楊玉鋒 李 楊 張 強 汪 澍 張希祥

1.國家管網集團科學技術研究總院分公司, 河北 廊坊 065000;2.北京科技大學土木與資源學院, 北京 100083;3.中國石油管道工程有限公司設備租賃分公司, 河北 廊坊 065000

0 前言

近幾十年全球油氣管道發(fā)展迅速,管道事故屢見不鮮,特別是一些油氣泄漏、火災爆炸等惡性事故對人身安全、自然環(huán)境造成巨大危害[1]。世界各國對管道事故管理和安全運行的要求也越來越高,許多國家和組織建立了管道事故管理機制。如美國管道及危險材料管理局(Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration,PHMSA)、加拿大國家能源局(National Energy Board，NEB)和歐洲輸氣管道事故數據組織(European Gas Pipeline Ineident Data Group，EGIG)等定期對其所轄管道泄漏事故進行統(tǒng)計并發(fā)布事故報告[2]。

中國油氣管道正處于高速發(fā)展階段,國家和社會對管道安全的要求也日益嚴格,但并未形成成熟的管道事故管理機制[3],統(tǒng)計分析缺乏規(guī)范指導。本文結合國外管道事故管理的先進做法,借鑒其經驗,提出了管道失效事故的分析方法,并對美國1995—2014年間的失效數據進行了分析,以期有助于健全中國管道事故管理機制。

1 美國管道事故分級方法

美國管道失效數據由PHMSA進行管理,各管道運營企業(yè)每年按照要求將管道失效數據上報PHMSA[4]。目前,PHMSA建立了統(tǒng)一的管道失效數據庫,管理和發(fā)布美國境內的長輸管道、集輸管道、LNG管道、城鎮(zhèn)燃氣管道等失效事故數據。

PHMSA將失效事故的類型分為三個等級:上報事故、重大事故和特大事故,并分別制定了氣體管道和危險液體管道事故上報標準[5]。

1.1 上報事故標準

氣體儲運管道及設施發(fā)生泄漏時,事故后果符合下列一種或幾種情況的需要上報[5]。

1)1人以上死亡或人員受傷需要住院治療。

2)產生的財產損失超過50 000美元,包括管道運行單位財產損害和其他人員財產損失,不包含泄漏氣體成本費用。

3)產生的氣體泄漏量在300萬立方英尺(84 950 m3)以上。

4)導致LNG設施中緊急關斷系統(tǒng)激活的事件。

5)事故可能不滿足上述規(guī)定,但運營商認為情況嚴重的事故。

當危險液體管道系統(tǒng)發(fā)生泄漏,事故后果符合下列任意一種情況時需要上報[5]。

1)產生意外的火災或者爆炸。

2)危險液體泄漏量超過5加侖(19 L),如果泄漏是由于管道維修維護產生,泄漏量小于5桶(0.8 m3)且泄漏及時進行了清理,則不需要上報。

3)導致人員死亡或者人員傷亡需要住院治療。

4)產生的財產損失超過50 000美元,包括污染清理與環(huán)境恢復、泄漏油品價值、對管道運行商或其他人員財產產生的損壞。

1.2 重大事故及特大事故標準

管道系統(tǒng)發(fā)生泄漏,導致的后果符合下列任意一種或幾種情況的為重大事故[5]。

1)造成人員死亡或人員受傷需要住院治療。

2)按1984年的美元基準,造成50 000美元及以上財產損失。

3)5桶(0.8 m3)及以上高壓液體泄漏,或者50桶(8 m3)及以上其他液體泄漏事故。

4)泄漏導致的意外火災或者爆炸事故。

當事故造成1人以上死亡或人員受傷需要住院治療,為特大事故。

2 事故數量、后果及原因分析

2.1 事故數量統(tǒng)計及趨勢分析

管道事故數量統(tǒng)計與分析主要分析管道事故數量隨時間變化情況和不同等級事故比例關系。各個等級事故數量一般是整體平穩(wěn)緩慢變化的趨勢,對于事故數量發(fā)生突變的年份,要進一步分析其發(fā)生變化的原因。

根據PHMSA數據庫資料,1995—2014年美國境內油氣管道共上報事故10 845起[6]、重大事故 5 598 起[7]、特大事故892起[8],三者之間的比例關系為12∶6∶1,美國1995—2014年管道事故統(tǒng)計見表1。根據美國事故上報準則,造成人員死亡或人員受傷需要住院治療為特大事故,因此在上報的管道失效事故中,每12起事故就會有1起事故造成人員死亡或者受傷。

圖1是PHMSA數據庫中美國1995—2014年事故數量及變化趨勢圖,近20年間,美國發(fā)生的重大事故數量基本趨于平穩(wěn),每年發(fā)生280±30起,上報事故數量從2002年開始變化明顯,2002年以前每年上報事故數量為350起左右,2002年以后每年上報事故數量為650起左右。進一步研究發(fā)現，美國在2002年8月對事故上報標準進行了修正,擴大了上報事故范圍[5],導致上報事故數量發(fā)生了較大變化,但對于重大事故和特大事故界定標準沒有變化。

