澳大利亚管道安全管理方法

Peter Tuft（彼得·图夫特）

Peter Tuft amp; Associates

6 The Comenarra Parkway, West Pymble, NSW, 2073, Australia

61 2 9983 1511, peter@tuft.id.au

摘要：

澳大利亚对管道安全和风险的管理方法与世界其他大多数地区不同。非常注重使用风险管理控制模型来识别失效原因并针对其进行设计，很少使用定量风险评估。

澳大利亚的油气管道按照AS2885进行设计、施工和运营。自1997年重大修订以来，这是一项基于风险评估的标准。虽然它包含许多设计规则，但其应用是灵活的，在某种程度上取决于强制性安全管理研究的结果。

该标准的关键要素包括壁厚选择与压力设计因素的分离、对外部干扰的强制性保护、对高后果区域的特殊要求以及包括剩余风险定性评估的安全管理研究过程。

经证明，AS 2885 工艺可行且有效。它的结果是，在管道的每一点上都对安全性进行了优化，同时不会因为没有降低风险的特性而产生成本。该过程主要面向新管道的设计，但同样适用于正在遭受退化或受到诸如城市侵占等变化条件影响的旧管道的管理。

澳大利亚管道工业：

澳大利亚的输油管道通常很长，但直径相对较小（最大为 34 条，通常为 12-18 条）。它们横跨了大片偏远和人口稀少的地区，并且在半农村地区和城市郊区以及一些城市地区也有相当长的距离。城市对原本在农村地区修建的管道的侵占问题日益严重。大多数澳大利亚输油管道都比较年轻（1975 年以来建造了 80 条）。因此，由于按照现代做法和现代涂料设计和建造，而且恶化的时间有限，所以情况相当不错。

按全球标准衡量，澳大利亚管道行业规模相对较小。高压输电管道总长度在 30 000 公里以下，主要的管道运营公司屈指可数。然而，这个行业是相当广阔的，充满活力并且支持它的健康完善的专业管道工程师人群。澳大利亚一些较大的管道建设和工程服务公司在世界各地的不同地点拥有成功的出口业务和项目。

澳大利亚管道工业协会 (APIA) 提供赞助了一项积极的研究计划，并与北美的 PRCI 和欧洲的 EPRG 达成了合作研究协议；最近的三方联合技术会议于 2007 年在堪培拉举行。

APIA 还大力支持澳大利亚标准委员会 ME38负责 AS 2885。该委员会一直在积极制定管道设计标准的建设，焊接，操作和压力测试。委员会及其工作组包括来自工业界所有部门的代表以及来自每个国家的技术监管者，并在满足这两个群体的需要方面作出了反应。业界和监管代表有着非常默契的合作方式，意见仅在外围问题上存在分歧。APIA 研究计划包括许多针对 ME38 委员会需求启动的项目，研究结果纳入新修订的标准。

澳大利亚相当长的距离和较小的负载，造成了管道成本降至最低的经济压力，这也为技术革新提供了动力。APIA 和 ME38 委员会的统一提供了一种方法，通过这种方法，创新可以相对快速地纳入标准，并应用于新的和现有的管线。

AS 2885的依据：

1997 年之前，AS 2885 及其以前的标准是在 ASME ANSI B31.4 和 B31.8 规范的基础上制定的，随着时间的推移，与这些规范有了相当大的差异。在为 1997 年修订做准备的过程中，代码委员会认识到，尽管出于良好的意图，但基于规则的硬性代码通常会产生在安全性、经济性或两者方面都不理想的设计。特别令人关注的是，在不同地点类别之间的边界上，基于规则的方法产生了反常现象（反映的人口密度，通常是以非常任意的方式定义的），并且关注规则如何处理城市增长造成的人口密度变化。

当然, AS 2885 仍然包含许多规则。 然而, 他们是比以前更灵活, 首要的要求是评估风险, 并确保风险以任何适当的方式得到满意的控制, 而不是通过应用一套狭窄的固定规则。

本标准的一个基本方面是安全管理研究 (SMS)，在本文后面更详细的描述。实际上，设计的所有方面都必须通过 SMS 进行评审。虽然这看起来很麻烦，但这是通向灵活应用规则的道路，这样设计才能优化以确保安全。

