油气管道工程全生命周期风险评估及其对策.pdf

2 0 1 0年 第 6期 繁 技 木 Pi p e l i n e Te c h n i q ue 5 设 备 a nd Eq u i p me n t 2 01 0 No ． 6 油气管道工程全生命周期风 险评估及其对策 刘锴 ， 郑 贤斌 1 ． 中国石油天然气股份有限公司天然气与管道分公司质量安全环保处， 北京1 0 0 0 1 1 ； 2 ． 中国石油集 团安全环保技术研究院安全技术研究所 ， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 油气管道工程在设计 、 施工、 运营、 回收等全生命周期过程 中存在各类风险。文 中主要探讨 了 基于全生命周期的油气管道工程风险评估的基本概念， 建立了全生命周期油气管道工程风险评估系 统的总体框架， 探讨了油气管道工程在不同生命周期阶段的风险控制准则以及风险识别和评估的方 法， 研究了 损失模型、 风险概率模型和多目标风险决策模型， 有利于有效预防风险， 或在灾害事故发生 后合理确定损坏程度 ， 以及制定消减或控制风险的对策。 关键词 油气管道工程 ； 风险评估 ； 全生命周期 ； 对策 中图分类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 0 0 6 0 0 0 1 0 3 Fu l l Li f e - Cy c l e Ri s k As s e s s m e n t a nd De c i s i o n- m a k i n g o f Oi l Ga s Pi p e l i n e En g i n e e r i ng LI U Ka i ． ZHENG Xi a n b i n 1 ． Qu a l i t y S a f e t y E n v i r o n me n t De p a r t me n t ， Na t u r a l Ga s P i p e l i n e C o mp a n y ， P e t r o C h i n a C o mp any L i mi t e d， B e i j i n g 1 0 0 0 1 1 ， C h i n a ； 2 ． P e t r o C h i n a P l a n n i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a Ab s t r a c t T h e b a s i c c o n c e p t a n d p ri ma r y r e s e a r c h c o n t e n t o f t h e e v a l u a t i o n o f d e f e c t s b a s e d o n a f u l l l i f e c y c l e i s d i s c u s s e d ． T h e a d v a n c e o f e v a l u a t i o n o f d e f e c t s o f o i l a n d g a s p i p e l i n e b a s e d o n t h e f u ll l i f e c y c l e i s n e c e s s a r y ． Ri s k s a r e alwa y s i n v o l v e d i n t h e l i f e c y c l e o f b ri d g e d u ri n g t h e d e s i g n， c o n s t r u c t i o n， s e r v i c e a n d r e c o v e ry s t a g e s ． T h i s d i s s e r t a t i o n p r e s e n t s a f r a me o f 0 订 a n d g a s pi p e l i n e ris k a s s e s s me n t a nd d e c i s i o n ma k i ng me t ho do l o g y． The ALARP c rit e rio n， u t i l i t y f u n c t i o n ，p u b l i c s a f e t y a n d mu l i t i - o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n m e t h o d o f o i l a n d g a s p i p e l i n e ri s k a s