油气管道风险评价技术研究.pdf

第39卷第1期辽 宁 化 工Vol . 39,No. 1 2010年1月Liaoning Chemical IndustryJanuary, 2010 油气管道风险评价技术研究 王 珂 1 ,王新虎 2 ,储开建 3 ,李德君 4 1. 西安石油大学材料科学与工程学院,陕西 西安710065; 2.中国石油天然气集团公司管材研究所,陕西 西安710065; 3.延长石油集团有限责任公司延安炼油厂,陕西 延安727406; 4.西安交通大学,陕西 西安710049 摘 要 阐明了风险评价的基本概念和油气管道风险评价的原理,介绍了油气管道风险评价技术 的现状及常用评价方法,最后结合我国油气管道的实际情况提出了我国油气管道风险评价技术研究的 方向。 关 键 词 油气管道;风险;风险评价;评价方法 中图分类号 TE 973 文献标识码 A 文章编号 100420935 2010 0120035205 风险评价技术最初在20世纪70年代应用于 美国核电厂的安全性分析,随后在石油化工、 环境 保护和许多工业领域中得以推广。经过30余年 的开发研究,风险评价技术已在许多国家投入应 用,并取得了巨大的经济效益和社会效益。我国 在这方面的研究和应用起步较晚,但近几年发展 十分迅速。 1 油气管道风险评价技术原理 油气管道风险评价技术是以诱发管道事故的 各种因素为依据,以影响因素发展为危险事故的 可能性为条件,以事故后果造成的经济损失为评 估指标的综合性管理技术。根据评价结果,管理 者不仅能及时了解管道的运行状况,而且能清楚 管道的完好程度和危险管段,以便合理地分配维 护资金,变管道的盲目性被动维护为预知性主动 维护 [1 ]。 管道风险评价技术在历时30多年后的今天, 己经有许多管道公司形成了自己的风险分析方 法,并有不少相关的文献出版。但总的说来,这些 方法可以分为3类定性风险评价、 半定量风险分 析和定量风险分析 [2 ]。 在这3种评价方法中,就其评价结果的准确 性而言,定量法最好,其次是半定量法和定性法, 但就其评价成本而言,定量法最高,而半定量法高 于定性法。对于油气管道系统,影响事故发生频 率的因素是第三方破坏、 腐蚀破坏、 设计缺陷和误 操作4个方面,所以无论采用什么评价方法,都必 须遵循以下基本原理 ⑴明确风险评价的任务 完整的风险评价需要回答以下3个问题什 么会恶化事故发生的可能性如何其事故后果 是什么 ⑵明确导致管道事故的因素 引起管道介质大量意外流失的原因有管道泄 漏和破裂两种情况。从大量管道事故分析报告的 统计结果可知,导致管道泄漏的因素主要有内腐 蚀、 外腐蚀、 施工损伤、 焊接缺陷、 接头缺陷和第三 方破坏等,而导致管道破裂的因素主要有第三方 破坏、 超压、 焊接缺陷和腐蚀等。 ⑶因素诱发事故的可能性 导致管道事故的因素中,除腐蚀、 超压和第三 方破坏是变化、 发展的之外,其余因素都是在管道 建成后已经存在,并且一般没有太大的变化管 材中的可扩展裂纹除外。根据一般工业装置引 起事故的“ 浴盆 ” 曲线所反映的规律,不变事故因 素在管道运营初期容易诱发管道事故,而可变事 故因素则主要在管道运营的中、 晚期诱发管道事 收稿日期 2009209203 作者简介 王 珂1982 - ,男,在读硕士研究生。 故。 ⑷估计事故造成的后果 管道事故造成的损失一般可从人身安全、 财 产损失、 环境影响和信誉损失4个方面考虑。其 中财产损失是最容易估计和有明确标准的;人身 伤亡和环境污染的损失计算与各国社会价值观取 向密切相关;而信誉损失则是最难估计的损失,主 要是由于其涉及到众多社会因素和政治因素。 2 油气管道风险评价技术研究现状 关于管线的风险分析国外已进行了近30年 的研究,取得了一定的成绩,已经实现了由安全管 理向风险管理的过渡,由定性风险分析向定量风 险分析的转化,风险分析已逐步规范化。如1985 年美国Battelle Columbus研究院发表了风险调 查指南 ,在管道风险分析方面运用了评分法; 1992年,W. Kent . Muhlbauer撰写的管道风险管 理手册 ,详细叙述了管道风险评估模型和各种 评价方法,它是美国在前20年开展油气管道风险 评价技术研究工作的成果总结,为世界各国普遍 接受且作为开发风险评价软件的唯一依据。该书 在1996年再版时作者增加了约1 /3篇幅介绍不 同条件下的管道风险评价修正模型,并在风险管 理部分补充了成本与风险关系的内容,使该书更 具实际指导意义。目前,它已成为世界各国开展 油气管道风险评价研究工作的指导性文献 [3 ]。 加拿大从20世纪90年代初开始油气管道风 险评价和风险管理技术方面的研究工作。1993 年,在加召开的管道寿命专题研讨会上,与会人员 就“开发管道风险评价准则、 开发管道数据库、 建 立可接受的风险水平、 开发风险评价工具包和开 展风险评价教育“等研究课题达成共识 [4 ]。1994 年,加拿大成立了能源管道风险评价指导委员会, 并明确该指导委员会的工作目标是促进风险评价 和风险管理技术应用于加拿大管道运输工业的阶 段的实现。 英国健康与风险委员会在管线风险管理项目 研究中,研制出M ISHAP软件包,用于计算管线 的失效风险,并取得实际应用。