SMS 包括定性风险评审过程，目的是识别可能导致失效的威胁，并确保对其进行管理，以便剩余风险是可容许的。

当目的是安全和风险管理应由负责管道设计和操作的工程师来完成，而不是外包给风险专家。管道工程和风险管理应该整合，其必然结果是工程和风险管理形成一个迭代过程；设计和操作程序影响风险概况，风险处理反馈到设计和程序。由于管道的设计和操作通常不是复杂的过程，因此将这个循环完全包含在负责管道工程的小型团队中是非常明智的。

风险专家偶尔会对管道故障的后果进行技术分析（对于不适用标准化方法的异常情况），以及可能需要进行定量风险评估的少数情况。

定量风险评估 (QRA) 在澳大利亚管道分析中的应用很少。已经尝试使用基于统计的 QRA，但要使这种方法产生实际结果，必须基于合理的故障率。澳大利亚管道事故记录太稀少，无法提取有意义的数据。在 APIA 数据库中记录的管道事件不到 200 起，其中仅有一小部分涉及密闭损失。这远远不足以建立平均故障率来解释可能影响管道故障的参数范围（壁厚、覆盖层深度和位置等级，仅提名三个最关键的参数）。一些 QRA 研究是基于英国和/或欧洲的统计失效率数据进行的，尽管管道可能位于偏远内陆，并且由此产生的预测失效率比澳大利亚总体平均失效率（包括来自人口较多地区的较高事件率）高出一个或两个数量级。

LOC=防护损失

澳大利亚数据 86-03 年欧洲数据-97--01 年美国数据-98—02

欧洲美国数据摘自 W.Guijt,O GJ，2004年1月26日

QRA 方法的这种误用在很大程度上损害了它们在澳大利亚管道行业的可信度，这是很不幸的，因为定量方法的应用是有效和实用的。特别是，基于现代可靠性的定量方法具有相当大的潜力，但尚未被采用。

AS 2885 承认，QRA 可能在辅助评价风险治疗替代方案方面发挥作用，以比较各种选项的风险降低获益。统计 QRA 也可能在评估管道设施相关风险方面发挥作用，管道设施包括标准工艺工厂组件，因此可以调用大量工艺工厂故障数据。

AS 2885 原则的一个默示特征是，虽然管道安全是压倒一切的优先事项，不能妥协，但也有灵活性，以避免产生不增加任何安全利益的费用。安全性和成本的优化是本文反复讨论的主题。

外部干扰防护：

外部力量造成的破坏是造成全世界管道事故的主要原因，但在澳大利亚尤为突出，在澳大利亚，这种破坏至少占所有事故的 80%。（这并不是因为外部破损率异常之高，而是因为澳大利亚管道的相对年轻意味着，迄今为止，它们只经历过几次与腐蚀有关的故障。）此外，澳大利亚的管道往往是薄壁的，因为其直径相对较小，使用的钢材等级较高，这使得它们在发生严重的外部损坏时更容易失去防护。

因此，AS 2885 相当强调外部干扰保护 (EIP)。对物理和程序保护措施都有强制性要求，这些要求必须与确定的威胁水平相适应:

管道的设计应确保实施多个独立的物理控制和程序控制，以防止识别出的威胁造成外部干扰失效。

物理控制的目的是通过物理防止与管道接触或提供足够的抗管道本身渗透能力来防止已识别的外部干扰事件导致的故障。

程序控制的目的是最大限度地减少外部干扰活动的可能性，即在管道操作员不知情的情况下发生损坏管道的可能性，并最大限度地提高从事此类活动的人员对管道存在和损坏管道的可能后果的认识(第 5.5.1 条)。

该标准要求采用所有切实可行的控制措施，农村地区至少采用一种实际措施，城市地区至少采用两种实际措施，并且始终至少采用两种程序性措施。标准中有相当详细的关于每种类型的控制被认为是有效的最低要求。外部干扰防护设计的总体有效性必须作为安全性管理研究的一部分进行审查。

贯入阻力 （抗压性）：

防止外部损坏引起的防护损失的最后一道防线是管道本身对穿透的阻力。因此，AS 2885 对作为物理保护措施的渗透阻力给予了相当大的关注。迄今为止的重点一直是抵抗挖掘机，因为挖掘机无处不在，而且工作状态较为活力，但人们认识到，钻机等其他设备也可能构成重大威胁。

