對油氣管道本質(zhì)安全的幾點認識

張宏

中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院

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，并不給出嚴格定義，僅談談個人看法，供管道行業(yè)同仁參考。

1  管道本質(zhì)安全概念的理解

關于管道本質(zhì)安全重要性的論述很常見，但至今缺少對管道“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“通過設計等手段使生產(chǎn)設備或生產(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造成事故的功能”。如果將此概念移植到管道上，應明確管道本質(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，還包括相應的配套設施，如控制系統(tǒng)、監(jiān)測預警系統(tǒng)、防護保護工程設施等，這些系統(tǒng)用于預防誤操作、第三方損壞、大型地質(zhì)災害等意外偶然載荷對管道結(jié)構(gòu)的破壞。因此“管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全”應理解為通過合理的結(jié)構(gòu)設計并按設計要求施工建設，使得管道具有抵抗設計載荷的能力，在生產(chǎn)運行過程中通過持續(xù)管理和維護讓管道保持上述能力。而超出設計載荷的安全保障應由配套設施承擔。

劃分管道本質(zhì)安全基于兩個原因，一是管道發(fā)生事故后往往將重點放在管道結(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)，無法承擔管道本質(zhì)安全全部責任。

2  合理的管道結(jié)構(gòu)設計

關于管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全有幾個概念值得討論，首先什么是合理的結(jié)構(gòu)設計。所謂“合理”指該設計按規(guī)范要求選擇了滿足強度的材料、尺寸和防護措施，平衡了管道安全性與經(jīng)濟性，考慮了管道可以承受的載荷和相應可能發(fā)生的破壞形式。合理的設計應具有一定的強度冗余，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、設計計算誤差、施工質(zhì)量瑕疵、運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，離開載荷討論管道本質(zhì)安全是沒有意義的，管道不可能抵御所有載荷。

管道在運行過程中可能承受的載荷包括各種工藝載荷，以及識別到的可能以一定概率發(fā)生的地質(zhì)災害土壤位移、洪水或人為活動引起的沖擊等。按管道設計規(guī)范要求選取的載荷可以稱之為設計載荷。除此之外，管道承受的載荷中還可能存在來源于管道設計環(huán)境變化或設計時沒有識別到的載荷。我曾于2019年第一次提出“非設計載荷”的概念（《管道保護》2019年第1期《論“非設計載荷”的識別與評價在管道保護中的重要性》——編者注）。多次管道事故都發(fā)現(xiàn)管道載荷超過了設計載荷，非設計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力載荷是非設計載荷，復雜且難以確定。有時可能認為該載荷較小或不確定是否存在而沒有引起足夠重視；有時可能沒有辦法確定載荷大小而在設計中未給予充分考慮。

近年來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載荷重要性的認識程度。為了更好地理解載荷在事故中的作用，試想一下，即使這些焊縫沒有缺陷和材料性能問題，事故就一定不會發(fā)生了嗎？管道依然可能因載荷的作用在管體上斷裂破壞，寬板試驗中觀察到高強匹配焊縫試樣在管體屈服破壞的現(xiàn)象，驗證了這一觀點。

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

土壤位移等非設計載荷可以通過建立管土相互作用力學模型，將土壤位移作為管道結(jié)構(gòu)強度的控制參數(shù)，建立其與管道應力/應變之間的關系，監(jiān)測（地表）土壤位移來防止管道因載荷過大而被破壞。

4  管道環(huán)焊縫強度

管道環(huán)焊縫在拉應力作用下的結(jié)構(gòu)安全性是管道本質(zhì)安全的焦點。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。國家管網(wǎng)集團公司目前實施的揭榜掛帥項目，對環(huán)焊縫事故發(fā)生時載荷、材料性能和缺陷這三者之間的關系及其影響因素和影響規(guī)律開展了研究。我相信，通過各方面合力攻關，正確認識制管、施工、運行等環(huán)節(jié)諸多因素對管道環(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焊縫缺陷的控制要求，管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全將會得到進一步提升。

5  總結(jié)

（1）管道的本質(zhì)安全通過兩部分實現(xiàn)，管道系統(tǒng)的配套設施用于防止非設計載荷的作用，管道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全抵抗設計載荷，期望通過管道本質(zhì)安全完全杜絕管道事故是不現(xiàn)實的。

（2）進一步討論了設計載荷和非設計載荷的關系與區(qū)別，強調(diào)了非設計載荷的存在和對管道事故的重要作用。盡可能認識到非設計載荷的存在，并在設計與運行過程中對其進行處理。

（3）正確認識管道本質(zhì)安全與事故之間的關系。不是所有的事故都是管道本質(zhì)安全問題。許多事故中確實存在事先難以認識到的各種因素，首先要做的是逐步認識并消除或抵御這些風險。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任。同時應重視和發(fā)揮管道事故失效分析的作用，促進我國管道失效案例庫的建立與應用。

作者簡介：張宏，博士，中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院教授，油氣儲運工程、安全技術(shù)與工程學科博士生導師。長期從事工程力學在石油裝備及油氣儲運設施的結(jié)構(gòu)分析、強度設計與安全評估方面的科學研究。近年來主要從事地質(zhì)災害管土相互作用與管道環(huán)焊縫強度研究。聯(lián)系方式：13601034401，hzhang@cup.edu.cn。