基于屏障的海底管道第三方破坏风险评价方法研究

李晓秋，刘怀增，何 睿

(中海油安全技术服务有限公司，天津 300456)

我国的海洋石油资源丰富，南海的石油储量约在230亿～300 亿t。海底管道是油气资源主要的输送方式，随着我国海洋油气的开发的高速发展，海底管道的敷设与运行也进入快速发展时期。自1954年美国在墨西哥湾铺设第一条海底管线以来，墨西哥湾已经建成的海底管道长约 37000 km，欧洲北海已经建成的国际输气管网超过 10000 km，我国建成的海底管道也已超过 6000 km。海底管道在服役期内，内部受腐蚀性介质、内压影响，外部受海洋环境、自然地质条件的影响，第三方随机载荷的作用等，随着服役时间的增加，这些因素不可避免的造成海底管道不同形式的损伤。一旦发生海底管道安全事故，将造成大量的经济损失、不良的社会影响。因此开展海底管道第三方破坏风险分析，提出行之有效的海底管道第三方破坏防控方法，确保我国海底管道的安全运行，提高海底管道管理水平。

1 海底管道事故分析与影响因素

1.1 国内外海底管道事故统计分析

欧洲输气管道事故数据组织(EGIG)统计了1970年以来的海底管道事故，主要的失效因素包括外力破坏(抛锚、拖网等)、腐蚀、材质与施工、海床运动等。其中腐蚀占比27%，外力破坏占比27%，材质与施工缺陷占比13%，海床运动占比16%。美国运输部(DOT)统计了1984年以来的海底管道与陆地管道事故，主要的失效因素包括外力、腐蚀、操作失误、管道缺陷、焊缝腐蚀、设备失效等。其中腐蚀占比28%，外力破坏占比30%，其他占比26%，操作失误占比6%，管道缺陷占比5%。英国健康与安全部(HSE)对英国北海海底管道事故进行了统计分析[1-3]，主要的失效因素包括：管道施工、悬跨、腐蚀、抛锚等。其中第三方破坏占比30%(抛锚占12%，渔业活动占2%)，腐蚀占24%，施工占28%。

中海油自1986年至2016年共铺设了315条海底管道[4]。据统计，在运行期间内，30年间共发生了51起事故。分析51起事故的原因，主要原因包括第三方破坏、腐蚀、施工质量、自然与地质灾害。其中，腐蚀占37%，第三方破坏占33%，自然与地质灾害占16%，施工质量占14%。

1.2 海底管道第三方破坏主要影响因素

由国内外海底管道事故数据看出，引发海底管道第三方破坏的主要影响因素包括：海洋环境与自然灾害、渔业活动、航道作业、施工作业、管道质量、人为因素与管理，如图1所示。

图1 海底管道第三方破坏主要影响因素

2 海底管道第三方破坏的安全屏障模型

2.1 Bow-Tie模型

Bow-Tie模型即蝴蝶结模型，是由澳大利亚昆士兰大学提出的，是事件树与事故树的结合，主要包括危险源、预防性安全屏障、顶上事件、保护性安全屏障、事故后果[5-6]。该模型与传统的风险识别方法相比，能够直观、全面的识别风险。作为主动式和预测式结合的风险识别方式，直观演绎事故发生的原因，在事故结果上可以进一步分析。图2为Bow-Tie 模型。

图2 Bow-Tie 模型

2.2 海底管道第三方破坏Bow-Tie模型

海底管道第三方破坏的风险包括：海洋环境与自然灾害、渔业活动、航道作业、施工作业、人为因素与管理。如果海底管道遭受第三方破坏，会造成不同程度的危害。如停产损失、管道本体损失、油气泄漏导致的经济损失外，还将造成海洋环境污染，严重的造成不良的社会影响。结合引起海底管道第三方破坏的风险因素与事故产生的后果，建立海底管道第三方破坏油气泄漏的Bow-Tie 模型。海底管道第三方破坏Bow-Tie模型如图3所示。

