油气管道泄漏事故的定量风险评价.pdf

第 2 5卷 第 5期 2 0 0 4年 9月 石 油 学 报 ACTA PETRO LEI SI NI CA VO1 ． 25 NO． 5 Se pt ． 2 004 文章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 0 4 0 5 0 1 0 8 0 5 管道 泄漏事故 的定量风 险评价 翁永 基 石 油大学北京 l 0 2 2 0 0 摘 要 个绍 了油 气管道 泄漏 事故 定 量风 险评价 的基本 原则 和 一般 步骤 。分析 了泄 漏 事 故概 率 和事 故 后 果 ， 并 根据 事 故 基本 参 数确 定其 数值 一 根据 这 两种 指 标 ， 运 用危 险矩 阵 来简 单地确 定风 险 等级及 提 出推 荐 的处 理 建议 。此 外 ， 在 考 虑事 故 后果 时 ， 介绍 了事 件 对 铲析法 根据 油 气泄 漏事 故 可 能造成 的 3种 后果 无 燃晓 、 燃 烧和 爆 炸事 件 ， 分 别估 算 了其 发 生概 率 。从 安 全 、 经 济 和环 境 3个 方面 评价 了油 气泄漏 的 舌果 ， 讨 论 了相 直后果 指标 的考虑 因素 。 同时还 介 绍 了推 荐 的管 道 失效 概 率 分 类 准 则 ， 并 阐述 了 3类 损伤 发 是模型 ， 即速度 模 型 、 敏 感模 型和 无 关模 型。 关键 词 油 气 管道 ；油 气泄漏 ；事故 概率 ；事故 后果 ；风险 等级评 价 ； 计算模 型 中 图分 类号 TG1 7 2 文献标 识 码 A Qu a n t i t a t i v e r i s k a s s e s s me n t f o r f a i l u r e o f o i l a n d g a s p i p e l i n e s WENG Yo n g j i Un i v e r s i t y r j ／P e t r o l e u m ， B e ij i n g 1 0 2 2 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Th e b a s i c p r i n c i p l e s a n d g e n e r a l p r o c e s s o f q u a nt i t a t i v e r i s k a n a l y s i s QRAf o r o i l a n d g a s p i p e l i n e f a i l u r e we r e i n t r o d u c e d ． Th e pr o ba b i l i t y of f a i l u r e an d c on s e q u en c e o f f a i l u r e we r e de t e r n fine d b y t he e s s e nt i al p a r a me t e r s f o r d e s c r i bi ng f a i l ur e s of p i p e l i n e Ac c o r di n g t o t he pr o ba bi l i t y a nd c ons e q ue nc e of pi pe l i ne f a i l u r e s， t h e c r i t i c a l i t y mat r i x wa s s i mpl y us e d t o e va l ua t e r i s k l e v e l s an d p r ov i de t he r e c omme nd e d s u g g e s t i o n f o r f a i l u r e m i t i g a t i o n． I n a d d i t i o n， a s f o r c o n s e q u e n c e o f f a i l u r e ， t h e e v e n t t r e e a n a l y s i s wa s i n t r o d u c e d i n d e t a i l ． Th r e e c o n s e q u e n c e s o f o i l a n d g a s l e a k a g e we r e s i mp l y r e g a r d e d a s t r e e b