油气长输管道外腐蚀维护风险缓解程度模型.pdf

油气长输管道外腐蚀维护风险缓解 程度模型 彭星煜张鹏李宗新阮尚志秦岭胡亚梅 西南石油大学四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要 对危害油气长输管道安全性的因数进行分析,通过故障树分析法, 找出了导致管道外腐蚀穿孔破坏的3 1种影响因素, 确定了各影响因素的逻辑关系, 建立了故障树最小割集。通过专家主观评判对各基本事件的失效情况进行分析, 将专家自然语 言通过模糊数学的方法转换为模糊数, 然后采用左右模糊排序法将[ 0,1 ]区间的模糊数转换位模糊失效概率值。针对危害管道 的失效因素, 采取现行比较常用的外腐蚀管道维护方法和对基本事件进行安全整改, 然后聘请专家对管道维护前后的情况进行 评判, 采用所建立的计算基本事件失效概率值方法和所建立的最小割集, 计算出外腐蚀管道维护前后失效概率, 表明采取有针 对性的维修和维护措施,管道的失效概率将会明显减低, 降低了该管段的风险值。 关键词 腐蚀管道失效概率油气长输管道 风险缓解 A b s t r a c tT h i s p a p e r f i r s t l yf o c u s e s o nt h ea n a l y s i s o f f a c t o r s e n d a n g e r i n gt h es a f e t yo f t h el o n go i l a n dg a s p i p e l i n e . B ym e a n s o f f a u l t y t r e e m e t h o d s , 3 1r e l e v a n t f a c t o r s t h a t l e a dt o p i t t i n g c o r r o s i o nd a m a g e h a v e b e e nf o u n do u t , f o l l o w e db yt h ec o n f i r m a t i o no f t h e l o g i c a l r e l a t i o na m o n g d i f f e r e n t f a c t o r s a n dt h e e s t a b l i s h m e n t o f t h e m i n i m u mc u t s e t o f f a u l t y t r e e . A c c o r d i n g t o t h e e x p e r t s u b j e c t i v e a s s e s s m e n t s , t h ea n a l y s i s i s m a d eo nt h ef a i l u r ec o n d i t i o no f e l e m e n t a r ye v e n t s , a n dt h e ne x p e r t n a t u r a l l a n g u a g ei s t u r n e di n t of u z z y n u m b e r s t h r o u g ht h e f u z z y m a t h e m a t i c a l m e t h o d . N e x t , t h e f u z z y n u m b e r s[o , 1]i n t e r v a l a r et r a n s f o r m e di n t of u z z yf a i l u r ep r o b a b i l i t y b y l e f t - r i g h t f u z z y s e q u e n c e . I nv i e wo f f a i l u r e f a c t o r s h a r m f u l t o t h e p i p e l i n e , t h e f o l l o w i n g m e a s u r e s a r e t a k e ni na p p l y i n g t h e m a i n - t a i n i n gm e t h o dt ot h eo u t s i d ec o r r o s i o no f p i p e l i n e , c a r r y i n go u t s a f e t yr e f o r mo nt h ee l e m e n t a r ye v e n t s , a n de v a l u a t i n gt h ec o n d i t i o n a r o u n dt h ep i p e l i n em a i n t e n a n c eb yi n v i t e de x p e r