图3 海底管道第三方破坏Bow-Tie模型

由海底管道第三方破坏Bow-Tie 模型的事故树可看出，基本事件的风险为：X1风浪流冲刷；X2埋深不足；X3沉船；X4锚击；X5船舶撞击；X6渔网拖曳；X7坠落物撞击；X8水上交通繁忙；X9违章操作；X10管材与施工质量缺陷。

3 海底管道预警技术

由海底管道第三方破坏的Bow-Tie 模型看出，一旦发生管道事故，将造成不同程度的后果。针对管道第三方破坏形式，国内外依靠对管道监测检测技术，开展管道风险识别、早期预警，主要有以下几种监测检测预警技术：

1)光纤监测预警技术

光纤监测预警技术是对管道的过程参数和异常情况(如泄漏、自然破坏等)进行实时监测、定位和预警的一种早期诊断预警技术。它包括基于温度、振动识别的海底管道分布式光纤传感技术。

基于温度的海底管道分布式光纤传感技术的原理是：若管道发生泄漏，高压液体或者气体从破裂点处快速从管道内流到外面，泄漏处的环境温度会发生变化，通过监测管道周围温度的异常变化可有效探测管道泄漏。若管道发生第三方破坏，用单根光纤作为传感器的振动信号对管道的沿途进行检测，这种方法在检测管道是否发生泄漏的同时，可对沿途管道发生危害的事件进行预警。澳大利亚FFT公司采用光纤传感技术专门为陆上油气管道研制了光纤管道安全防御系统，实现一个实时性、可精确定位的防止第三方干扰的检测系统。

2)声波检测预警技术

声波在水下传播衰减小，是唯一能在水下远距离传播的一种能量形式。声纳通过对目标物发射声波，接收目标物反射回来的回波对水下物体进行探测、定位和识别的设备。目前，声纳基于多波束、侧扫、合成孔径等技术的特点，将几种技术融合，开发针对不同对象的基于声学检测预警系统。

3)AIS监测预警技术

国际通用的船舶自动识别系统(Automatic Identification system,AIS)是依靠岸基的VHF岸台和移动的船舶安装无线应答器系统来工作的，结合定位卫星系统GPS、现代数据通信技术及现代计算机技术，通过登录到系统,所有的船台都会得到船舶的信息。船和岸、船和船、岸和船的信息传递己经实现了。

4)雷达与GPS探测预警技术

雷达是一种传统的无线电导航探测设备。通过发射无线电波，并接收从目标物反射的回波，测定一个或多个目标物相对方位和距离，可在海图上显示目标物的图像。由此可见，雷达对于船舶在近岸海区或窄航道上安全管理发挥重要作用，特别是在海底管道第三方破坏的防护的重要性。但是，由于受到雷达电波传播的视距所限、受海浪回波或雨雪等的干扰严重，且不能识别未露出海面的暗礁、沉船、浅滩等潜在物标。GPS导航仪可以同时跟踪3颗或4颗卫星信号，GPS与海面雷达结合，可弥补雷达不能实现远洋定位以及定位不连续、定位操作工作量大等缺点，可实现实时、连续、全球、高精度定位。为海面海管第三方防破坏识别预警提出可靠技术支撑。

5)海管内外检测技术

依据海管内外检测技术的特点，具有多样性，开展海底管道损伤识别。海底管道外检测技术主要依据巡检船搭载侧扫声呐、浅地层剖面探测、视频等设备，沿海底管道路由进行探测，通过数据处理，识别管道的悬跨情况、管道损伤与泄漏情况。管道内检测技术主要是超声、漏磁等无损检测开展海底管道缺陷识别。由于受各种检测设备的局限，无法实现在线监测；受检测技术原理的限制，无法全面识别管道缺陷，对于老旧管线无法实现全面内检测评估。

4 结语

随着海洋油气资源的持续开发，海底管道的需求日益增强，在这种情况下，如何建立保障海底管道安全，提高油气输送的效率，给油气企业和监管部门提出了新的挑战。研究海底管道风险评价技术，充分利用现有监测检测技术，结合现代通信技术、云技术等，建立海底管道第三方破坏动态风险识别屏障，早期预警屏障，加强海底管道风险识别、风险监测、风险预警的能力，将风险隐患消灭在萌芽阶段，降低事故的发生，具有重要的工程实际意义。