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城镇燃气管道完整性管理五步循环法

字体: 放大字体  缩小字体 发布日期:2021-04-27  来源:煤气与热力杂志  浏览次数:265
 

1 管道完整性管理的概述

(1)管道完整性管理的概念

管道完整性管理是管道运营企业根据不断变化的管道运行的内外部条件,通过对管道运行中面临的风险因素进行识别和技术评价,制定相应的风险控制对策,持续改善辨识到的不利影响因素,从而将管道运营的风险水平控制在合理的、可接受的范围内,最终达到持续改进、减少和预防管道事故发生、经济合理地保证管道安全运行的目的。

管道完整性管理的内容涵盖了管道自建设(设计、施工)、运行维护直至报废处置的全生命周期,因此,也有的管道管理企业将其称为“全面资产管理”。可以看出,管道的安全管理与资产管理的价值取向是完全一致的:确保管道安全运行以最大限度地提升管道运输的经济价值[1]。

(2)管道完整性管理的历史沿革

管道完整性管理始于20世纪70年代的美国油气管道行业;80年代,欧洲的油气管道公司开始研究制订和逐步完善管道风险评价标准、建立信息数据库和事故概率模型,开始了定量化、信息化的尝试;90年代,管道完整性管理方法逐渐成熟,在英、美国家的油气管道公司全面推广,并建立了相应的管理标准。

我国的管道完整性管理在20世纪末开始起步,主要应用在输油管道上;进入21世纪后,中石油公司对陕京输气管道开展了风险评价,首先引入并建立了管道完整性管理体系;之后,随着国内长输天然气管道的建设、投产,管道完整性管理被逐步接纳和推广。期间,先后颁布实施了相关的企业标准和行业标准,2016年国家标准GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》(以下简称GB 32167—2015)颁布施行,国内油气管道的管理步入了新时代[2]。

(3)现行的管道完整性管理技术标准规范

美国有两部管道完整性管理标准ASMEB31.8S-2016《Managing System Integrity of Gas Pipelines》(《输气管道完整性管理》)和API-RP 1160-2013《Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines》(《危险液体管道系统完整性管理》),分别针对气体输送管道和危险液体管道系统的完整性管理的过程和实施要求进行了规范。

国内现行的GB 32167—2015对长输油气管道完整性管理的内容做了详细规定,具体包括:数据采集和整合、高后果区的识别、风险评价、完整性评价、风险消减与维修维护、效能评价等[3]。

(4)管道完整性管理的特点

管道完整性管理的实施可以划分为建设期和运行期两个阶段。

建设期的管道完整性管理,涉及工程建设的设计、施工安装、验收等环节,通过工程技术手段,充分贯彻“本质安全”的理念,从源头识别和消除管道风险,这是管道全生命周期的重要一环。运行期的管道完整性管理,涉及管道的投产、运行维护、故障(事故)修复、判废处置等环节,在对风险因素判别的基础上,科学合理地制订运行维护机制、工作标准,力求实现管道运行安全性和经济性的最大化。

运行期的管道完整性管理是一个漫长的过程,诸如管道本体缺陷与腐蚀、地质灾害、第三方施工损害等风险因素会随着时间的推移而不断暴露出来,因此运行期管道完整性管理是整个管道全生命周期主要部分。相对而言,建设期的管道完整性管理除落实质量责任确保建设质量之外,主要的任务是基础数据的采集[2]。

2 城镇燃气管道完整性管理流程

管道完整性管理最初是针对长输油气管道提出的,其运行条件无论是压力机制,还是管道沿线环境因素,都与城镇燃气有较大的差异,因此,将管道完整性管理引进到城镇燃气行业,需要进行技术上的处理。

(1)城镇燃气管道与长输管道的区别

城市燃气的管道完整性管理在借鉴长输油气管道已有经验的同时,必须充分考虑城镇燃气管道自身的特点。为了科学地开展城镇燃气管道完整性管理工作,有必要对城镇燃气管道与长输管道的属性特点进行辨识。长输管道与城镇燃气管道的对比见表1。由表1中可以看到,城镇燃气管道与长输管道的差异性比较明显。由于管道分布形式的不同,管道上阀门设置的原则也不同,相应的管理机制也会有区别;由于敷设环境的不同,造成管道失效的风险因素和失效后果也不同,相应的管理重点也会有区别;由于压力机制的不同,相应的管道检测维护的策略也有很大区别。

表1 长输管道与城镇燃气管道的对比[4]

根据表1,城镇燃气管道的完整性管理不能完全照搬长输管道完整性管理的技术、体系及流程,需要针对燃气管道的特点,特别是区域性燃气管道建设和运行特点,开展具有针对性的完整性管理研究。