s e s s m e n t are i n v e s t i g a t e d i n d e ta i l ． T h e s y s t e m a t i c p r o c e d u r e o f r i s k as- s e s s me n t a n d d e c i s i o n m a k i n g o f 0 i l a n d g a s p i p e l i n e e n g i n e e ri n g i s i l l u s t r a t e d ． w i t h a n o b j e c t i v e t o m i n i mi z e t h e f a t al i t y a n d r i s k o f e c o n o mi c l o s s e s ． Ke y wo r d s o i l a n d g a s p i p e l i n e e n g i n e e ri n g ； ri s k a s s e s s me n t ； l i f e c y c l e ； d e c i s i o n ma k i n g 0引言 油气管道属于高风险行业 ， 安全在油气管道 中尤 为重要_ 1 J 。油气管道一旦在 意外 事故 和 自然灾 害 中 遭到破坏， 将造成重大损失 ， 现 已引起 国内外管道工 程界高度关注。 油气管道在其设计 、 施工 、 运营 、 回收等生命过程 都面临着风险， 因此建立全 生命周期 的油气管道风险 评估体系意义重大。 1 油气管道工程全生命周期的风险 1 ． 1 基本概念 油气管道工程全生命周期包括油气管道的设计 期、 施工期 、 运营期 以及 回收期。油气管道工程全 生 命周期风险评估 可理解为在油气管道全生命周期 过 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 6 收修改稿 日期 2 0 1 00 6 0 2 程中 ， 尽可能考虑可能产生 的风险以及 已经产生 的风 险 ， 对这些风险进行评估 ， 从油气管道的安全性 、 经济 性 、 环保性 、 运行 效率 等各个指标综合考虑来确定风 险等级以及如何控制和消减风险。 1 ． 2 全生命周期各 阶段的风险 油气管道在全生命周期 中均存在大量风险 ， 还可 能遭受地震、 洪水、 滑坡、 崩塌等 自然灾害， 以及第三 方破坏 ， 都需要进行风险评估 。 1 ． 2 ． 1 设 计 阶段 的风 险 该阶段主要面临设计理论、 计算模型、 计算分析 能力等风险。设计理论发展不完善往往是设计阶段 最需要引起注 意的风险。设计前期规划 阶段存在方 案的确定 、 选择 等为后续 的建设 、 运营等带来不确定 性。规划阶段的风险往往具有很强 的隐蔽性 ， 造成 的 损失也最大。 2 Pi pe l i n e Te c h ni q u e a n d Equ i p me n t NO V ． 2 01 0 1 ． 2 ． 2施 工阶段 的风 险 该风险来自施工工艺、 自然灾害等方面， 施工阶 段的事故最为常见， 也是最主要的风险。在施工过程 中， 油气管道结构处于最弱状态 ， 荷载承受能力最低。 油气管道施工风险主要有工程概况 、 施工环境、 气候 条件、 招投标、 承包单位、 监理单位、 设备原材料的供 应等。 1 ． 2 ． 3运营阶段的风险 在规划 、 设计、 施工阶段隐藏 的风险将最终在运 营阶段显现， 运营阶段 的风险损失往往都直接 由油气 管道业主承担。如何通过合理 的风险评估 ， 降低油气 管道运营期间的风险和总体运营成本已是目前油气 管道风险评估研究的热点之一 。 1 ． 2 ． 4回收阶段 的风 险 油气管道 回收将引起 环境等方面风险。该 阶段 风险评估主要内容是管道剩余强度分析和剩余寿命 计算 ， 确定其延长使用年限和检修计划 。 1 ． 3 油气管道工程风险类型 风险从损失的角度可分为如下几类 从损失承担 者看 ， 分 为业主损失、 使用者损失、 社会损失等 ； 从损 失发生时间看， 可分为施工 阶段损失、 运营阶段损失 等 ； 从损失量测单位看， 可分为油气管道拆除将引起 环境损失 、 时间损失等； 从损失与风险事态的时效关 系看， 可分为直接损失和间接损失； 从损失的具体形 态上看 ， 可分为结构损伤、 时间损失、 利润损失、 运输 费用损失、 环境损失等。 2 油气管道工程风险评估主要 内容 2 ． 1 风险评估方法 根据风险定义， 油气管道工程风险表示为 R Ap ， e ； g ， b 1 式中 b为目标利益； p为风险事件发生 的概率 ； e为风 险事件发生造成 的损失 ； q为 目标利益实现的概率； R 为风险的数值度量 ， 简称为风险。 