另外,英国煤气公 司为其管道系统风险评估开发出TRANSP IPE软 件包,在输入运行数据后研估出该地区的个体风 险和公共风险等。1984年,公司将运用自己开发 的软件包做出的评价报告提交给国家“ 健康与安 全部 ”,有效地解决了英国工程学会制定的TD / I 标准与“ 健康与安全部 ” 所定标准之间的条款冲 突。该软件包代表了风险评估的当时水平,目前 已在更新数据模式和扩大计算范围方法得到进一 步完善 [5 ]。 国外在将风险分析应用到管线维修和管理过 程中已取得了巨大的经济效益和社会效益。如美 国Amoco管道公司从1987年采用风险评价技术 管理所属的油气输送管道和储罐以来,已使年泄 漏率由1987年工业平均数的2. 5倍下降到1994 年的1. 5倍,从而使公司在1994年取得了接近创 记录的利润水平。该公司的应用实践表明,完善 的风险管理手段可降低泄漏修理和环保措施的费 用,对腐蚀管线采用合理使用原则可明显降低维 修费用。 1995年,我国的一些管道工程技术专家也开 始注意到国外关于管线风险技术的发展,并逐步 介绍到国内。此后,风险分析在管线风险性评价 中的应用研究才开始得到部分油田企业重视, 1995年12月四川石油管理局编译出版了管道 风险管理 一书,重点介绍了W. Kent . Muhlbauer 的方法 [6 ]。 3 油气管道风险评价方法 目前,对油气管道进行风险评价时较为常用 的方法 [2, 7 - 9]主要有 决策分析,故障树分析FTA - Fault Tree Analysis ,决策分析DMA - Deci2 sion - making Analysis失效模式、 影响和评价分 析FMEA -FailureModels and EffectsAnalysis , 概率风险评价PRA -Probability Risk Analysis 和评分指标体系法等。 3. 1 故障树分析方法 FTA是一种非常主要的安全风险分析方法。 该方法是美国贝尔电话实验室的米伦斯在1962 年首先提出的。我国于1976年开始介绍并且研 究这种方法,并在核工、 航空、 航天、 机械、 电子、 化 工等领域得到了广泛地应用,为提高产品的安全 性和可靠性发挥了重要作用。FTA是一种具有 广阔应用前景和发展前途的分析方法。故障树由 若干节点和连接这些节点的线段组成,每个节点 表示某一具体事件,而连线则表示事件之间的某 63 辽 宁 化 工 2010年1月 种特定关系。 FTA是一种逻辑演绎分析工具,用于分析所 有事故的现象、 原因和结果事件及它们的组合,从 而找到避免事故的措施。这种分析方法是分析系 统事故和原因之间关系的因果逻辑模型,从某一 特定的事故开始,运用逻辑推理方法找出各种可 能引起事故的原因,也就是识别出各种潜在的影 响因素,求出事故发生的概率,并提出各种控制风 险的方案。 3. 2 决策分析 决策分析是一种对不确定性和风险性做出合 理选择的常用方法。该方法利用决策理论建立模 型,在可能发生的事件中做出清晰的选择,有助于 决策者通过建立逻辑网络和决策树对结果进行评 估决策,并预测可能的结果。决策分析用于预测 事件发生的概率或结果,进行事后风险或概率分 析。 简单的讲,决策分析中的决策树包括以下若 干结点 ⑴决策结点,允许决策者做出二择一的选 择; ⑵机会结点,通过二择一分支产生机会,影 响决策结果; ⑶终止结点,为每一种提供可能的结果。 决策树的每个机会结点都有两个机会结果分 支,每个分支都被赋予一个特征量值和概率,从而 可以进行数学求解。 3. 3 失效模式、 影响和评价分析 失效模式、 影响和评价分析FMEA是一种 对元件或系统进行风险评价的方法。该方法基于 失效概率,以预先收集的数据、 资料、 表格和计算 机数据库为基础,给出可能的失效模式和失效结 果。由于FMEA是建立在工程鉴定和工程数据 的基础上的,因此该方法能为现役部件提供设计 修改和改进意见,也可以为发展新项目提供指导。 FMEA方法一般采取如下步骤 ⑴定义要评估的系统,系统各部分的功能关 系及它们的性能要求; ⑵建立分析的等级; ⑶标识故障模式、 故障的原因和后果,故障 相关的重要性和它们的顺序; ⑷标识检测、 纠正和隔离保护的方法; ⑸标识设计对故障条件下的操作保护; ⑹汇总、 推荐正确的行动和危险程度报告; ⑺FMEA的主要优点是能处理有效信息,不 需要特别的软件支持,并能用成熟的风险模型为 工程技术人员提供确定性的指导。 对于管道来说,失效原因应考虑⑴管道失 效案例;⑵阴极保护电位分布及保护效果;⑶杂 散电流影响;⑷地域土壤特性;⑸多相流成分; ⑹冲刷腐蚀因素。 失效后果应考虑⑴城市还是乡村;⑵人口 密度;⑶有无重要设施;⑷距水资源远近等。 3. 4 概率风险分析 概率风险分析PRA是一种定量确定绝对 事故频率的严密的数学和统计学方法。PRA可 以将设备设计、 运行实践、 运行历史、 构件可靠度、 人的行为、 事故的自然进程以及对环境、 健康的潜 在影响综合在一起进行分析。它用逻辑模型来描 述导致严重事故的复杂事件,用物理模型来描述 事故的进程,这些模型用概率方式提供事故危险 特征。 