中国油气管道完整性管理20年回顾与发展建议

中国油气管道完整性管理20年回顾与发展建议

王印

大庆中石油昆仑燃气有限公司, 黑龙江省大庆市 163411

摘要：油气管道是国家能源的“命脉”，中国油气管道干线总长已达到 13.6×104 km，随着在役管道进入老龄期及新建管道规模加大，因管道系统完整性问题引发的事故占比约达 50％，重特大事故一次可致数百人伤亡，直接损失可达近 10×108 元。为了减少管道事故，2001 年美国国会批准了关于增进管道安全性的法案，核心内容是在高后果区实施完整性管理。自 21 世纪以来，管道管理模式发生了重大变化，管道完整性管理逐渐成为全球管道行业预防事故发生、实现事前预控的重要手段，是以管道安全为目标并持续改进的系统管理体系，其内容涉及管道设计、施工、运行、监控、维修、更换、质量控制、通信系统等管理全过程，并贯穿管道全生命周期[1-2]。

关键词：油气管道；回顾；发展建议

1关键技术研究进展

1.1管道信息化技术

中国管道完整性管理已涵盖长输油气管道、油气设施装备、城市燃气管道、油气田集输管网[18-19]，通过建立管道完整性管理安全管控模式，消除了大量安全隐患，建立了新的决策模式，大大提高了决策的智能性，实现了油气设施检测维修的有效性。其中，管道信息化在推进完整性管理的智能化与标准化建设等方面发挥了主要作用，通过在技术标准建立、数据存储管理、系统架构与决策支持等方面开展工作，提升了数据的整体价值及其应用水平。

在物联网技术方面，通过建立物联网数据采集系统[24]，将传感器与管道及其附属设施连接，实现了管道完整性管理在数据采集、远程监测及物资管理等领域的应用，在地质灾害监测预警等领域已采用物联网组网模式。实践表明：采用物联网技术不仅可以实现管道完整性管理的可视化、数字化，而且能够最大限度地降低时间和空间危险因素，确保管道安全、平稳运行。在安全控制系统方面，由于管道完整性“三维空间”的实践受到局限性约束，提出了管道四维管理理论[25-26]，将管道按照“四度空间”管理，即在目前的三维空间架构（长、宽、高 3 条轴）上增加 1 条时间轴，针对四维理论的管理要素、管理领域、管理空间、管理时间进行结构层次分析，提出管道四维管理原则与流程， 通过空间地理位置与时间相结合，实现全过程、全方位、时时的控制管理。在系统可靠性方面，黄维和等[3] 总结了大型天然气管网系统可靠性的概念及挑战，提出了大型天然气管网系统可靠性框架初步设计方案， 通过量化大系统可靠性、评价分系统（单元）可靠性，建立大系统与分系统之间的关联，给出了中国管道大型天然气管网可靠性的增强方案。在大数据领域[27-32]， 通过对管道历史数据资料，如建设期数据、内外检测数据、日常运行数据、外部环境数据等，进行校准、对齐、整合，构建统一的数据库，形成多源大数据，通过开发大数据算法模型，建立大数据管理架构，搭建大数据分析平台，实现数据的深度融合及可视化决策支持，使数据分析方向逐渐由因果关系向关联关系转变[33-35]。目前，基于管道大数据的智慧管道建设开始发展，并在中俄东线天然气管道工程中付诸实践。

1.2管道线路完整性控制技术

1.2.1内检测技术

中国石油研发的基于电磁超声的管道裂纹检测器可以发现 SCC 缺陷，研发设计可检出轴向裂纹，其长度阈值范围 30~50 mm，深度阈值范围 1~2 mm ；中国第五代超高清亚毫米级数字化管道漏磁内检测技术研发取得重大进展，已在中国石化华南销售公司成品油管道成功运行，突破了超高清数字化亚毫米级探头间距难题，将探头通道数量增加近 10 倍，做到了缺陷的精细化描述，解决了管道小面积深度腐蚀检测的难题； 形成了超高清漏磁、变形检测、IMU 位置检测三位一体的复合检测技术，并在同一时间轴上进行分析，定位更加准确，可以检测几何变形、金属损失的复合缺陷； 突破了管道大壁厚、小口径管体磁化的检测难题，将磁场强度提高至原来的 2~3 倍，实现了管道缺陷的精准检测；突破了海量数据的综合分析技术，超高清焊缝数据采集大大增强了焊缝的可识别性，由此焊缝缺陷精准评价问题有望突破。