r a n c h e s ， n a me l y， n o n i g n i t a b l e ， i g n i t a b l e a n d e x p l o s i v e e v e n t s ． Th e p r o b a b i l i t i e s o f t h e e v e n t s c o u l d b e e s t i n mt e d wi t h t h e t r e e b r a n c h e s Th e c o n s e q u e n c e s o f o i l a n d g a s l e a k a g e s we r e a s s e s s e d， a s f o r t h r e e f i e l d s o f s a f e t y， e c o n o my a n d e n v i r o n me n t Th e i n f l u e n c e f a c t o r s o n t h e s e i n d e x e s f o r d e s c r i b i n g t h e c o n s e q u e n c e s o f f a i l u r e we r e d i s c u s s e d． Th e r e c o mme n d e d c l a s s i f i c a t i o n pr i nc i pl e s f or f a i l ur e pr ob a bi l i t y we r e i nt r o du c e d Thr e e c o mmon d e gr a da t i on mo de l s i nc l ud i n g r a t e mo de l ，s u s c e pt i bi l i t y mo de l a nd i n s i gni f i c a nt mode l we r e a l s o de s c r i be d． Ke y wor dso i l a nd g a s p i p e l i ne；o i l a nd ga s l e a ka ge；f a i l u r e pr o ba bi l i t y；f a i l u r e c on s e q u e nc e；r i s k l ev e l a s s e s s m e nt ；c a l c ul at i o n mo de l l 风 险评 价 概述 风险管理 采用针 对性 的提 前维 修 ， 减少 恶性 事故 发生几率 风险不 同于 危险 ， 是 对事 故发 生概 率 和 发生 后果的综合考虑 ， 或可简单表达 为 风险等 于失效 概率 和失效 后果 的乘积 。事故 如有 多种 诱导 因素 ， 每 种 因素 都会 产生风险 。总风险等于全部单项 风险 的代 数 和 ， 即 总风险值 ∑P ， c 1 f l 式 中 P ， 为第 项 因素 的失效 概率 指标 ； C 为该项事 故 的失 效后果指标 。 风险评 价遵循“ 水桶理 论” ， 传统 方法 是采 用打 分 法评 价 ， 其结果 只有相对 意 义l 2 J 。但 近年 出现 的定 量 风险分 析 QRA 或 详细 风 险 评 价 ， 力 图 采 用 统一 准 则 ， 使评价结果具 有更 大意 义。笔 者参照 国际 流行 规 则 ， 以油气管道泄漏事故 为例 ， 讨论定量 风险评价 的方 法 和一 般 步 骤 。 2油气泄漏事故后果指标 2 ． 1事件树分析 对 可 能 出现 的油 气 泄 漏 事 故 ， 先 用 事 件 树 分 析 基金 项 目 中 国石油 天然 气股份 公司 K2 0 0 2 7 “ 油 田管道 腐蚀 安全综 合评价 技术” 项 目资助 。 作者 简介 翁 永基 ， 男 、 l 9 4 5年 6月 生 ， 1 9 6 7年毕 、 l 于 复 且大学物理 化学 专业 ， 现为石 油大 学 北 京 教授 ， 博 士生 导师 。 E n rai l ； wc n g x J 0 b j p e u． e d u c n 气 由 、～I● 维普资讯 第 5期 翁 永基 油气 管道 泄漏 事故 的定 量风 险评 价 1 0 9 E v e n t Tr e e An a l y s i s ， 简称 E TA 建立 可能产生的分支 后果事件 。