概率风险评价 PRA的主要功能是 ⑴识别和描述事件的组合,即如果事件发 生,可以描述严重事故或任何其他无法预料的事 件; ⑵评估每一种事件组合发生的频率; ⑶评估结果,如安全、 经济和环境影响。 3. 5 结构可靠性和风险评估 SRRA是一种评估构件失效概率的方法,它 是基于PS M中的失效数据、 分析模型、 专家意见、 构件初始状态假设、 结构老化、 载荷条件、 构件寿 命和控制顺序,也可用于决策分析以确定是否需 要修理、 维修或继续观察。 4 现有评价方法存在的缺点 现有管道风险评价方法存在以下问题 ⑴评价不完整 风险评价的不完整性主要有两个方面首先 是在危险辨识阶段,分析人员不可能保证找出所 有的危险;其次,是对已辨识的危险不能保证能考 虑到所有可能引发事故的原因和事故后果。 ⑵评价主观性过强 由于风险评价具有高度主观的性质,评价结 73第39卷第1期 王 珂,等油气管道风险评价技术研究 果与假设条件密切相关,不同的评价人员使用相 同的资料评价同一个问题,可能会得出不同的结 果。尽管有很多经验性的预测方法,风险评价的 质量在很大程度上还取决于判断的正确与否,尤 其是假设条件。如对于失效可能性和失效后果的 描述大量采用人为评分方式,不同专家的经验不 尽相同,在一些个别问题上还会相互抵触。虽然 管道模糊风险评价考虑到了这点,但就其评价矩 阵和权重级的确定仍不可避免带有很强的主观 性。 ⑶评价的可靠性不高 目前,管道风险技术大多是基于决策科学和 贝叶斯统计理论的决策分析方法,其特点是不必 建立精确的数学模型和计算方法,不必采用复杂 的强度理论和昂贵的现代分析手段,而是在有经 验的现场操作人员和专家意见的基础上进行打分 评判,其评价的精确性取决于专家经验的全面性、 划分影响因素的细致性、 层次性以及权值分配的 合理性。另外,对管道风险要素的关联影响研究 很少。因此评价结果的可靠性就受到影响。 ⑷适用性不强 一些定量风险评价方法虽然可靠性较高,但 需要大量数据,不易收集;而且方法复杂,不便掌 握。因此可操作性差,适用性不强。 5 我国管道风险评价技术研究方向 经过近30年的开发研究与应用实践,油气管 道风险评价技术越来越受到世界各国管道公司的 重视。由于我国油气管道系统在装备和管理水平 上同国外存在一定的差距,所以应根据我国油气 管道的实际情况,要将风险评价技术应用于我国 油气管道,需要做好以下5个方面的工作 [1, 6 - 7 ] 5. 1 充分发挥技术标准的作用 我国油气管道的主管部门应当联合政府有关 技术管理机构和科研院所成立一个管道风险评价 技术标准编制工作组,借鉴国外同类技术标准,尽 早编制出符合我国油气管道实际情况的风险评价 技术标准,用以指导全国油气管道风险评价的技 术开发和应用实践。 5. 2 建立全国油气管道信息数据库 管道风险评价结果的准确性来自于管道工作 历史参数的准确与可靠。因此,采集全国油气管 道的运行历史数据和环境特征参数是建立管道风 险评价体系的基础工作。为了使管道信息数据库 具有规范性和通用性,我国油气管道主管部门应 尽早制订管道信息数据库的基本要求和分级标 准,然后动员组织各管道公司和油气田将其所辖 长输管道和矿场集输管道的运行历史参数按要求 录入各单位的子级数据库,为研究开发我国管道 风险评价体系作好基本数据准备。 5. 3 识别潜在模糊因素的影响 油气管道的风险构成是一个包含了众多因素 和复杂内在关系的体系。这些因素之间的内在关 系是客观存在的,并具有一定的模糊性。难以使 用确切的计算公式进行表达。但评分体系法中的 一个前提性的基本假设即是认为各个影响因素之 间是相互独立的,显然这是该风险评估体系目前 尚存在的一个缺陷。承认各类影响因素的模糊 性,把影响油气管道风险构成的模糊因素纳入管 道风险评价体系之中,可以更为准确地描述客观 事实,提高管道风险评价结果的准确性。 5. 4 随机因素的概率模型 定量风险评价需要将各种影响因素处理成随 机过程或随机变量。因此,必须根据我国油气管 道的实际环境状况,通过大量的实测研究工作来 确定主要随机因素的概率模型,并对相应的概率 模型进行深入研究,以符合我国油气管道的实际 情况。 5. 5 坚持走研究与应用相结合的道路 由于管道风险评价和风险管理技术是一项实 践性应用技术,不仅评价所依据的数据源与管道 实际环境密切相关,而且由风险评价和风险控制 所构成的风险管理过程实际上就是管道公司的经 营过程,所以管道风险评价技术只有在实际应用 过程中不断修正对影响因素的评定标准才能增强 评价者对风险要素的认识和评判能力,从而提高 管道风险评价结果的准确性。 参 考 文 献 [1 ] 姚安林.论我国管道风险评价技术的发展战略[J ].天然 气工业, 1999 , 19 4 66 - 69. 