若考虑某种风险发生时可能产生的损失， 且各种 损失的发生概率不同， 则式 1 为 REp h p e h e 2 式中 为风险的数量； 为某种风险可能造成的损失 种类 ； e 为第 i 种风险造成第_ 『 种损伤时的损失； p h 为第 i 种风险出现的概率； p e i h 为第 i 种风险发生 时 ， 出现第． 种损伤的概率。 油气管道工程风险评估过程中， 采用表 1 所示的 概率进行描述。 表 1 油气管道风险概率描述 在考虑油气管道工程风险时， 风险造成的损失不 仅包括油气管道自身的直接经济损失， 还包括由于其 社会服务功能 的减退或丧失导致油气停输所带来的 间接经济损失等。 油气管道工程以安全为首要目标， 对其风险决策 本质是多 目标的优化问题 ， 国内外常见做法是在满足 安全标准的前提下， 基于油气管道工程全生命周期成 本 L C C L i f e ． C y c l e C o s t J ， 采用风险厌恶型的效用函 数_ 4 R i s k ． a v e r s e U t i l i t y ， 优化防范风险的投资和取 得的相应收益， 以期净 收最大化 ， 最终得到可接受的 风险度。 2 ． 2 全生命周期风险评估总体框架 通过对油气管道的全生命周期的各阶段风险分 析 ， 构建油气管道全生命周期风险评估总体框架 ， 如 图 1 所示。 图1 油气管道全生命周期风险评估总体框架 3 油气管道工程风险决策 油气管道工程风险管理通常可分为6个过程， 即 风险管理计划 R i s k M a n a g e m e n t P l a n n in g 、 风险识别 R i s k I d e n t i fi c a t i o n 、 风险定性 分析 Q u a l i t a t i v e R i s k A n al y s i s 、 风险定量分析 Q u a n t i t a t i v e R i s k A n al y s i s 、 风险应对计划 R i s k R e s p o n s e P l a n n in g 、 风险管理和 控制 R i s k M o n i t o r i n g a n d C o n t w1 J 。 油气管道工程风险决策可以采用英国国家健康 第6期 刘锴等 油气管道工程全生命周期风险评估及其对策 3 和安全委员会 T h e H e a l t h a n d s a f e t y E x e c u t i v e o f t h e U n i t e d K i n g d o m 推荐的 A L A R P 。 。 a S l o w a s r e a s o n a b l y p r a c t i c abl e 风险决策准则或称为风险合理控制准则。 具体的使用方法是通过确定风险不可接受水平和风 险可接受水平 ， 将整个风险域划分 为风险不可接受 区 域 R i s k U n a c c e p t a b l e 、 风险可忽略区域 R i s k T o l e r a - b l e 和合理控制区域 A L A R P ． 落于风险拒绝区域的风险 ， 表 明其风险水平 高于 可接受水平， 不可接受， 必须降低； 落于可接受水平 的， 表明其风险水平远低于社会可接受水平 ， 完全可 接受， 不需要采用任何措施； 而在两者之间的称为合 理控制区域 ， 表明该风险处于完全可接受和不 可接受 区问 ， 属于可容忍的风险， 应 以合理的成本降低风险。 表 2是风险矩阵 。表 2中， F为严重程度。 表 2 风 险矩 阵 A L A R P风险决策准则 的操作方法是 首先确定合 理的衡量风险 的指标 ， 然后研 究确定 其效 用 函数 特 点 ， 根据其代表值 ， 确定合理的风 险水平 ， 同时也就确 定基本的风险对策 ， 如表 3所示。 表 3 基本风险对策 等级 风险损失描述 不可接受 成本有 多大 ’ 都应 至少 把该风 险降低 到 A L A R P 应确定降低风险措施， 只要降低风险的成本与所取得 ⋯ 的风险效益相比是合理 的， 就应执行风 险降低措施 撑垂 整个油气管道工程建设 期 间都应对 该风 险进行管 理 ， 妖 但无须立刻采取 专门的措施 降低风险 可忽略 无须进一步考虑该风险 满意准则和最优准则 中给出的各种决策方法 ， 其 最终的决策 目标都是一个， 对于多个 目标的决策问 题 ， 或是认为各个 目标互不相关 ， 分别按单 目标决策 问题处理 ； 或是通过价值转换 函数转化为单一决策 目 标再进行处理。 