對(duì)油氣管道本質(zhì)安全的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

張宏

中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院

本文討論的管道本質(zhì)安全主要指管道結(jié)構(gòu)的本質(zhì)安全，并不給出嚴(yán)格定義，僅談?wù)剛�(gè)人看法，供管道行業(yè)同仁參考。

1  管道本質(zhì)安全概念的理解

關(guān)于管道本質(zhì)安全重要性的論述很常見(jiàn)，但至今缺少對(duì)管道“本質(zhì)安全”的明確定義。借鑒其他行業(yè)定義，“本質(zhì)安全”是指“通過(guò)設(shè)計(jì)等手段使生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)本身具有安全性，即使在誤操作或發(fā)生故障的情況下也不會(huì)造成事故的功能”。如果將此概念移植到管道上，應(yīng)明確管道本質(zhì)安全是指“管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全”還是“管道系統(tǒng)本質(zhì)安全”。管道結(jié)構(gòu)一般理解為管道本身，管道系統(tǒng)除管道結(jié)構(gòu)之外，還包括相應(yīng)的配套設(shè)施，如控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、防護(hù)保護(hù)工程設(shè)施等，這些系統(tǒng)用于預(yù)防誤操作、第三方損壞、大型地質(zhì)災(zāi)害等意外偶然載荷對(duì)管道結(jié)構(gòu)的破壞。因此“管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全”應(yīng)理解為通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并按設(shè)計(jì)要求施工建設(shè)，使得管道具有抵抗設(shè)計(jì)載荷的能力，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)持續(xù)管理和維護(hù)讓管道保持上述能力。而超出設(shè)計(jì)載荷的安全保障應(yīng)由配套設(shè)施承擔(dān)。

劃分管道本質(zhì)安全基于兩個(gè)原因，一是管道發(fā)生事故后往往將重點(diǎn)放在管道結(jié)構(gòu)本身，較少去尋找其他原因；二是管道結(jié)構(gòu)不等同于管道系統(tǒng)，無(wú)法承擔(dān)管道本質(zhì)安全全部責(zé)任。

2  合理的管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)于管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全有幾個(gè)概念值得討論，首先什么是合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所謂“合理”指該設(shè)計(jì)按規(guī)范要求選擇了滿足強(qiáng)度的材料、尺寸和防護(hù)措施，平衡了管道安全性與經(jīng)濟(jì)性，考慮了管道可以承受的載荷和相應(yīng)可能發(fā)生的破壞形式。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)具有一定的強(qiáng)度冗余，用于在一定程度上而不是完全防止由于管道與管件的制造誤差、設(shè)計(jì)計(jì)算誤差、施工質(zhì)量瑕疵、運(yùn)行誤操作以及第三方施工等意外因素造成的管道破壞。

3  管道可能承受的載荷

從管道本質(zhì)安全來(lái)講，載荷不是外在因素，而是管道結(jié)構(gòu)安全的約束條件。討論管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全必須限定在一定的載荷條件下，離開(kāi)載荷討論管道本質(zhì)安全是沒(méi)有意義的，管道不可能抵御所有載荷。

管道在運(yùn)行過(guò)程中可能承受的載荷包括各種工藝載荷，以及識(shí)別到的可能以一定概率發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害土壤位移、洪水或人為活動(dòng)引起的沖擊等。按管道設(shè)計(jì)規(guī)范要求選取的載荷可以稱之為設(shè)計(jì)載荷。除此之外，管道承受的載荷中還可能存在來(lái)源于管道設(shè)計(jì)環(huán)境變化或設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有識(shí)別到的載荷。我曾于2019年第一次提出“非設(shè)計(jì)載荷”的概念（《管道保護(hù)》2019年第1期《論“非設(shè)計(jì)載荷”的識(shí)別與評(píng)價(jià)在管道保護(hù)中的重要性》——編者注）。多次管道事故都發(fā)現(xiàn)管道載荷超過(guò)了設(shè)計(jì)載荷，非設(shè)計(jì)載荷是造成管道事故的重要原因之一。

目前我們面臨的管道軸向應(yīng)力載荷是非設(shè)計(jì)載荷，復(fù)雜且難以確定。有時(shí)可能認(rèn)為該載荷較小或不確定是否存在而沒(méi)有引起足夠重視；有時(shí)可能沒(méi)有辦法確定載荷大小而在設(shè)計(jì)中未給予充分考慮。