t s . B e s i d e s , t h ef a i l u r ep r o b a b i l i t ya r o u n dt h em a i n t e n a n c eo f t h eo u t e r c o r r o s i o n p i p e l i n ec a nb ef i g u r e do u t b yt h eu s eo f t h ee s t a b l i s h e df a i l u r ep r o b a b i l i t yo nt h ee l e m e n t a r ye v e n t s a n dm i n i m u mc u t s e t . A s ar e - s u l t , i t i sc o n c l u d e dt h a t t h ef a i l u r ep r o b a b i l i t yo f p i p e l i n ew i l l b er e d u c e dc l e a r l ya n dt h er i s kv a l u ew i l l a l s ob el o w e r e do nt h i s p i p e l i n e i f t h e r i g h t m a i n t e n a n c e a n dt h e m a i n t a i n i n g m e t h o da r e u s e d . K e yWo r d sc o r r o s i o np i p e l i n e ; f a i l u r e p r o b a b i l i t y ; l o n g o i l a n dg a s p i p e l i n e ; r i s kd e d u c t i o n *石油科技风险创新项目, 石油科技中青年创新基金、 油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金 P L N 0 1 1 3 前言 腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关 键因素, 据美国国家输送安全局统计, 美国4 5 的 管道损坏是由外壁腐蚀引起,我国地下油气管线投 产1 2年后及发生腐蚀穿孔的事故已屡见不鲜[ 1 ]。 管道腐蚀破坏的往往会造成巨大的经济损失,据了 解目前美国每年花费7 . 0 1 0 8美元用于输气管道的 腐蚀控制, 而这些支出都被均摊到了气价中, 不仅导 致了财产损失同时也加重了百姓的负担。 管道的外腐蚀相比于内腐蚀由于其影响因数的 复杂性和多变性, 以及内腐蚀影响因数的可控制性, 因此管道的外腐蚀破坏已成为危害管道安全的主要 因素。 为了延长管道的使用寿命, 对腐蚀管道的维修 已经成为管道运营公司所关注的重点,西方国家每 年对旧管道的修复量为新建管道的2 5 5 0 , 我国 油气管道大多已经运行超过2 0年, 每年用于维修更 新的费用也约占新建工程投资的1 0 2 0 [ 2 ] 。 风险是事故发生概率、 预期寿命、 损害、 长期环 境影响和经济代价的函数。风险评价致力于建立一 种统一的损失度量标准来衡量这些因数的影响[ 3 ], 能通过失效概率来评估不同的维修和维护活动作 用,通过降低风险可能性措施也就是采取风险预防 措施来减小风险值。管道的腐蚀是影响管道风险水 平的主要因素,因此通过对腐蚀管道维修和维护可 以大大减小管道的失效概率,相应的降低管道的风 险值, 将管道的风险降低到人们可以接受的水平。 管道外腐蚀故障树分析 故障树分析法 F T A 是指在系统设计过程中, 通 3 5 T E C H N O L O G YS U P E R V I S I O NI NP E T R O L E U MI N D U S T R Y 石油工业技术监督2 0 0 6年1 0月 质量可靠性研究与探讨 表2外腐蚀管道维护前后失效概率对比 维护前管道失效情况维护后管道失效情况 基本事件失效概率外腐蚀失效概率次/ k m . a 基本事件失效概率外腐蚀失效概率次/ k m . a 管段6 . 3 1 0 - 3 6 . 0 1 0 - 3 1 . 3 2 1 0 - 5 2 . 