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Ma in Reservoir - ing Geological Factors of M esozoic Shallow Gas in The Fuxian Region L I Fei, SHANG Xiao2qing Department of Resource Engineering, Xi’ an Petroleum University, Xi’ an 710065, China Abstract Fuxian county is an areawhere the degree of exploration foroil and gas in theOrdosBasin is relatively low.In thispa2 per, through analysis of the main reservoir - for ming factors in Fuxian area, it is believed that the research area lies in center of hydrocarbon generation, which has abundant oil sources, abundant reservoir space, and the type of gas reservoir mainly are li2 thological trap and tectonic - lithologic trap .For the effects of static pressure, hydrodynamic pressure, hydrodynamic disturb2 ance, diffusion and capillarity function, it is believed that the main channels of shallow gas in the research area are palaeoerosion surface, sand body, fault ormicrofracture. Key words Shallow Gas; Reservoir - ing Geological Factors; Fuxian Region 上接第38页 [4 ] Brain Griffin, Mike Zelensky . Basics of Risk Analysis, Ac2 cessment andManagement[M ]. Banff /95 PipelineWorkshop, 1995. [5] Coulson K .E. W, Pipe Contusion -conclusion, New Guide2 lines PromiseMore Accurate Damage Assessment[J ]. Oil Gas, 1990 5 41 - 44. [6] 四川石油管理局.管道风险管理[M ].北京石油工业出版 社, 1995. [7 ] 闫凤霞,高惠临.风险评估及其在油气管道方面的应用 [J ].石油工业技术监督, 2003, 19 2 126. [8 ] 张 鹏,段永红.长输管线风险技术的研究[ J ].天然气工 业, 1998 , 18 5 72 - 76. [9 ] 祥 柏.石油化工安全分析方法及应用[M ].北京化学工 业出版社, 2001. Study on the Risk Assessment Technology of O il and Gas Pipeline WANG Ke1, WANG Xin2hu2, CHU Kai2jian3, LI De2jun4 1. College ofMaterials Science and Engineering, Xi’ an Shiyou University, Xi’ an 710065, China; 2.Tubular Goods Reserch Center of CNPC, Xi’ an 710065, China; 3.Yan’ an Refinery of Shaanxi YanChang petroleum Co. ,Ltd, Yan’ an 727406, China; 4. Xi’ an JiaotongUniversity, Xi’ an 710049, China Abstract The basic concepts and principles of risk assessmentof oil and gaspipelinewere introduced. And the present situation and the common uation s of oil and gas pipeline were discussed. Finally, the research direction of the risk assess ment technology of oil and gas pipeline was proposed through combiningwith the actual situation of oil and gas pipeline in China. Key words Oil and Gas Pipeline; Risk; Risk Assess ment; uations 24 辽 宁 化 工 2010年1月