(2)城镇燃气管道完整性管理的流程

城镇燃气管道完整性管理是以保证管道的安全经济运行为核心目标,通过对管道安全运行的潜在威胁进行识别和评价,并依据实际情况对管道维护工作做出调整布置,达到合理分配维护的人力、物力的目的。

深圳燃气结合自身管网运营特点,通过单元识别和管道风险评价方法研究等科研项目,逐步摸索出了适合于城镇燃气管道完整性管理的“五步循环”法[2,5],即数据采集与管理、单元识别、风险评价、风险控制、效能评价5个关键步骤。

3 城镇燃气管道完整性管理的基本内容

3.1 数据采集与管理

数据采集是管道完整性管理的一项基础工作,采集数据的质量直接影响管理成果的价值。采集工作可以划分为建设期与运行期两部分[6]。

(1)建设期数据的采集

建设期数据主要是指管道属性数据,其来源主要是相关工程的设计文件、施工安装记录和评价报告等。建设期数据的采集工作应在管道施工安装期间进行,并在管道覆土回填前完成。管道属性数据包括管道的制造信息、施工质量信息、其他工程建设信息等。

a.管道的制造信息:包括生产厂家、生产日期、原材料材质、出厂检验等,这是管道全生命周期管理的起点。

b.管道的施工质量信息围绕管道焊缝为核心展开,这对于钢质管道、PE管道同样适用。比如,管道的坐标和高程等地理信息,可以以焊缝的坐标和高程为主,同时辅以所有的特殊位置点(如与其他管道或设备设施的交叉点、管道特别保护设施点、特殊地形地貌点等)的坐标和高程。另外,焊缝本身质量作为施工质量的重要指标,其焊缝检验信息(如钢质管道焊缝射线探伤的影像资料)在技术条件允许的情况下也可以考虑进行数字化处理,纳入数据采集范围。其他如钢质管道的防腐信息,其初始的检测数据非常重要。

c.其他工程建设信息中,还需要以分项工程为单位同步获取设计、施工和监理企业及其关键人员,如焊工、监理员等人员信息。

建设期的数据采集工作由施工企业负责,并按要求录入相应的数据管理平台,由工程监理人员负责现场核准,燃气公司相关职能部门负责数据的校验。

(2)运行期数据的采集

运行期数据主要是指管道运行维护相关数据及管道周边环境数据,这部分是动态数据,主要来源于燃气公司日常开展的运行维护活动所形成的记录信息、评估报告等。运营期数据的采集工作融汇在每一项管道管理作业中,遵循日清月结的原则,及时录入、更新。

a.管道运行维护类数据

管道检测信息:钢质管道的阴极保护检测(包括杂散电流的检测)、管道泄漏检测、管道本体缺陷检测及开挖验证检测等。近年来,管道内检测技术的运用,提升了城市高压、次高压燃气管道检测的准确性和便利性,根据GB/T 27699—2011《钢质管道内检测技术规范》的相关规定,管道内检测的周期一般不多于8 a,燃气企业需要根据检测评估情况拟定适合自身实际的检测周期。

管道巡线信息:常规的管道巡查信息及被列入重点关注的管段或位置的巡查信息,如:穿、跨越管道;管道出入土点、分支处、敷设位置较低点、与地下构筑物交叉点;曾经发生过影响管道安全运行的泄漏事故的管段;工作条件苛刻及承受交变载荷的管道;存在第三方施工损害风险的管道;曾经为非机动车道或绿化带改为机动车道的管段,经过空穴的管道;位于边坡位置的管道等。

管道维修维护信息:管道隐患监护或整改措施实施信息,管道故障及其维护作业信息,管道抢修作业信息,管道更新改造施工信息等。

b.管道周边环境数据

管道周边环境数据主要来源于管道周边地理信息、人文信息。由于各城市的地理、气候、人文环境各不相同,需采集信息的侧重点也不同。一般地,对燃气管道有影响的主要地质灾害有:危险斜坡、水土流失、崩塌、滑坡、地面塌陷、地面沉降等。其中,岩土类地质灾害信息需要开展专门的专业调查。在地质灾害易发区域的管道上及其附近土壤中埋设形变传感器,利用无线通信设备,定时或设置预警值上传形变检测数据,也是目前值得探索的数据采集方式。

除此之外,应急管理资源类信息也应该纳入数据采集范围,主要包括:应急抢修网点的地理位置信息、抢修装备及人员的实时信息、应急预案信息。

(3)数据管理

a.数据间逻辑关系的建立

所采集的数据需要信息系统的支持,目前比较成熟且现实的做法是基于各城市燃气企业普遍采用的燃气管道地理信息系统(GIS)做一些功能再开发。以管道为核心,在管道的地理信息基础上,运用建设期数据来构建底层的管道数据模块;再建立时间轴,将运行期的数据叠加上去;以此来实现数据间的逻辑关联。由于现场采集的数据不允许直接录入GIS系统,因此设计一个外挂的数据采集管理平台是必要的,一方面统一数据采集的标准,另一方面也可以实现对数据的先期审验。

b.数据的审核与校验

基于数据采集管理平台的审核流程和规则,实现对各相关单位填报数据的在线审核,对于不合格的数据退回并要求相关单位(部门)进行整改,合格数据继续上报,保证填报数据的完整性与准确性。