油气管道 泄漏事 件树 可简 化表示 如 下 括 号 内为 出现概率 一 _ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ r 1 L j I一 厂 『 ] I 事 故 l l 兀 墚 I ．_ __J }J 爆炸、 形成冲 J 1击波 P b ％l 事件 I 事件 2 事件 3 用 P 和 Pb 分 别代表燃烧 和爆 炸 出现概率 ， 那么 以上各 事件出现概率分别为 P l1一 P P2 P 1一 Pb P3 P r Pb 2 3 4 挪威 船级 社 DNV 标准 3 J 中分 别给 出燃 烧 和爆 炸概率的简单估算方法 。 1 P 是 泄漏 速 度 、 可 燃 物浓 度 、 种 类 和模 块 空 间 内点火源数量 的函数 ， 可写成 P P P PdP。 Pd 5 式中 P 为浓度 参 数 ； P 为连续 点 火源 参数 ； Pd为 随机点火源参数 。 这些参数具体计算方法 可参见 DNV R P GI O 1中 的详细叙述 _ 3 J 。 2 P 代表泄漏引起燃烧 、 继 后发生爆 炸 的事件 概率 。爆炸可能 造成 对 f 临近 空 间 的冲 击 波损 害 。Pb 由油气泄漏速度 、 冲击波超压 、 防爆墙 性能等决定 。可 按 以下简化公式估算 Pb A e B x p 。 ／ p 0 6 式 中 户 。 是冲击波产生 的超 压 ， P a ； 0是 冲击墙 抗 冲 击设计压力 ， P a 。 系数 A 和B 数值按表 1选取 。 表 1 系数 A 和 B Ta bl e 1 Va l u e s of c o ef f i c i e nt A a nd B 如果 满 足 以下 条 件 之 一 ，则 取作 1 ① 户 。 1 4户 0 ；②户 0 未 知 ；③P o 未 知。 2 ． 2泄漏事故后 果评 价 根据 已发生或可 能发生 结果评 价 泄漏 事故 后果 。 一 般要从安全 、 经 济和环保 等角度衡量 。其 中 ， 安全后 果 以对生命潜在 损失 P L L 为指标 ， 常用 于评 价导 致 火灾 、 爆 炸或有 毒物品泄漏 ， 或 涉及 高压气体或流体容 器的事故 。经济后果采 用 当前 流通货 币 为单位 ， 来 计 算事故造成设备损坏 的修 复费 用 、 事故 导致 生产停 产 损失等全部经济损失总 和。油 田生产 一般采用折扣费 用流量 ， 生产延 迟就 意味 着产量 损失 。环境 后果 可 以 采用对环境造成污染 物 的数量 ， 或 者为 消除这 些 污染 所花费 的经费 包 括 罚 款等 为指标 。环境 后果会 受 到媒体和社会高度关 注 ， 有 时对业 主声 誉影 响远 超过 损失本身 。表 2给出不 同分支事件下后果评价须考虑 的基本 因素 。 表 2后果 评价 中考 虑的 因素 Ta bl e 2 Fa c t o r s t o b e c on s i d e r e d i n c on s e que nc e a s s e s s me nt 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m l l 0 石 油 学 报 2 0 0 4年第 2 5卷 如泄漏事故 存在 3个分支事件 ； 安全 、 经济和环境 评 价指 标分 别标 为 S、 B、 E， 其 下 标 代 表分 支事 件 编 号 那 么， 该 事故后果 C的计算方法如表 3所示 。 表 3 含 3个 分 支事件 的 泄漏 事故 后果 计 算 Ta bl e 3 Fai l ur e c on s e qu e nc e c a l c ul at i on f o r e v e nt t r e e c o nt ai ni ng t h r e e br anc h e s 总 的 安 全 后 果 P S1 十P， S ， 十P1 S1 总的经济后果 P t 3 十P， B， 十P1 B1 总 的环 境 后 果 P 十P， E， P】 E1 P3 S 3十 ， j S 十 P 1 S1 P3 B3十 P B 2十 P 1 B1十 P3 E3 P E2十 P1 E1 7 2 ． 3泄 漏 后 果评 价 的 依 据 参 数 后果评 价须考虑 油 气泄漏 量 ， 它 们可 根据 泄漏孔 尺寸和管道 压力计算 ； 然后 再采用 某 种扩 散模 型来计 算 泄漏的影响范 围 对 安全 、 经济 和环境 的后 果指 标 评 价考虑因素如下 1 燃烧事 件后果评价燃烧 事件安 全后果须 考 虑受事 故伤亡人数 ， 包括 受 冲击波 影 响人员 。