對油氣管道本質安全的幾點認識

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安全主要指管道結構的本質安全，并不給出嚴格定義，僅談談個人看法，供管道行業同仁參考。

1  管道本質安全概念的理解

關于管道本質安全重要性的論述很常見，但至今缺少對管道“本質安全”的明確定義。借鑒其他行業定義，“本質安全”是指“通過設計等手段使生產設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或發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，應明確管道本質安全是指“管道結構本質安全”還是“管道系統本質安全”。管道結構一般理解為管道本身，管道系統除管道結構之外，還包括相應的配套設施，如控制系統、監測預警系統、防護保護工程設施等，這些系統用于預防誤操作、第三方損壞、大型地質災害等意外偶然載荷對管道結構的破壞。因此“管道結構本質安全”應理解為通過合理的結構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，在生產運行過程中通過持續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。

劃分管道本質安全基于兩個原因，一是管道發生事故后往往將重點放在管道結構本身，較少去尋找其他原因；二是管道結構不等同于管道系統，無法承擔管道本質安全全部責任。

2  合理的管道結構設計

關于管道結構本質安全有幾個概念值得討論，首先什么是合理的結構設計。所謂“合理”指該設計按規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濟性，考慮了管道可以承受的載荷和相應可能發生的破壞形式。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

從管道本質安全來講，載荷不是外在因素，而是管道結構安全的約束條件。討論管道結構本質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生的地質災害土壤位移、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）。多次管道事故都發現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、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，盡可能發現、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構強度的控制參數，建立其與管道應力/應變之間的關系，監測（地表）土壤位移來防止管道因載荷過大而被破壞。

4  管道環焊縫強度

管道環焊縫在拉應力作用下的結構安全性是管道本質安全的焦點。影響環焊縫承載能力的因素較多，主要包括焊縫結構的材料性能以及存在的各種缺陷。管道環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果。國家管網集團公司目前實施的揭榜掛帥項目，對環焊縫事故發生時載荷、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、運行等環節諸多因素對管道環焊縫結構安全性的影響，合理確定焊縫的材料性能及對焊縫缺陷的控制要求，管道結構本質安全將會得到進一步提升。

5  總結

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

（2）進一步討論了設計載荷和非設計載荷的關系與區別，強調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）正確認識管道本質安全與事故之間的關系。不是所有的事故都是管道本質安全問題。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生的原因，防止類似事故再次發生，其次再考慮是否存在人為責任。同時應重視和發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構分析、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災害管土相互作用與管道環焊縫強度研究。聯系方式：13601034401，hzhang@cup.edu.cn。