美国于20世纪70年代开始进行长输管道的完整性管理的研究，到目前全美几乎所有的长输管道都应用了完整性管理的方法和技术，这对长输管道的安全和维运有着显著的帮助。但城镇燃气管道所承受的压力明显小于输气管道，其失效模式更多为“泄漏”而非“破裂”。此外, 输气管道系统一般只有钢制管道, 而城镇燃气管道系统还拥有大量的塑料管道, 再考虑到城镇地下设施系统的复杂性和城镇燃气管道网状式的铺设特点, 因此按照长输管道以单个管道为单位进行完整性管理的方法很难解决好城镇燃气管道的安全问题。为了针对城镇燃气管道的特殊性制定科学的完整性管理方法，美国运输部DOT下属的国家管道和危害材料协会(PHMSA)于2005年开始对城镇燃气管道完整性管理(Distribution Integrity Management Program, DIMP)进行调研。在2009年，颁布的美联邦法规《49 CFR Part 192 Subpart P》对燃气输配管道运营商提出了开展完整性管理的最低要求，并要求运营商在2011年8月前提交完整性管理计划书，且计划书内容必须满足《49 CFR Part 192 Subpart P》的规定[1]。
为了推动DIMP的发展和执行，美国有多个部门加入了这项事业。PHMSA作为主管部门，负责制定相关标准、规范和检查监督。各个运营商的完整性管理计划书、管道泄漏失效报告、管道机械连接泄漏失效报告和年报等都需要上报给PHMSA。美国燃气协会(AGA)下属的天然气管道技术委员会(GPTC)则负责制定了完整性管理的技术指南。而美国公共燃气协会(APGA)和安全完整性基金会(SIF)则在PHMSA的资助下开发了辅助运营商制定完整性管理计划的在线软件SHRIMP[2-3]。美国公共地下设施联盟(CGA)则成立了“8-1-1”呼叫中心来减少第三方开挖破坏对城镇燃气管线的破坏。各参与部门见表 1。
到目前为止, 美国已经有1480家城镇燃气管道运营商开展了DIMP，以弗吉尼亚州的哥伦比亚燃气公司为例，从2009年11月开始计划发展DIMP，2010年8月完成DIMP初步计划，2010年9月执行PHMSA的试点检查，2010年10月完成最终的DIMP计划，并首先制定了城镇燃气管道的风险识别表单。到目前为止，该公司已经开展了5个周期的DIMP，其管道泄漏频次明显下降，发生的事故次数也明显下降。自2009年开始推行DIMP以来，美国城镇燃气管道安全得到了很大提升，统计全美的城镇燃气失效次数发现，从2010~2013年，全美城镇燃气管道失效次数从61.2次/103 km逐年下降到52.3次/103 km(见图 1)[4-7]。这说明DIMP确为有效的完整性管理手段。
城镇燃气管道事故的主要单项原因是第三方破坏，2008~2010年开挖破坏造成的事故占17%~18%，是造成严重事故的最主要的单项原因[8]。PHMSA数据库2014年共上报114起事故，其中因开挖造成的事故为33起，占比28.9%，是所有单项原因里最高的。城镇燃气运营商们加入CGA并和其他城市地下设施运营商共同建立“8-1-1”呼叫中心，要求任何施工作业方于开挖之前必拨打“8-1-1”呼叫中心通知其开挖计划。燃气运营商会根据开挖所在地管网的情况，提出开挖意见，标示管网位置，并对开挖地段管线进行监测，以减少开挖破坏。在PHMSA推行DIMP并帮助呼叫中心成立后，开挖破坏从2010的3.8次/1 000张作业票逐年下降到3.1次/1 000张作业票(见图 2)[9]。
相较于其他材质的管道，PE管在使用寿命和经济性上有明显优势，但最重要的还是其更好的安全性(见表 2)[4-7]。因此，用PE管替换投运时间较长，管体材质易失效的高风险管道是美国DIMP的一项重要内容。全美PE管和钢制管道的长度变换见图 3[10]。