应 当假 设影 响区内所有人员 均可 能受 到致 命 伤害 ， 经 济后果 按修 复费用 和延误生 产损 失 费用计 算 ； 延误 生 产损失 可按 停产时间和平均 日产量估 算 。环境后果评价更 多 地考 虑非燃烧 事件 ， 因为燃烧 事件 的前 丽 种后果 更 为 突 出 2 非燃烧 事件后 果评 价 一般 说 ， 非 燃烧 事 件 安 全后 果 不 严重 ， 但 必须 考 虑 油 气 生 产 中有 毒 气体 硫化 氢和 窒息 性气 体 引起 的人 员 伤亡 事 故 。硫 化 氢在很低浓 度下就 能点燃 ， 且 比甲烷 有更 宽 的爆 炸浓 度 区 ， 其 安全后 果取决 于硫化 氢浓度 和人 员在其 中的 暴露 时 间国外 资料规定 ， 硫化 氢浓 度 以 6 9 0l 0 。 为临界值 ， 当空间 内硫 化 氢 浓 度超 过 此值 ， 将 导致 人 员死亡 窒 息性 气 体主 要 包括 高 浓 度 甲烷 或 二 氧化 碳等 ， 可 导致人 员窒息 死亡 其安全后 果取 决空 气 中 残存 氧浓度 一一 般情 况下 ， 当氧浓 度低 于 1 5 ％ 体积 比 时 ， 将造 成 人 员死 亡 非 燃 烧 事 件经 济 后果 和燃 烧事 件一样 ， 但 其修 复 费用一 般 局 限于 设 备 本 身 ， 维 修费用 一般 比延误 生产 损 失 要小 。非 燃烧 事 件 环 境 后果是 必评项 目。 以泄漏 介 质 为油 、 气 考 虑 ， 按 国家 法 规 或公 司规 定 ， 其 浓 度 不 得 超 过容 许 的最 高 排 放 浓 度 。 3 油气泄漏事故概率指标 3 ． 1 泄漏概率定 义和等级 划分 泄漏 概率用单 位时间发生 的泄漏数 如 年 失效 概 率 表示 。通常划 分为 5级 。其 定量 、 定性划 分准则 及 相 应 状 态 描 述 见 表 4 。 表 4失效 概 率的 描述 Tab l e 4 De s c r i pt i o n of f ai l u r e pr o bab i l i t y 注 *少 量群 体指 2 0～5 0个样 本 ；大量 群体 指 2 0 0 ～5 0 0个 样本 。 等级划 分准则 不是绝 对 的。粗评 时 ， 泄漏 概率 只 分为允许 表 4中 1级 和 不允许 2～5级 。泄漏 概 率允许 值 由风险允许值计算得 到 ， 计算公式为 p ． P 8 L F l JI 式中 RI J ln 为某损 伤类 型 的允许 风险 值 由业 主根 据 主客观条 件 决定 ； C 为 该损 伤 类 型 的失效 后 果 指 标 ； P 为该损 伤类型的最大允许泄漏概率 。 根据失效后果 危 险程度 和维修 成 本等 因素 ， 允许 失效概率 可由业 主作适 当调整 。 3 ． 2损 伤 发 展 模 型 泄漏 是因管道 损 伤造 成 的， 泄 漏概率 随损 伤发 展 而变化 。就腐蚀损 伤而 言 ， 常见 的 3种损 伤发展 模 型 如 图 1所示 。其 中 1 无关 模 型 表 示损 伤 发展 与 时 间 无 关 。例 如 ， 加缓蚀剂控制 的油气体 系 ， 其 腐蚀程度很小 ，此 时 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 第 5期 翁 永基 油气 管道 泄漏 事故 的定 量 风险 评价 ＼ 褂 鬏 时间 图 1损伤 发展 模型 示 意 图 Fi g． 1 Sc h ema t i c o f f al ur e d e g r ad at i on mod e l i ng 研究泄漏概 率大小没 有必要 ， 可笼 统认 为其 泄漏概 率 为允许 值 ， 如 1 0 一。 2 敏感模型 表示损 伤经过某段 延迟 时间后快 速发展 ， 并 因外部 因素偶 然触 发造成 失效 。各种 裂纹 生长导致的失效符合这种模 型。 3 速度模 型表示 损伤积 累量 随时 间而不断增 大 。均匀或局部腐蚀 符合 这种 模 型 ， 通 过失 效前 检测 来建立模型 。检测 目标一般 是局部或平均 的管道壁厚 减薄 ， 须考虑 的参数有损伤速度 、 壁厚 、 缺陷大小 、 操作 压力 等 。 国 外 有 计 算 失 效 概 率 的 专 用 软 件 包 ， 如 F O RM。也可采用 其他 简化方法来估算 3 。 损伤发展还 受温度等影响 。表 5给 出碳钢在大气 和在保 温层下腐 蚀速度与温度 的关 系。 