6 1 0 - 8 图1管道外腐蚀穿孔破坏失效故障树 表1外腐蚀破坏故障树基本事件表[ 4 ] 序号基本事件序号基本事件序号基本事件序号基本事件 1管材抗蚀性差9土壤含硫化物1 7检测结果的确认2 5阴极保护站间距过大 2电缆接地装置杂散电流1 0土壤氧化还原电位高1 8防腐绝缘涂层过薄2 6保护点位低 3电气化铁路杂散电流1 1土壤含盐量高1 9防腐绝缘涂层破损2 7地床有杂散电流 4电气接地漏电和感应电流1 2土壤电阻率低2 0防腐绝缘涂层下部积水2 8保护方式不当 5其它杂散电流1 3植物根茎穿透防腐层2 1施工监督不严2 9保护材料失效 6土壤含细菌1 4土壤有机质含量高2 2防腐绝缘涂层粘结力低3 0未考虑套管屏蔽作用 7土壤P H值低1 5检测工具的选择2 3防腐绝缘涂层脆性过大3 1保护电路密度小 8土壤含水率高1 6检测时间间隔2 4防腐绝缘涂层老化剥离 过对可能造成系统故障的各种因素 硬件、 软件、 环 境、 人为因素等 进行分析, 画出逻辑框图 见图1, 从而确定系统故障原因的各种组合方式和发生概 率, 并采取相应的改进措施, 是提高系统可靠性的一 种设计分析方法。 1外腐蚀穿孔破坏故障树的建立 将管道腐蚀穿孔破坏作为故障树的顶事件, 按 照从上向下的原则分析引发穿孔破坏的影响因素, 直至找到管道失效的底事件 见表1 。通过外腐蚀 破坏故障树的建立,可以发现各级影响因素的基本 情况和相互间的逻辑关系,能够更为准确的找出管 道的薄弱环节, 使管道维修能够做到有的放矢。 2外腐蚀穿孔破坏故障树定性分析 在故障树分析中,把能使顶事件发生的基本事 件集合称为割集,割集中任一 基本事件不发生就会使顶事 件不发生,即割集所包含的基 本事件对引起顶事件发生不 但充分而且不要, 则该割集就 是最小割集。 最小割集表明了 能够造成顶事件发生的基本 事件的最小集合, 能够方便指 出事故的发生模式[ 5 ]。本文采 用下行f u s s e l l 算法求解管道 外腐蚀穿孔破坏失效故障树 的最小割集。 表2为计算出的 故障树最小割集, 分析表明外 腐蚀穿孔破坏有1 5 3个二阶 最小割集,5 1个三阶最小割集。 专家判断基本事件模糊概率 1专家判断自然语言模糊化 故障树定量分析的首要工作就是要确定基本事 件发生概率,为了获得该概率值必须进行大量的试 验和观察。 但是目前由于相关数据的欠缺, 因此要确 定概率值就比较困难,本文采用专家对基本事件主 观判断,即专家对基本事件的发生情况,采取很小 V S 、 相 当 小 C S 、 小 S 、 较 小 R S 、 中 M 、 较 大 R L 、 大L 、 相当大C L 、 很大L9种自然语言进 行评判。 然后采用模糊集理论处理这些不确定信息, 用降半岭形分布、 半升半岭形[ 6 ]和改进的岭形分布 隶属函数对这些自然语言分析。 注 逻辑符号 3 6 T E C H N O L O G YS U P E R V I S I O NI NP E T R O L E U MI N D U S T R Y 石油工业技术监督2 0 0 6年1 0月 质量可靠性研究与探讨 语言变量 “很小” 的隶属函数表示为 μ x 1 0 ≤x ≤0 . 1 1 2- 1 2s i n π 0 . 1 x - 0 . 1 5 “ 0 . 1 x 0 . 2 0 0 . 2 ≤x “小” 取a 0 . 2 , b 0 . 3 ; “较小” 取a 0 . 3 , b 0 . 4 ; “中等” 取a 0 . 4 , b 0 . 5 ; “较大” 取a 0 . 5 , b 0 . 6 ;“大” 取a 0 . 6 , b 0 . 7 ;“相当大” 取a 0 . 7 , b 0 . 8。 语言变量 “很大” 的隶属函数表示为 μ x 0 0 . 8 x 1 2 1 2s i n π 0 . 1 x - 0 . 8 5 “* 0 . 8 x 0 . 9 3 1 0 . 9 ≤x ≤1 事件X i包含在第j 个割集K j 中; i基本事件序号。l 1 , 2 ,⋯, 3 1; j某故障树中最小割集的序号, j 1 , 2 , 3 ,⋯, K ; K故障树中最小割集的个数,K 2 0 4。 2腐蚀管道维护前后失效概率对比分析 管道维护前失效概率可通过如下步骤计算 1 聘请专家对故障树中基本事件进行评判。 为 了体现计算思路和简化计算过程,我们假定专家评 判管道维护前各基本事件失效都为9级评价自然语 言中的 “很大” 情况 很小、 相当小、 小、 较小、 中等、 较 大、 大、 相当大、 很大 , 即基本事件发生失效有很大 可能性。 2 计算模糊语言对应的模糊数。 根据专家判断 自然语言, 在式 4 ～ 6 中选择对应的模糊数关系函 数。本文实例中, 由于所有的基本事件都为 “很大” , 因此其对应得模糊关系函数为式 6 。 3 模糊数向模糊可能性值转化。 维护前左右模 糊可能性值可以按照图4和公式 7 、 8 和 9 计算, 其中A和B点对应纵向坐标f w A 0 . 8 8,fw B 0 . 8 1。 右模糊可能性值 F P S R w s u p x f w B ∧fm a x x “ 0 . 