2009年颁布的联邦法规《49 CFR Part 192 Subpart P》对燃气输配管道运营商提出了开展完整性管理的最低要求，包括7大要素的具体要求。而AGA下属的GPTC发布的ANSI GPTC Z380.1《输气和配气管道系统指南》是目前最具指导性的权威指南，用来指导运营商执行联邦法规的高层次要求。指南没有法规的效力，运营商可以不采用GPTC的指南来制定自己的DIMP计划，但需要证明DIMP计划满足了法规的最低要求。ANSI GPTC Z380.1《输气和配气管道系统指南》中和DIMP相关的部分见表 3[11]。
构成美国DIMP的7个最主要部分被称为7大要素。这7大要素分别为信息、识别威胁、评估风险等级、确定和实施应对风险措施、效能评价、结果汇报、确定下次评估时间(见图 4)。法规对7大要素的具体内容作出了要求，指南G-192-8则对如何执行完成7大要素的规定进行了详细指导。
SHRIMP全称为“Simple Handy Risk-Based Management Plan”(简单的、便利的、基于风险的完整性管理方案)，是APGA与SIF在PHMSA的资助下开发的在线应用软件，用于帮助燃气运营商完成法规要求的DIMP书面计划书。由于SHRIMP是在政府和行业的安全专家组成的顾问团指导下开发的，所以它完全满足法规中7大要素的要求。因此，结合SHRIMP来研究7大要素，能更直观地了解7大要素的要求和作用。
信息意味着城镇燃气运营商对自己管网系统的了解，这是运营商能进行完整性管理的前提。这其中最重要的一点是运营商能够全面地采集数据、处理数据和保存数据。由于运营商每年都会向DOT上交年报，因此年报的内容就是最基本的信息。此外，运营商还应该掌握包括管网位置、设计资料、日常维护管理结果等其他重要信息。其中包括：不同材质的管道长度，各材质不同管径大小的管道长度；不同投运年代的管道长度；8大类风险发生的次数；年维修次数；年泄漏次数；年输气差。
将破坏城镇燃气管网完整性的威胁分为8大类，即：腐蚀、自然外力、开挖损坏、其他外力、材料和焊接、设备失效以及其他可能影响管道完整性的威胁因素。每一大类还可以再细分子类型，如腐蚀可细分为外腐蚀、内腐蚀或者大气腐蚀。运营商应该根据历史数据来判断所运营的管网系统是否受着8大类威胁的影响。这些数据可以来自于：事故和泄漏历史记录、腐蚀控制记录、持续监控记录、巡线记录、维护历史记录和开挖损坏记录。SHRIMP会通过提问调查的方式来帮助运营商确定威胁(包括每一大类威胁里的具体威胁)。
评估风险等级是DIMP里非常重要的一个要素。美国DIMP认为输配管道不需要像长输管道一样划分高后果区。因为，PHMSA认为燃气管道都在人口集中的地方，人口密度和事故后果都相似。因此，把所有管道都当作高后果管道来处理。于是，美国DIMP只对各个区域的8大威胁进行相对风险评价，并按各威胁的严重程度排序。评估风险等级采用半定量风险评价法而非定量风险评价法。这是因为运营商只需对相对风险得分进行排序，并以此作为设施更换维修的依据，将有限的资源用到相对高风险的部分，达到管理经济且高效的目的，所以无需花费更多精力去进行定量风险评价。
G192-8燃气输配管道系统指南里推荐了SEMs专家法和数学模型两种方法。专家法更多依靠人员知识和经验，因此更加适合小规模，系统不复杂的运营商；而数学法需要更为严谨地对特定信息进行分段或分组。因此，更加适合能有效采集、处理和保存数据的大型运营商。并且，SHRIMP会根据8类威胁的历史失效数据来判断各威胁的发展趋势，并根据趋势结果来打分，判断趋势的数学模型使用Mann-Kendall检验法。SHRIMP的评估风险等级的数学模型为：