圖1 1995—2014年事故數量及變化趨勢圖

管道事故數量整體趨勢穩(wěn)定,各年度數據具有一定的隨機性,通過計算不同時間區(qū)間內平均值的方法,可以在一定程度上避免隨機性的干擾,獲得穩(wěn)定趨勢?？刹捎?年平均值、5年平均值、10年平均值和20年平均值進行分析,其中3年平均值是指2012—2014年事故數量的平均值,5年平均值是2010—2014年事故數量平均值,10年平均值是指2005—2014年事故數量的平均值,20年平均值是指1995—2014年事故數據平均值。

PHMSA數據庫事故數量平均值計算結果見表2,從表2可以看出,美國重大事故不同時間區(qū)間平均值基本穩(wěn)定在282起左右,上報事故總數量2005年以后的數據平均值基本穩(wěn)定在620起左右,由于2002年上報事故標準調整導致20年平均值與其他平均值差異較大。特大事故數量平均值下降趨勢明顯,20年平均值為45起,近3年平均值為27起。特大事故數量平均值對比分析見圖2。

圖2 美國1995—2014年特大事故數量平均值對比分析圖

表2 美國事故數量平均值分析表

2002年,美國頒布了《油氣管道安全促進法案》[9],規(guī)定加強聯邦油氣管道安全管理,并且頒布了完整性管理標準。根據PHMSA數據庫的失效數據,2002年美國加強管道管理后,管道上報事故數量沒有逐年減少趨勢,重大事故數量也基本穩(wěn)定,特大管道事故數量呈現明顯逐年減少的趨勢。由此可見，完整性管理工作,對于一般小型失效沒有明顯控制效果,對于控制特大事故有明顯的作用。

2.2 事故后果統(tǒng)計分析

管道事故產生的后果影響分析,主要包括人員傷亡、環(huán)境影響和財產損失等,由于環(huán)境影響的程度難以量化統(tǒng)計分析,因此后果分析主要從人員死亡、人員受傷和財產損失三個方面進行評價。根據PHMSA數據庫資料美國1995—2014年管道事故共造成人員死亡371人、人員受傷1 395人,比例為1∶3.8[10]。美國1995—2014年人員傷亡情況隨年份變化規(guī)律見圖3。美國1995—2014年財產損失變化情況見圖4。

圖3 美國1995—2014年人員傷亡情況變化規(guī)律圖

圖4 美國1995—2014年財產損失變化情況圖

從圖3可看出,美國2001年以前管道事故導致的人員傷亡數據較高,2001—2008年人員傷亡數量下降到一個穩(wěn)定趨勢,2009年以后人員死亡數量基本穩(wěn)定而人員受傷數量出現上升趨勢。

從圖4可以看出,1995年以來管道事故導致的財產損失逐年增加,2003年以前每年管道失效財產損失基本控制在2億美元內,2003年以后大多年份財產損失超過2億美元,這是由于2002年8月調整了上報事故標準,導致上報事故數量增加,同時由于近年來美國對于事故傷亡賠償和污染物清理的要求更加嚴格。

人員傷亡和財產損失在2010年處于一個較高值,明顯高于平均水平,經進一步分析,發(fā)現2010年9月在舊金山發(fā)了一起惡性天然氣管道爆炸事故,導致了8人死亡,60多人受傷,燒毀了55棟房屋,直接經濟損失10億美元。

2.3 失效原因分析

根據PHMSA數據庫美國1995—2014年上報事故10 845起管道失效數據,失效的原因可以分為腐蝕、開挖損壞、誤操作、材料/焊接、自然外力、其他外力和其他不明原因。

腐蝕一般包括外腐蝕和內腐蝕;開挖損壞主要包括管道運行單位開挖損壞和第三方開挖損壞;誤操作主要包括設備選型錯誤、設備安裝錯誤、操作失誤、超壓、溢流、水擊等;材料/焊接主要包括管材缺陷、焊縫失效、設備故障、施工或安裝缺陷等;自然外力主要包括土體移動、洪水、雷電、大風、溫度等;其他外力主要包括蓄意破壞、其他設備/設施電弧擊穿、火災爆炸、車輛、船舶等;其他不明原因是失效原因不明或者上報事故時未寫明原因。美國1995—2014年管道失效原因統(tǒng)計見表3。

從表3可看出,上報事故、重大事故和特大事故主導的失效原因及其所占比例差異較大。所有上報事故中材料/焊接、腐蝕和開挖損壞是主要的失效原因,分別占事故總數的30.36%、18.11%和17.03%；重大事故中材料/焊接、開挖損壞和腐蝕是主要的失效原因,分別占重大事故總數的21.63%、21.24%和19.54%；特大事故中開挖損壞、其他不明原因和誤操作是主要的失效原因,分別占特大事故總數的33.52%、26.46%和12.11%。

