 3），如馬惠線管道內(nèi)檢測報告 70% 以上的缺陷上百處，10% 以上的缺陷幾萬處，部分70% 以上的缺陷，在修復(fù)過程中剝開防腐層后，發(fā)現(xiàn)針孔微滲漏，這些缺陷的及時識別與治理，有效確保了管道的安全運營。

圖3 歷年基于內(nèi)檢測結(jié)果進行的管道修復(fù)中發(fā)現(xiàn)的典型管道腐蝕情況

由于打孔盜油形式呈現(xiàn)多樣化，且技術(shù)越來越成熟，反偵察能力也急速的提升，往往通過地面巡護、監(jiān)管等很難100% 防控住打孔盜油，尤其對于一些預(yù)埋的盜油閥，采用地道、滴取等方式偷油，現(xiàn)有的防護手段很難排查，管道內(nèi)檢測也成為解決這種難題的有效方法之一，如山東地區(qū)某原油管道內(nèi)檢測及時識別了一些極其隱蔽（見圖 4）或者打完孔后未曾盜油的閥門 20 余處。

圖4 打孔盜油漏磁信號（左）和開挖的打孔盜油閥門（右）

3.管道判廢的依據(jù)

慶鐵新線和老線通過管道內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)管道本體存在大量的螺旋焊縫和環(huán)焊縫缺陷，在慶鐵三線和四線投產(chǎn)前，根據(jù)工程適用性評價結(jié)果，開展了大量的修復(fù)工作，有效降低了泄漏事故率。

同時，基于內(nèi)檢測結(jié)果，綜合考慮管道物理壽命和經(jīng)濟壽命，為慶鐵新線和老線的廢棄、慶鐵三線和四線的規(guī)劃建設(shè)提供了依據(jù)，根據(jù)類比也為不可內(nèi)檢測管道（見圖 5），如任京線，也提供了判廢的依據(jù)。

圖5 因屈曲、彎頭曲率半徑太小和結(jié)蠟太厚等原因不具備內(nèi)檢測條件示意圖

五、安全保障體系的構(gòu)建

當(dāng)前，保障油氣管道的安全技術(shù)較多，如泄漏監(jiān)測技術(shù)、安全預(yù)警技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)、高后果區(qū)識別技術(shù)等，分別從降低失效風(fēng)險、控制失效后果等多個方面著手構(gòu)建了相應(yīng)的安全保障技術(shù)體系。盡管這些技術(shù)在一定程度上對于保障管道安全運營發(fā)揮了積極的作用，但是基本都處于事中和事后處置或維護的階段，尚未提升到預(yù)知維護和風(fēng)險預(yù)控的階段。管道內(nèi)檢測技術(shù)是一種識別管道本體缺陷為主，兼可監(jiān)測管道狀態(tài)（如中心線檢測（IMU）可監(jiān)測管道的應(yīng)力變化情況）的技術(shù)，可以有效實現(xiàn)油氣管道預(yù)知維護和風(fēng)險預(yù)控。

綜合上述內(nèi)容，油氣管道安全保障體系就是以管道內(nèi)檢測為中心，以內(nèi)檢測報告的焊縫編號和坐標(biāo)信息為基準(zhǔn)，將所有相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)對齊，基于這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析來指導(dǎo)預(yù)知性的維護維修、應(yīng)急管理和風(fēng)險管理，從而保障油氣管道的安全運營。該體系的構(gòu)架如圖 6 所示。

圖6 基于內(nèi)檢測的油氣管道安全保障體系示意圖

其中，基于內(nèi)檢測構(gòu)建的安全保障體系主要有以下幾個方面的優(yōu)點：

1.提高管理者的認(rèn)知，梳理管理的重點

基于內(nèi)檢測的油氣管道安全保障體系可以讓管理者明白管道存在什么問題、哪些區(qū)域不能發(fā)生泄漏、如何預(yù)防泄漏的發(fā)生、發(fā)生泄漏后可能造成多大的影響、以及發(fā)生泄漏后如何應(yīng)對等。其中，安全保障體系的關(guān)鍵在于解決如何維護維修和應(yīng)急，投入多少、投入什么、以及投在什么地方能發(fā)揮有限資源的最大價值方面的問題。