4 油气管道工程全生命周期风险评估发展方向 油气管道工程全生命周期风险评估将功能、 安全 性、 检测维修、 经济性以及可持续发展性等方面结合 起来 ， 保证管道在最大 的经济性 的基础上安全运营 ， 涉及的学科面较广， 尚有许多前沿问题需要研究解 决 。 1 知识库、 数据库和知识共享。油气管道工程 全生命周期风险评估涉及到材料、 环境、 检测、 经济等 各个方面分析计算， 因此建立面向油气管道工程全生 命周期相关知识库 和数据库是实现全生命周期风险 评估的重要基础 。 2 遵循工程效益与安全并重的原则 ， 构建管道 全生命周期完整性评估理论和方法。 3 油气管道的缺陷检测技术 。油气管道 的全生 命周期的缺陷评估必须有准确的检测手段作为基础， 并进行精确 的缺陷检 测 ， 才 能保证 缺陷评估 的正确 性 。需要发展油气管 道的在线检测技术。由于影 响 缺陷的因素多并具有不确定性 ， 需要进一步发展缺陷 的评价技术 ， 如基于概率的缺陷评价技术 、 在线检测 技术等。 4 从微观、 细观和宏观上发现多因素组合条件 下的管道风 险成 因机 理 以及各 类风 险并 发 成 因机 理 ， 以信息处理智能方法 为基础 ， 提 出安全预警等级 与标准 ， 构建 具有感 知结构 内部性能与 外部环境 影 响的油气管道工程全生命 周期智能专家风险评估系 统 。 5 结束语 由于油气管道工程现场条件的复杂多变 ， 使得其 全生命周期中始终面临着来 自技术 、 自然条件等各方 面的风险。 油气长输管道工程全生命周期风 险评估是 一项 复杂的系统工程 ， 当前国内外研究还处于一个起步阶 段 ， 但 目前 国内油气长输管道系统呈大幅度增长的趋 势， 新建 和老化 的油气长输管道都急需先进 的、 实用 性强的风险评价技术来保障其建设和运行 ， 而 国内外 对油气长输管道的风险评价技术的研究较晚 ， 迄今还 没有开发出较适宜的风险评价技术。 因此， 将风险评价技术紧密结合国内的实际情 况 ， 率先提 出油气管 道工程 全生命 周期风 险评价技 术 ， 从而用 于指导油气长输管道的安全管理 ， 确保在 整个生产期内管道 的完整性， 将为 国内油气长输 管道 系统安全保障技术体系的建立提供参考 。 参考文献 [ 1 ] 郑贤斌， 陈国明． 油气长输管道密闭输送安全保障技术． 第十七届全国高校安全工程学术年会 暨首届安全科学 与技术产学研论坛 ， 镇江 ， 2 0 0 5 ． 下转第 7页 第6期 郭峰等 保温材料保温敏感性分析 7 2 ． 5 模拟计算分析 表4 参数敏感性分析结论 通过大量的模拟分析 ， 可得到如下结论 1 黑度只与辐射传热有关 ， 且温度越高 ， 辐射传 热越大。黑度对保温结构的外 表面温度影响很小 ， 可 忽略不计。 2 分析表明 对流换 热系数数值增 加到一定 数 量时， 对热 流密度及 热损 、 外表面温 度 的影 响趋小 。 在实际工程 计算分 析 中， 可取 上海 夏季风 速平均值 3 ． 2 m ／ s 计算 ， 风速再大 ， 对热流密度的影响不大。 3 环境温度和保温层外表面温度、 热流密度基本 呈线性关系。在进行 防烫伤设计时 ， 需考虑夏季高温， 因此可取最热月平均温度 2 7 ． 8 o C 进行。在考虑全年的 热损分析时， 可取全年的平均温度 l 5 ． 7℃进行计算。 4 保温层厚度对保温层外表面温度和热损的影 响最大。按分 析结果 可知 ， 对 于 1 5 0 c I 工况下 的保 温， 可选取 4 0 5 0 mm厚的岩棉； 在 2 5 0℃工况下 ， 可 选取 6 0～ 8 0 m m厚 的岩棉 ； 在 3 5 0℃工况下 ， 可选取 8 0～1 0 0 m m厚的岩棉。 5 在核算经济厚度时 ， 如 以热损考虑 为主 ， 则可 选取上述尺寸 的大值 ， 如考虑保温成本 ， 则可取上述 尺寸的小值。 3 保温计算的各参数的敏感性分析 对于保温的设计和测试分析， 保温效果与介质温 度、 保温材料 、 保温层厚度 、 环境 温度 、 风速等 因素有 关。取保温材料性能 、 环境温度 、 介质温度 、 风速等值 为基本参数 ， 而保温表面的热流密度是 由这些基本参 数决定的 ， 因此 ， 可以建立如下方程 Q W， T o ， ， ， D o ， t ， ⋯ 式 中 Q为保温外壁热流密度 ； W为风速 ； T o 为介质温 度 ； 为环境温度 ； A为保温材料的导热系数 ； D 。为保 温内径 ； 为保温层厚度。 采用蒙特 卡罗法抽 样 计算 J ， 并 进行 敏感性 分 析 ， 得到表 4所示结果。 参数 敏感程度 参数 敏感程度 导热系数0 ． 6 0 0 3 风速0 ． 0 0 3 7 介质温度0 ． 5 9 保温层厚度 一 0 ． 7 5 8 2 保温层内径0 ． 0 6 9 6 环境温度 一0 ． 