表3 美國1995—2014年管道失效原因統(tǒng)計表

3 失效原因研究

3.1 危害程度計算方法

通過結合各類失效原因導致事故的數量和產生的影響后果,綜合分析7類失效原因的危害程度。從危害發(fā)生可能性和危害后果等級兩方面進行分析[12-13]。

1)危害發(fā)生可能性用P表示,根據PHMSA數據庫各類失效原因導致事故的數量及占總事故數量的比例確定,具體確定的準則見表4[14]。

表4 危害發(fā)生可能性分級準則表

2)危害后果等級用C表示,根據PHMSA數據庫各類失效原因導致事故產生后果由危害程度確定,影響危害后果等級由事故導致的人員死亡、人員受傷,財產損失三個方面確定,具體確定的準則見表5[14]。

表5 危害后果分級準則表

危害程度分析R計算公式表示為[14-17]:

R=P×C

(1)

式中:R為危害程度;P為危害發(fā)生可能性;C為危害等級后果。

3.2 計算結果

危害發(fā)生可能性評價依據PHMSA數據庫美國1995—2014年管道失效事故的數量確定,其中材料/焊接事故數量為3 293起,等級為可能發(fā)生,腐蝕、開挖損壞和其他不明原因事故數量1 000～2 000起,等級為有理由可能發(fā)生,其他因素導致事故數量小于1 000起,為可能性小,詳細分級結果見表6。

表6 危害發(fā)生可能性評分結果表

危害后果損失評分結果依據PHMSA數據庫美國1995—2014年管道失效事故造成的人員傷亡和財產損失確定,評分過程中危害后果等級確定優(yōu)先考慮人員死亡,人員死亡數量相差不大時,通過人員受傷數量確定,若前兩項基本一致,通過財產損失確定危害后果損失等級,詳細分析結果見表7。

表7 危害后果損失評分結果表

根據表6～7中的評分結果,通過式(1)計算各失效原因的危害程度值并排序,見表8。

表8 失效原因及其危害程度計算結果表

造成管道事故的7類失效原因中,危害程度最大的失效原因是開挖損壞,根據PHMSA數據庫1995—2014年統(tǒng)計數據開挖損壞導致的事故數量多達1 847起,開挖損壞導致的管道事故一般為大泄漏或者破裂,輸送的油氣介質泄漏量較大,發(fā)生油氣積聚并進一步引發(fā)火災和爆炸的概率高,開挖區(qū)域一般建設活動頻繁,人口密度較大,容易產生嚴重的人員傷亡[18-20]。

危害程度第2位的失效原因是材料/焊接,由材料/焊接導致的事故數量最多為3 293起,材料/焊接導致的人員傷亡位于平均水平,造成的財產損失最大,美國1995—2014年因材料/焊接失效原因導致事故的財產損失為23億美元。

危害程度位于第3位的失效原因是其他不明原因,根據PHMSA數據庫的描述,其他不明原因一般包括失效原因沒有調查清楚和管道企業(yè)沒有上報失效原因。

危害程度排在最后的失效原因是自然外力,自然外力導致的事故數量最少,同時產生的人員傷亡也最小。洪水、土體移動等自然外力導致的管道事故,一般發(fā)生在河流、山區(qū)等區(qū)域,人口密度相對較低,產生人員傷亡概率也較小。

4 結論及建議

4.1 結論

1)對美國1995—2014年管道失效數據進行分析研究，管道系統(tǒng)上報失效事故分為三個等級,其中上報事故因上報標準調整,在2002年前后出現較大變化,重大事故數量穩(wěn)定在每年280起左右,特大事故從2005年開始平均數量下降趨勢明顯。

2)2002年,美國頒布了《油氣管道安全促進法案》,加強油氣管道安全管理水平,上報事故總數量和重大事故數量沒有明顯下降趨勢,特大事故數量下降趨勢明顯,說明完整性管理工作對于控制特大事故效果更明顯。

3)所有上報事故和重大事故的失效原因是材料/焊接、腐蝕和開挖損壞,特大事故的失效原因是開挖損壞、其他不明原因和誤操作。

4)美國1995—2014年管道失效事故中,導致事故數量最多的失效原因是材料/焊接,造成人員傷亡最大的失效原因是開挖損壞,造成財產損失最嚴重的失效原因是材料/焊接。采用安全系統(tǒng)工程分析方法,綜合評價危害程度最嚴重的失效原因是開挖損壞。

5)在國外事故統(tǒng)計分析研究中,建議研究事故上報標準和標準變化情況,避免單純統(tǒng)計事故數量的上升和下降趨勢導致產生的結論不全面。

4.2 建議

中國油氣管道正處于高速發(fā)展時期,管道建設規(guī)模和速度居世界前列,未來20～30年中國將有大量的油氣管道進入設計使用年限的老齡化時期,管道可能邁入事故高發(fā)階段,為預防和減輕事故風險,應當從國外管道的發(fā)展中學習經驗,吸取教訓,建立統(tǒng)一的管道安全管理機構,完善管道安全數據庫,制定管道失效事故上報標準,明確上報要求和需要上報的內容,研究管道事故等級分級準則,建立詳細的管道失效原因分類標準。