表 5碳钢 在 大气 和在 保温 层下 的腐 蚀 速度 Ta bl e 5 Cor r os i o n r at e s o f c a r b on s t e e l i n at mo s ph e r e an d und e r i n s ul a t i on 注 *该条 件下 一般 不使用 腐蚀 速度值 ， 可 笼统认 为失效 概率 ≤1 0 一 。**该公 式使 用温 度范 围 2 0～1 5 0 “C ． 式 中 T 为温 度 ， 计算 值为腐 蚀 速 度 mm／ a 。 4 油气泄漏事故风险等级评价 得到泄漏事故 概率 指标 和后 果指 标后 ， 可 用 危险 性矩阵直观评 价风险等级 J 。危 险矩阵 的 2个 元素 分别代表 概率指标和后果指标 ， 粗评 时只分 2级 允许 及不允许 ， 细评时分 5级 。表 6为粗评时危险矩 阵形 表 6粗 略风 险评 价 时采 用的 危 险矩 阵 Tab l e 6 Ri s k ma t r i x for s c r ee n i n g r i s k a s s e s s me n t 式 。失效概 率 和失 效 后果 均 只考 虑 允许 和不 允许 级 别 。风 险等级分 为 3级 ， 即高 、 中、 低 风险状态。 细评 时失效 概率和 后果均 分 为 5级 ， 风险 等级也 分 为 5级 图 2 ， 并 和以下处理对策对应 5 级 4 1 0 3 级 1 0 蓑2 10 1 级 1 0一 1 0 - 2 1 0一 1 0_ 4 l 0一 很轻 轻 中等 较严重 极严重 A B C D E 事故后果等级 图 2 55危 险矩 阵 Fi g． 2 55 f o r m of r i s k mat r i x I级 为无 风险 ， 一般无须采取措施 ； Ⅱ级 为较低风 险 ， 尚能继续使用 ， 但应加强监测 ， 安 排维修计 划 ； I l l 级 为 中等风险 ， 须分析 风险产生原因 ， 采取 降低 风险的措 施 ； I V 级为较高 风险 ， 须安排 短期 维修 计划 ， 避 免 发展 为泄漏事 故 ； V级 为高 风险 ， 视 为潜在 泄漏 穿孔 ， 应 立 即维修 。 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 1 1 2 石 油 学 报 2 0 0 4年第 2 5卷 5 结束语 风险评价不仅 用于 已发 生 的事 故 ， 更重要 的是 可 用于未来可 能发 生 的事故 。随着 我 国经 济 的蓬 勃 发 展 ， 大型工程不断涌现 ， 对 安全 、 经济 、 环保 日益 重视 ， 风 险评价技术将会 在我 国各个领域 普遍 应用 ， 希望 我 国油气生 产技术 和管理人员熟悉和应用这项技术。 致谢 本项 目得到中国石油天然气股份公司经费 资 助 和 中 国 石 油 规 划 总 院 的 帮 助 。挪 威 船 级 社 D NV 上海办事处提供了部分资料 ， 特此一并致谢 。 参 考 文 献 [ 1 Mu h l b a u e r W K． P i p e l i n e r i s k ma n a g e me n t ma n u a l [ M] ． 2 Gu l f Pu b l i s h i n g Co mp a n y ， 1 9 9 6 l _ 2 5． [ 2 ] L o y a l S o c i e t y ． Ri s k a n a l y s i s ， p e r c e p t i o n ， ma n a g e me n t [ M] ． Lo y a l So c i e t y， Lo nd on， 1 993 1 ～ 5． [ 3 ] D NV R P G1 0 1 ．R i s k b a s e d i n s p e c t i o n o f o f f s h o r e t o p s i d e s t a t i c me c h a n i c a l e q u i p me n t [ S ] ． D e t N o r s k e Ve r i t a s ， 2 0 0 2 9 2 0． [ 4 ] D NV R P F 1 0 1 ．Co r r o d e d P i p e l i n e s [ S ] ． D e t N o r s k a Ve r i ． t a s ， 1 999 34 50． [ 5 ] A S ME B 3 1 ．8 S 一 2 0 0 1 ．