基于內(nèi)檢測的油氣管道安全保障體系雖然基本實現(xiàn)預(yù)知的維護維修，但由于認(rèn)知、技術(shù)發(fā)展等方面的局限性，不等于不需要應(yīng)急，而是提高應(yīng)急的針對性和降低應(yīng)急的成本。

2.實現(xiàn)應(yīng)急保障目標(biāo)化，優(yōu)化應(yīng)急物資儲備

通過內(nèi)檢測可以清晰了解管道本體的狀況，預(yù)測管道發(fā)生泄漏的可能性有多大、發(fā)生泄漏后的泄漏量有多大、發(fā)生泄漏后的影響范圍有多大、需要采取什么樣的應(yīng)急技術(shù)（如焊接套筒、換管或者封堵）等，從而可以有效地識別在應(yīng)急過程中可能遇到的風(fēng)險，制定針對性的應(yīng)急策略，如針對腐蝕缺陷，在應(yīng)急方面考慮滲漏、小泄漏的維搶修措施，應(yīng)急物資儲備方面只需要考慮管道卡具、套筒等的維搶修物資；針對焊縫缺陷，在應(yīng)急方面就需要考慮破裂的維搶修措施，應(yīng)急物資儲備方面也需要考慮不停輸封堵、換管等維搶修措施和儲備管子、封堵頭等維搶修物資。

同時，結(jié)合數(shù)據(jù)對齊的成果，還可以幫助管理者識別應(yīng)急的重點部位，對高后果區(qū)管段中存在的缺陷修復(fù)優(yōu)先，并在修復(fù)之前作為應(yīng)急的重點監(jiān)控對象。

3.促進技術(shù)發(fā)展，保障安全運營

根據(jù)數(shù)據(jù)對齊識別的建設(shè)期預(yù)留的潛在風(fēng)險和運營期內(nèi)檢測識別的管道本體缺陷，可以預(yù)測近期和遠期管道可能發(fā)生失效的類型和趨勢，并預(yù)測可能發(fā)生失效的區(qū)域。對于這些預(yù)測的失效類型可以開展針對性的技術(shù)研究，從而完善安全保障的技術(shù)體系，如當(dāng)前需求的高強鋼在役焊接、非開孔封堵的換管技術(shù)、凹坑缺陷的修復(fù)技術(shù)等方面的研究。

同時，內(nèi)檢測技術(shù)也存在一定的局限性，如輸油氣管道焊縫裂紋、針孔腐蝕等缺陷檢測技術(shù)還有待進一步的研究。

六、總結(jié)與展望

在油氣管道運行全壽命周期過程中，管道內(nèi)檢測能有效識別管道在運行過程中影響管道本體運行安全的威脅 [21]，從而針對這些威脅，采取有針對性的運行管理和維護措施，將有限的資源投入到最需要關(guān)注的管段上，明晰管理的重點方向，達到預(yù)防式管理的目的，確保管道安全運行，降低運行與維護成本。同時，基于當(dāng)前內(nèi)檢測技術(shù)存在的局限性，如焊縫缺陷、裂紋、針孔類缺陷等在檢出率和識別率等檢測指標(biāo)方面還不能達到預(yù)定的目標(biāo)，因此，在構(gòu)建油氣管道安全保障體系時還需要著手開展電磁超聲內(nèi)檢測技術(shù)、電磁渦流內(nèi)檢測技術(shù)、超聲裂紋內(nèi)檢測技術(shù)等方面的研究工作，提高對于裂紋、焊接缺陷、針孔缺陷等識別能力，并完善數(shù)據(jù)對齊技術(shù)，提高大數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，使其能夠更好地揭示風(fēng)險。

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