1.2.2完整性评估理论体系

针对管道氢致开裂问题，研究获得了氢分子或氢离子进入管线钢内部的扩散方程，提出了氢增塑性、氢降低表面能、氢降低分子键合力等理论[36-38]。针对环焊缝、螺旋焊缝、平面型缺陷、体积型缺陷，建立了相应的评估方法，已用于管线钢各类固有缺陷、腐蚀缺陷、几何变形等的完整性评估；研究了应力腐蚀发生机理， 获得了管线钢在近中性土壤、高 pH 值土壤发生应力腐蚀沿晶断裂、穿晶断裂模式，满足了工业化安全评价需求[39] ；建立了基于螺旋焊缝、环焊缝内检测信号的高钢级管线钢完整性评估模型，解决了老旧管道螺旋焊缝量化评价难题[40-45]；提出了氢致开裂、断裂判据，建立了含 H2S 管道安全评价模型及失效评定图，解决了管道完整性评估理论与生产实践脱节的问题[46]。开发了油气管道完整性超级评价系统 V4.0（Oil & Gas Pipeline Integrity Super Assessment System V4.0）软件包，用于油气管道结构的适用性评估。

2发展建议

未来，中国管道完整性管理必将以管道本质安全及公共安全风险控制为核心，全面实现管网的高效运行与安全管控，保障能源供给。其发展目标是建立基于全生命周期的智慧管网的风险管控机制，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。为此提出以下建议。

（1）在管道安全立法方面，持续加强对油气管道安全管理的研究，及时发现现行法律法规中随着社会发展产生的与管道安全管理实际情况不相匹配的问题， 解决与油气管道安全管理相关的法律《中华人民共和国石油天然气管道保护法》《特种设备安全法特种设备安全法》及新《安全生产法安全生产法》之间相互矛盾的问题，目前这些法律尚缺乏配套标准与相关制度的支撑，并与现行的有关法律存在一定冲突，同时与石油石化行业长输油气管道相关技术标准的要求存在一定差异。有必要在完善管道技术支持体系的基础上，提高与管道安全相关的法律法规的适用性与执行力。

（2）在管道可靠性管控模式方面，可靠性管理是安全性的基础，也是防范风险的重要保证。结构的完整性是可靠性及安全性的重要基础，保证油气管道的结构完整性是保障其安全性的关键，辩证看待结构可靠性、安全性与完整性之间的关系，通过研究管道本体结构可靠性、管道失效数据库、基于大数据的管道风险智能评价等技术，建立管网运行可靠性的管控模式，以持续提高油气管道完整性管理水平。

（3）在管道内检测方面，开发基于超声波的管道裂纹检测技术与装备，用于检测管道的裂纹型或平面型缺陷，开发多通道压电超声激励、信号接收采集以及检测数据实时处理技术，形成缺陷量化方法。基于电磁原理，开发管道应力检测器，对管道运行的应力状态进行精准评价，应力评价误差为 ±30 MPa。研制环向裂纹检测器，开发用于识别开口（宽度大于 0.25 mm）与非开口（宽度小于 0.1 mm）型轴向复杂缺陷的检测技术，解决高钢级环焊缝缺陷检测与精准评价问题。研制管道中心线应变IMU 检测技术装备，通过多轮次检测管道位移与应变，实现 1/2 500 D 曲率的检测精度。开发多源数据融合的管道环焊缝裂纹复合检测器，集成管道超高清检测、应力检测、中心线检测技术为一体的组合技术，解决管道环焊缝检测难题。

（4）在高钢级管道完整性评价技术方面，研究高钢级、大口径、高压力管道长期服役的安全性，以及焊缝、母材在内压及外部载荷条件下的抗应变能力及缺陷增长规律，提出在役管道环焊接头的强韧匹配以及应力/ 应变状态、韧性水平与缺陷不稳定扩展的关联关系，提出基于内检测的管道弯曲与环焊缝缺陷的信号识别、判定及量化方法，建立含腐蚀缺陷、划痕、凹陷及焊接缺陷的管道完整性评价与缺陷增长模型，提出管道缺陷维修准则，完善技术标准。

参考文献：

[1] 黄志潜. 管道完整性及其管理[J]. 焊管，2004，27（3）：1-8，90.

[2]黄维和，郑洪龙，吴忠良. 管道完整性管理在中国应用 10 年回顾与展望[J]. 天然气工业，2013，33（12）：1-5.

[3]黄维和，郑洪龙，李明菲. 中国油气储运行业发展历程及展望[J].油气储运，2019，38（1）：1-11.

[4]姚伟. 油气管道安全管理的思考与探索[J]. 油气储运，2014，33（11）：1145-1151.