Ma n a g i n g s y s t e m i n t e g r i t y o f g a s p i p e l i n e [ S ] ． A S TM I n t e r n a t i o n a l ， Ne w Yo r k 1 0 0 1 6 ， US A， 2 001． [ 6 ] 翁永基 ．腐 蚀管道 安全 管理体 系 的研究 [ J ] ．油气储 运 ， 2 0 0 3， 2 2 6 1 1 8． 收稿日 期2 0 0 3 ． 0 7 ． 1 4 改回日 期2 0 0 3 ． 1 1 ． 1 8 编辑 杨 茁 上 接 第 1 0 7页 2 复配缓 蚀 体系 J s对 抑制二 氧化 碳腐 蚀 的电 化学特征表 明， J S是一种 以 阳极抑 制型为 主的复配缓 蚀体系 ， 其临界最低使用浓度为 0 ． 2 ％。 3 对复配缓蚀 体系中腐蚀钢 片外 、 中 、 内层 表面 电子能谱 X P S 的分 析结 果表 明 ， 外层腐 蚀 产物 中有 F e S 、 F e 2 O3 ； 中间层 腐蚀 产物 中有 F e S和 F e 0 ； 内层 腐蚀膜为 F e S 。 4 采用扫描 电镜对腐蚀钢片进行腐蚀 钢表面状 态 的研究结果表明 ， 复配缓蚀剂 J S能有效地 阻止二氧 化碳对 N8 0钢的腐蚀。 5 缓蚀剂 J B与辅 剂 S M 的复配 有 良好 的协 同 作用 ， 两种缓蚀 剂之间通 过相互联 结 、 螯合 ， 产生 了很 好的协 同效果 ， 与金属基 体形成 了较 为致密 的 F e S和 聚合物膜层 ， 抑制了 N8 0钢 的腐蚀 。 参 考 文 献 [ 1 ] Wa a r d C d e ，Mi l l i a n s D E．P r e d i c t i o n o f c o , c o r r o s i o n o f c a r b o n s t e e l 『 1 ] ． C o r r o s i o n ， 1 9 9 1 ， 4 7 1 2 9 7 6 ． [ 2 ] Mi s h r a B， A I ． H a s s a n S ， Ol son D L， e t a 1 ． D e v e l o p me n t o f a p r e d i t i v e mo d e l f o r a c t i v a t i o n ． c o n t r o l l e d c o r r o s i o n o f s t e e l i n s o l u t i o n c o n t a i n i n g c a r b o n d i o x i d e[ J ] ．Co r r o s i o n ，1 9 9 7 ， 5 3 1 1 8 5 2 8 5 9． [ 3 ] J o h n E Od d e ，H o u s t o n Ma son B T o mson ． Me t h od p r e d i c t s we l l bor e s c a l e c o r r o s i o n[ J ] ．0i l a n d G a s J o u r n a l ， 1 9 9 8 ， 8 6 1 0 7 1 1 4． [ 4 ] 魏 宝明 ， 主 编 ．金 属腐 蚀 理 论 及 应用 [ M ] ．北京 化 学 工 业 出版社 ， 1 9 8 4 1 1 9 2 0 4 ． [ 5 ] 张学元 ， 邸超 ， 雷 良才 ．二氧 化碳腐 蚀 与控 制 [ M] ．北 京 化学工 业 出版社 ， 2 0 0 0 8 9 1 0 2 ． [ 6 ] 艾俊哲 ， 贾红霞 ， 舒 福 昌 ， 梅 平 ． 油气 田二氧 化 碳腐蚀 及 防 护技术 [ J ] ． 湖北化 工 ， 2 0 0 2， 3 1 2 ． [ 7 ] 王志 龙 ， 艾俊 哲 ， 梅平 ． 二 氧化 碳 对 钢腐 蚀 的影 响 因素 研 究 [ J ] ． 油气 田环境 保护 ， 2 0 0 4 ， 1 4 1 4 8 5 0 ． [ 8 ] 郑 家 檠 ， 吕战鹏 ． 二氧 化碳 腐蚀 机 理 及影响 因 素 [ J ] ． 石油 学报 ， 1 9 9 5 ， 1 6 3 1 3 4 1 3 9 ． [ 9 ] S Y／ T 5 3 2 9 9 4 中华 人 民 共 和 国 石 油 天 然 气 行 业 标 准 1 9 9 5 0 1 1 8 ，碎 屑 岩 油 藏 注 水 水 质 推 荐 指 标 及 分 析 方 法[ s ] ． 收稿日 期2 0 0 3 1 I 改回日 期2 0 0 4 ． 0 3 ． 0 4 编辑 杨 茁 维普资讯