APIA 赞助的研究，以确定之间的渗透力，管道属性（等级，壁厚）和挖掘机参数（牙齿尺寸，斗力，挖掘机质量）。（以前的工作是由其他人完成的，特别是在欧洲，但并不直接适用于典型的薄壁澳大利亚管道。）结果发现，对于给定的管道和工具尺寸，对于穿透所需的力，实验结果和有限元结果之间有极好的一致性，不过输入机器大小和吊篮受力能力之间的关系当然有些变化。然而，由此产生的关系是相当充分的估计最大尺寸的挖掘机能够穿透任何给定的管道，这些公式已被并入 AS 2885。

由于实际撞击条件存在巨大的不确定性，方程中包括了一个基于有限的全尺寸田间试验的经验参数。参数调整允许计算可能导致刺穿的挖掘机尺寸的上限值（很可能刺穿）和下限值（刺穿不可靠）。

AS 2885 要求在较高位置等级中，将穿透阻力作为物理保护措施。在农村地区是可选的，但标准预期将始终进行穿透阻力计算，以便提供可在 SMS 中用于评估失效模式和后果的参考数据。

渗透阻力设计的一个关键特征是它脱离了压力设计因素。管道壁厚传统上是基于边远地区 0.72 的压力设计系数，随着人口密度的增加，设计系数逐渐降低。然而，对于一个小直径和低压力等级的管道，即使设计系数低至 0.4 也会产生一个可以被挖土机穿透的壁厚。相反，在 0.72 的最大设计系数下，具有大直径和高压等级的管道将具有任何尺寸的机器都无法穿透的壁厚，因此采用低设计系数会增加非常可观的成本，而不会显著改善由于外部干扰导致的失效风险。

通过分离设计的内部压力和设计的渗透阻力，整个管道可以优化的安全和成本。

壁厚：

AS 2885 明确解耦(降低耦合度)从传统位置壁厚确定设计因素的公式。它规定在管道的每个位置上所要求的使用中壁厚应为下列因素中在该位置适用的最大厚度：

压力控制

贯入阻力（抗压性）

无破裂（稍后讨论）

其它应力amp;应变标准

快速运行断裂控制

特殊结构（桥梁）

道路和铁路交叉口的车辆荷载

缓解应力腐蚀开裂

疲劳寿命

外压

压力遏制的设计因素与位置分类无关。通过考虑壁厚的其他影响因素，明确解决了超压以外的失效模式。因此，从原则上讲，如果管道的壁厚能够满足所有其他要求，且不超过压力控制的要求，则在市区以 72 或 80 SMY 运行管道是可以接受的。在设计完成之前，SMS 提供了对这些问题的全面审查。

下图（简化自标准）举例说明了在渗透阻力恰好是主要影响因素的情况下如何应用该方法：

这种方法的目的仍然是保证原则即该设计可以在管道沿线的每一点进行安全和成本优化。

位置分类：

实际上，所有管道编码都使用一些位置分类的概念，以确定较高的人口密度会增加进出管道的风险的区域。AS 2885 没有什么不同，但它以两种方式改进了概念，并且应用也完全不同。

首先，位置分类的基础上，面积可能会受到严重影响点燃全孔破裂。位置类别根据 4.7 kW m2 (1500 BTU h.ft2) 辐射等高线内的土地利用（作为人口密度的代表）确定。这是普遍接受的辐射水平，在该水平下，无保护人员在暴露 30 s 后将遭受二度烧伤。它将随管道的直径和 MAOP 而变化，原则上可以根据释放率和 fiame 辐射相关性计算每条管道的释放率。然而，对于大多数输气管道来说，计算可以标准化到可以简单地从标准中提供的图表中读取的程度。（事实上，对于一般 MAOP 为 10.2 mPa 的天然气管道，有一条更简单的经验法则：以米为单位的 4.7 kW m2 辐射等高线等于以毫米为单位的管道直径——对于一条 DN 300 管道来说，为 300 m）。

基于实际最坏辐射损伤的位置分类使得管道设计具有真实的优化安全性和成本。甚至对于无破裂设计（见下文），使用全孔破裂辐射距离仍然适用，因为首先产生无破裂要求的是对周围人员产生严重影响的可能性。

AS 2885 定义了四个主要位置类别，总结如下（非常简略的定义）：