近年來(lái)管道斷裂事故大都是環(huán)焊縫軸向斷裂，斷裂的焊縫處都存在一定的幾何缺陷或焊接缺陷，或材料性能不合格。這些因素淡化了事故中對(duì)載荷重要性的認(rèn)識(shí)程度。為了更好地理解載荷在事故中的作用，試想一下，即使這些焊縫沒(méi)有缺陷和材料性能問(wèn)題，事故就一定不會(huì)發(fā)生了嗎？管道依然可能因載荷的作用在管體上斷裂破壞，寬板試驗(yàn)中觀察到高強(qiáng)匹配焊縫試樣在管體屈服破壞的現(xiàn)象，驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。

我們不能認(rèn)為管道設(shè)計(jì)有一定強(qiáng)度冗余，管道就可以承受非設(shè)計(jì)載荷。管道設(shè)計(jì)規(guī)范中留給引起軸向應(yīng)力的其他因素份額很小，即使在等效應(yīng)力校核中采用了0.9的設(shè)計(jì)系數(shù)、管材實(shí)際強(qiáng)度與SMYS的差以及圓整的壁厚增量使得管道有一定的強(qiáng)度冗余，但其并不像我們認(rèn)為的那么強(qiáng)。對(duì)此必須引起足夠重視，盡可能發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)、消除非設(shè)計(jì)載荷，或在不能消除時(shí)將其納入管道設(shè)計(jì)載荷。忽略非設(shè)計(jì)載荷是非常危險(xiǎn)的，管道的安全與事故之間往往就差一根稻草。

土壤位移等非設(shè)計(jì)載荷可以通過(guò)建立管土相互作用力學(xué)模型，將土壤位移作為管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的控制參數(shù)，建立其與管道應(yīng)力/應(yīng)變之間的關(guān)系，監(jiān)測(cè)（地表）土壤位移來(lái)防止管道因載荷過(guò)大而被破壞。

4  管道環(huán)焊縫強(qiáng)度

管道環(huán)焊縫在拉應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)安全性是管道本質(zhì)安全的焦點(diǎn)。影響環(huán)焊縫承載能力的因素較多，主要包括焊縫結(jié)構(gòu)的材料性能以及存在的各種缺陷。管道環(huán)焊縫事故往往是較小的載荷、較小的缺陷以及一定的材料性能偏差組合作用的結(jié)果。國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)公司目前實(shí)施的揭榜掛帥項(xiàng)目，對(duì)環(huán)焊縫事故發(fā)生時(shí)載荷、材料性能和缺陷這三者之間的關(guān)系及其影響因素和影響規(guī)律開(kāi)展了研究。我相信，通過(guò)各方面合力攻關(guān)，正確認(rèn)識(shí)制管、施工、運(yùn)行等環(huán)節(jié)諸多因素對(duì)管道環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)安全性的影響，合理確定焊縫的材料性能及對(duì)焊縫缺陷的控制要求，管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

5  總結(jié)

（1）管道的本質(zhì)安全通過(guò)兩部分實(shí)現(xiàn)，管道系統(tǒng)的配套設(shè)施用于防止非設(shè)計(jì)載荷的作用，管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全抵抗設(shè)計(jì)載荷，期望通過(guò)管道本質(zhì)安全完全杜絕管道事故是不現(xiàn)實(shí)的。

（2）進(jìn)一步討論了設(shè)計(jì)載荷和非設(shè)計(jì)載荷的關(guān)系與區(qū)別，強(qiáng)調(diào)了非設(shè)計(jì)載荷的存在和對(duì)管道事故的重要作用。盡可能認(rèn)識(shí)到非設(shè)計(jì)載荷的存在，并在設(shè)計(jì)與運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行處理。

（3）正確認(rèn)識(shí)管道本質(zhì)安全與事故之間的關(guān)系。不是所有的事故都是管道本質(zhì)安全問(wèn)題。許多事故中確實(shí)存在事先難以認(rèn)識(shí)到的各種因素，首先要做的是逐步認(rèn)識(shí)并消除或抵御這些風(fēng)險(xiǎn)。管道事故分析最重要的是找到事故發(fā)生的原因，防止類似事故再次發(fā)生，其次再考慮是否存在人為責(zé)任。同時(shí)應(yīng)重視和發(fā)揮管道事故失效分析的作用，促進(jìn)我國(guó)管道失效案例庫(kù)的建立與應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：張宏，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院教授，油氣儲(chǔ)運(yùn)工程、安全技術(shù)與工程學(xué)科博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事工程力學(xué)在石油裝備及油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施的結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度設(shè)計(jì)與安全評(píng)估方面的科學(xué)研究。近年來(lái)主要從事地質(zhì)災(zāi)害管土相互作用與管道環(huán)焊縫強(qiáng)度研究。聯(lián)系方式：13601034401，hzhang@cup.edu.cn。