3.2 单元识别

(1)管道单元识别原则

对管道运行风险进行识别,是管道完整性管理的关键步骤之一。根据现行的风险评估方法,实施风险评估,首要的是确定风险评估单元,科学合理的单元划分方法是风险评估成功的重要保障。

对此,深圳燃气进行了有益的探索。在深入研究国内外有关管道单元划分标准的基础上,联合国内的相关科研院所,在城市高压燃气管道的单元划分上开展了技术攻关研究。提出以管道材质、输送工艺、腐蚀防护方式、线路截断阀、敷设环境等为要素,按照排列优先顺序划分管道单元的方法。这种划分方法既避免了纯粹以里程段为单位的粗线条方法,也兼顾了城镇燃气管道分布的独特性,并与现行的管理实际相衔接。初步形成了企业管道运行风险评估单元划分的原则和标准。

例如:依据管道材质、输送工艺(设计压力等级)、腐蚀防护方式(防腐类型)、线路截断阀的设置情况、敷设环境(市政道路、郊野山地等)对管道进行分段,遇到不同属性时,将管段划分开。另外,根据管道经过的地区环境,将管道划分为市政段和山地段。

(2)管道单元划分方法

城市中,相对于线性布置的高、次高压管道,网格状布置的中低压燃气管道情况显得更为复杂。在管道单元划分上可供参考的方法有管段法、网格法,或是两者兼顾的综合法。

a.管段法。适用于枝状布置的管道,或者人口和建筑密度低的城郊、工业区等地区的管道。其单元识别的原则可以参照上述高、次高压管道的做法。

b.网格法。也可以称为区块法,适用于城区内。合理划分网格所需要考虑的因素中,除常规的压力机制、管道材质、在役时间等因素外,网格内的环境因素应当提高权重。例如管道在城市道路的车行道下,还是在人行道或绿化带下,网格内人员居住密度或人员活动的频密情况,网格内建筑用途的重要程度,以及对于钢质管道所必须考虑的电气化轨道交通、高压输变电设施等杂散电流的产生端等。

c.综合法。鉴于多元化的因素并存、甚至叠加,兼顾管段法和网格法的综合法比较适合城市中低压燃气管道的风险识别、分级管控的实际需要。

3.3 风险评价

管道风险评价是指识别管道完整性的危害因素,分析管道失效可能性和失效后果严重性,从而判定管道的风险水平。管道风险评价技术已渐趋成熟[7-9]。

管道风险评价的方法按照结果量化的程度分为定性法、半定量法和定量法3类。定性评价通常方法比较简单,易于理解和使用,但具有较强的主观性,需要大量的经验积累;定量评价通常方法比较复杂,采用较多的计算公式和经验模型,需要大量的数据积累。GB 32167—2015推荐的评价方法是指标法,即半定量法。

管道完整性管理工作的一大难点,是建立能够反映本企业实际的管道失效数据库,并据此构建出本企业的风险矩阵图,这是开展完整性管理的基础标准。深圳燃气城镇燃气管道风险评估技术路线图见图1。

图1 深圳燃气城镇燃气管道风险评估技术路线图

根据管道评估单元识别原则,将燃气管道进行分段,以此为基础,对近10 a的管道失效实例进行分解、分析,提炼出失效因素、失效后果,并予以归类,经过统计计算各失效因素的失效概率,分别对失效概率和失效后果进行赋值量化,根据赋值结果确定分级标准,据此得到一个管道风险矩阵。该矩阵由管道失效可能性(L)和管道失效后果(S)两大因子组成,管道风险值(R)即为管道失效可能性(L)与管道失效后果(S)的乘积。风险矩阵图见图2[10],绿色为低风险,黄色为一般风险,橘色(风险值为10、12)为较大风险,红色为重大风险。