1 1 3 4 表 4表明各基本参数对保温表面热流密度大小的 影响程度 ， 其 中影响程度大的是导热系数 、 保温层厚 度和介质温度 。导热系数越大 ， 热流密度越大 ， 反之 越小 ， 两者为正相关。而热流密度与保温层厚度则 为 负相关 ， 保温厚度越大 ， 热流密度越小 ， 反之亦然。环 境温度 、 保温内径和环境温度对保温的热流密度影响 较小。 4结束 语 通过分析 ， 得出了决定保温效果 的参数主要是保 温层厚度和保温材料的导热系数， 环境温度等为次要 因素。文中的研究 结论 对保温设备保温层的设计具 有重要 的指导作用。 参考文献 [ 1 ] 陈晖， 许金余． 新型保温材料--T E C H N O p o r 玻璃泡沫颗 粒． 新型建筑材料， 2 0 0 7 ， 3 4 9 5 35 4 ． [ 2 ] 高学农， 王端阳， 黄活阳， 等． 新型多孔保温材料的制备及 性能． 华南理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 7 ， 3 5 5 1 l 31 1 6 ． [ 3 ] 周孑民， 向锡炎， 陈晓玲 ， 等． 保温材料热物性测试的实验 及数值研究． 热科学与技术， 2 0 0 7 ， 6 4 3 6 8 3 7 2 ． [ 4 ] 章岩， 何廷树 ， 曹万智， 等． 纤维水镁石在复合节能保温涂 料中的应用研究． 新型建筑材料， 2 0 0 7 ， 3 4 8 8 1 8 4 ． [ 5 ] 陈卫东， 张国侠 ， 刘螈春． E P S新型节能墙体外保温材料． 新型建筑材料， 2 0 0 7 ， 3 4 6 4 1 4 3 ． [ 6 ] G B 8 1 7 4 8 7 设备及管道保温效果的测试与评价． [ 7 ] G B 5 0 2 6 4 - - - 9 7 工业设备及管道绝热工程设计规范． [ 8 ] 裴鹿成， 王仲奇． 蒙特卡罗方法及其应用． 北京 海洋出版 社 ， 1 9 9 8 ． 作者简介 郭峰 1 9 8 3 一 ， 在读硕士， 研究方向为特种设备安全 保障技术。 上接第3页 『 2 ] P A N D E Y M D， N A T H WA N I J S ． L i f e q u a l i t y i n d e x f o r t h e e s t i ma t i o n o f s o c i e t a l wi l l i n g ne s s t o p a y f o r s a f e t y． S t r u c t ur a l S a f e t y， 2 0 0 4， 2 6 1 8 1 1 9 9． [ 3 ] 成虎． 工程项 目管理． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 胡日东， 王志江． 基于决策者效用 函数上的目标规划模 型． 中国管理科学， 2 0 0 0 ， 8 1 1 3 1 3 8 ． [ 5 ] C R U Z D， P I L A R M． I n t e g r a t e d me t h o d o l o g y f o r p r o j e c t r i s k ma n a g e me n t ． J o u r n a l o f C o n s t ruc t i o n En g i n e e rin g＆ Ma n a g e me n t ， 2 0 0 2 ， 1 2 8 6 4 7 3 4 8 5 ． [ 6 ] S C H O F I E L D S ． O f f s h o r e Q R A a n d A L A R P p ri n c i p l e ． R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g a n d S y s t e m S a f e t y ， 1 9 9 8， 6 1 3 13 7 ． [ 7 ] J A WA R D， D I MA J ． L i f e c y c l e c o s t o p t i mi z a t i o n fo r i n f r a s t ru c t u r e f a c i l i t i e s ．Ru t g e r s ．T h e S t a t e Un i v e r s i t y o f N e w J e r s e y ， 2 0 0 3 ． [ 8 ] 阮欣． 油气管道工程风险评估体系及关键问题研究 [ 学 位论文] ． 上海 同济大学， 2 0 0 6 ． 作者简介 刘锴 1 9 7 3 一 ， 高级工程师， 主要从事油气管道安全 环保管理工作。