式中：R为相对风险得分；P为失效概率得分；C为后果得分；L为历史泄漏因子；I为事故概率因子。
P是基于运营商对调查问题的回答来打分的。每个问题有相应的分值，根据运营商的选择来求出总和。这些调查问题主要来自于G192-8燃气输配管道系统指南4.3节。SHRIMP的专家组修改了部分问题，并根据经验给这些问题赋予了相应的分值(见表 4)。
每个因素都可能会得到最大分和最小分，因为每个因素的问题数量不同，所以最大分会不同。因此，用公式标准化P，使其在1~10的范围内。
比如第三方开挖破坏实际得分为16分，根据公式标准化可得。
因此, 第三方开挖破坏标准化后的失效概率得分为5.5分。
每种威胁发生失效后会变成事故的概率并不同，事故显然比失效更加危险，所以需考虑一个事故概率因子I进行修正。
PHMSA统计了2005~2007年各类威胁的每1 000次失效的事故次数，并以腐蚀为标准进行标准化。专家规定标准化值在1~9之间的I值为1，标准化值在10~99之间的I值为1.25。因此，腐蚀、材料/焊接、设备和其他外力威胁设定I值为1；开挖、误操作和自然外力威胁设定I值为1.25(见表 5)。
通过调查提问的方式，根据运营商的回答来打分。在这个部分，还应该分析泄漏历史，判断失效是否是集中于某一区域。如果是集中于某一区域，还应该将该区域单独划分出来进行后果打分(见表 6)。基础分为1分。
虽然大部分的泄漏通过维修后不会产生事故, 但专家们仍然认为在为威胁进行相对风险排序的时候应该考虑相对泄漏概率。这个相对泄漏概率以美国2005~2009年全国燃气管网的统计结果为指导(见表 7)。
根据运营商管网系统风险等级排序情况来选择降低风险的措施。每种不同威胁有不同的应对措施。具体见G192-8的6.3节。这其中最重要的部分是泄漏管理，即发现泄漏后的管理。G192-11对泄漏进行了分级，并提出了根据泄漏等级来选择维修、计划维修或者监控的应对手段。表 8所列为开挖损坏的降低风险措施。
对运营商选择的减低风险措施的有效性进行衡量。主要是通过记录相关数据，来判断风险是否得到有效的控制。
完整性管理应是一个不断循环和改进的闭环系统，应确定下次评估周期。还应至少包括两项活动，即：①审核书面计划；②分析措施的成功率和有效性。
向PHMSA汇报符合要求的完整性计划书，包括管网基本信息和泄露记录。
通过对美国城镇燃气管道完整性管理(DIMP)数据库、相关资料和软件的应用分析，阐释了以7大要素为核心内容的DIMP的基本架构及支撑DIMP成功的重要因素，并系统地梳理了相关配套技术方法。对国内尝试提高城镇燃气管道完整性管理的运营商和技术服务公司给出了以下几点启示：
(1) 强制建立有效的管理机制，使参与管理的部门各司其职，目标统一。
(2) 联合其他的城市地下设施运营商，建立统一的呼叫中心，控制第三方开挖破坏。
(3) 有计划地替换老旧高风险管道。
(4) 建立起适合城镇燃气管网特点的风险评价方法，考虑用对8大类威胁进行优先排序的风险评价方法代替对管道进行高风险排序的风险评价方法，或者对两种方法进行结合。
(5) 开发相关的商业软件来辅助基层技术人员对管网进行完整性管理，并提高管道基础信息的管理。
(6) 以控制风险、预知危害的管理思路建立起闭环的完整性管理流程，真正用完整性管理的方法论来降低城镇燃气管网的潜在风险，提高运营安全。
随着我国城镇化的发展，城镇燃气管网的安全将会越来越重要，在学习外国成功经验的同时，建立起适合我国城镇燃气管网现状的完整性管理方法将会是下一步发展的重要目标。
2016, Vol. 45 Issue (2): 103-108
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