图2 风险矩阵图

(1)失效可能性等级

失效可能性等级是根据管道失效事件发生的可能性,由低到高分别赋值为1、2、3、4、5,具体如下:

a.1 表示可能性极低,现实中预期不会发生,在国内同行业中没有先例;

b.2 表示可能性低,预期不会发生,但在特殊情况下可能发生,在国内同行中有过先例;

c.3 表示可能性中等,在管道正常生命周期内不太可能发生,但在多个同类管道单元共存时,可能在其中一个管道单元发生,在公司内部有过先例;

d.4 表示可能性高,预期会发生,在正常生命周期内可能发生至少一次;

e.5 表示可能性极高,在正常生命周期内经常发生。

(2)失效后果等级

失效后果等级是根据管道失效事件造成后果的严重程度,由低到高分别赋值1、2、3、4、5,具体如下:

a.1 表示严重程度非常低,即:轻微的人身伤害、轻微的经济损失、低微的声誉影响;

b.2 表示严重程度低,即:较小的人身伤害或健康影响、较小的经济损失、有限的声誉影响;

c.3 表示严重程度中等,即:严重的人身伤害或健康影响、局部经济损失、当地重大的舆论影响;

d.4 表示严重程度高,即:1~2人死亡、重大经济损失(管道局部停运)、国内舆论影响;

e.5 表示后果非常严重,即:3人以上死亡、严重经济损失(大量或全部管道停运)、国际舆论影响。

值得关注的是对于失效后果的赋值规则问题,需要多方面考察,客观而言,这是包括燃气公司管理层、社会公众(包括行业)、当地政府管理部门在内的各方对于燃气事故风险的承受程度的具体体现,需要不断摸索、磨合和达成共识。

3.4 风险控制

(1)风险控制原则

风险管控遵循的是轻重缓急原则;管控的措施有工程、技术、管理和应急等4类;管控的目标是消减风险,努力控制在合理可承受的低风险区间,并通过完善风险管控制度,固化风险分级管控程序。

根据GB 32167—2015、GB/T 27512—2011《埋地钢质管道风险评估方法》等国家标准,深圳燃气结合自身可接受风险情况制定了管道风险评价实施办法,明确了管道风险可接受程度、企业须进行的管控措施。此外,针对地质灾害、第三方施工、管道腐蚀与防护等燃气管道风险因素,根据国家、行业、地方相关标准建立健全制度文件,通过采取日常巡查、内检测、无人机巡查等方式强化隐患排查,对排查出的隐患逐级建立台账,严格落实整改责任、措施、资金、时限和预案,实现隐患排查治理的闭环管理。

(2)风险分级管控措施

深圳燃气对管道风险分级管控的措施见表2。

表2 燃气管道风险分级管控措施

风险等级风险描述风险值可容许度措施和建议Ⅰ级低风险1~4可接受不需要采取进一步措施降低风险,在适当的时候可以考虑提高安全水平。Ⅱ级一般风险5~9在控制措施落实的条件下可以容许需要确认程序和控制措施已经落实,强调对管道的维护工作。Ⅲ级较大风险10~12难容许必须通过工程或管理上的专门措施(如停气、减压、修复等措施),限期把风险降低到等级II 或以下。Ⅳ级重大风险15~25绝对不能容许必须通过工程或管理上的专门措施(如停气、减压、修复等措施),限期把风险降低到等级II或以下。

3.5 效能评价

效能评价重点考虑管道完整性管理实施的效果和效率,主要依据相关文件记录、风险评价指标历年数据变化情况,分析各种危害因素风险消减、预控效果情况等,并提出改进建议,确保完整性管理目标的实现。城镇燃气管道完整性管理的效能评价应遵循的原则如下。

①效能评价需要客观、公正的科学态度。效能评价的对象是完整性管理体系,评价的标准应具有一致性和稳定性,评价的过程应具有可重复性。严格地说,只有建立在同一参考系中的效能评价,才有管理上的意义,通过周期性的评估成果类比、迭代,可以比较直观地观察到管道完整性管理的真实效能。

②效能评价可以是某一单项的评价,也可以是系统的评价,鉴于管道失效因素的逻辑性尚待完善,失效的统计样本有一定的局限性,失效后果本身也带有偶然因素,加上评价中带有主观性的赋值可能导致偏向定性化的结论,故此,系统的效能不是系统各个单项效能的简单总和,而是有机综合。

③管道完整性管理是一个复杂的系统,严格意义上的系统最优概念是不存在的,其优劣是相对于目标和标准而言的。因此,需要在效能评价的同时不断制定系统化的改进计划。

④将管道完整性管理的各项工作制度化,制度执行状况是效能评价的重点。

4 结语

城镇燃气管道完整性管理五步循环法尚处于探索阶段,还存在失效数据积累不足、新科技的应用不足及管理理念的集成有待提升等问题[7, 11]。对管道完整性管理理念的引入,我们可以理解为这是安全生产领域中“风险分级管控与隐患排查治理双重预防机制”在燃气管道管理中的具体落实措施,该“双重预防机制”又是现行的T/CGAS 002—2017《城镇燃气经营企业安全生产标准化规范》中的8项一级要素之一;该标准规范与现行国标理念是一致的。因此,将管道完整性管理纳入企业安全生产管理(或资产管理)体系之中,才能充分发挥其应有的作用。

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