8 8 隶属度函数f x 3 8 T E C H N O L O G YS U P E R V I S I O NI NP E T R O L E U MI N D U S T R Y 石油工业技术监督2 0 0 6年1 0月 质量可靠性研究与探讨 A B 本文编辑路萍收稿日期 2 0 0 6 - 0 8 - 2 8 图5维修后左右模糊可能性值示意图 3 9 T E C H N O L O G YS U P E R V I S I O NI NP E T R O L E U MI N D U S T R Y 石油工业技术监督2 0 0 6年1 0月 质量可靠性研究与探讨 左模糊可能性值 F P S L w s u p x f w x ∧f m i n x “ 0 . 8 1 模糊可能性值为 F P Sw F P S R w 1 - F P S L w“ 2 0 . 5 3 5 4 模糊可能性值向模糊失效概率转化。按照式 1 0 可计算出模糊失效概率值。 k 2 . 3 0 1 1 - F P S F P S 1 / 3 2 . 1 9 5 9 F F R 1 1 0 k 0 . 0 0 6 3 5 计算顶事件失效概率。 根据4 . 1基本假设和故障树定性分析所确定的 1 5 3个二阶最小割集,5 1个三阶最小割集, 计算顶事 件及管道外腐蚀破坏失效概率值。 管道外腐蚀失效概率值为 1 5 3 0 . 0 0 6 3 2 5 1 0 . 0 0 6 3 3 0 . 0 0 6 外腐蚀管道维护后,专家会对影响管道安全的 3 1个基本事件的失效可能性再次进行评判, 同样也 为了简化计算过程, 也假定其失效可能性为 “很小” 及基本事件发生的可能性很小。其计算步骤同维护 前基本相同,只是在第二步中所选取得模糊关系函 数为 4 , 其中维护后左右模糊可能性计算见图5。 最后可以得到腐蚀管道维护后的失效概率。 表2列出了外腐蚀管道维护前后失效概率值, 发现其失效概率大幅度的降低。管道的风险值是管 道失效概率和失效后果的乘积函数,因此可以预见 维护后管道的风险情况也会明显得到改善。 结论 1 采用了故障树分析法, 对影响管道外腐蚀的 因素进行分析,但是管道外腐蚀影响因素远不止这 些,需要在以后的研究中继续挖掘影响管道外腐蚀 的原因。 2 计算基本事件发生概率的算法在很多方面还 需进一步深入研究,如专家判断自然语言的分类和 其判断标准的建立、 隶属函数的选择 本文是采用改 进的半岭形隶属函数和不同隶属函数对最后计算 结果的影响分析、模糊数向模糊失效概率的转化方 法等, 在实际工程中需要根据具体情况进行比选。 3 对比发现管道维护维护后管道由于外腐蚀 失效的概率值明显得到降低,但是上述算例给出的 是最极端的情况,3 1个基本事件的失效可能性应该 是互不相同,即不可能同时同地均处于同一工作状 态, 并且各最小割集中基本事件间也绝非完全对立, 各最小割集间也存在相互关联。 4 针对的是管道风险评价中的外腐蚀影响因 数进行分析, 但是管道风险影响因素还有设计原因、 第三方破坏、 误操作、 自然灾害和管道的内腐蚀以及 应力腐蚀等,针对这些不同的影响因素采取相应维 护措施后风险的缓解情况也需进行分析。 5 管道的失效概率确定, 有些是可以通过试验 和历史数据等到的, 从而可以避免主观评判过程, 虽 然我们可以采用聘请更为专业的专家和采取更为科 学的方法消除概率计算过程的主观性,但是如此做 法相比于客观实际概率总会有误差。 [参考文献] [ 1 ]俞蓉蓉.地下金属管道的腐蚀与防护[ M ] .北京 石油工业出版社, 2 0 0 1 . [ 2 ]严大凡.油气长输管道风险评价与完整性管理[ M ] .北京 化学工业 出版社,2 0 0 5 . [ 3 ] M a h e r A . N e s s i ma n dM a r kJ . S t e p h e n s . R i s k - b a s e do p t i m i z a t i o no f P i p e l i n eI n t e g r i t yM a i n t e n a n c e . 1 9 9 5O M A E- V o l u m eⅡ , S a f e t y a n dR e l i a b i l i t y A S M E1 9 9 5 , 3 0 3 - 3 1 4 . [ 4 ]易云兵.埋地输气管道腐蚀故障树模糊分析[J].西南石油大学学 报,2 0 0 5,2 7 3 . [ 5 ]陈宝智.系统安全评价与预测[ M ] .北京 冶金工业出版社,2 0 0 5 . [ 6 ]贺仲雄.模糊数学及其运用[ M ] .天津 天津科学技术出版社,1 9 8 2 . [ 7 ] S h uJ e nC h e n , C h i n gL a i H w a n g . F u z z ym u l t i p l ea t t r i b u t ed e c i s i o n m a k i n gm e t h o d sa n da p p l i c a t i o n [ M ] .G e r m a n yS p r i n g e rV e r l a g B e r l i nH e r d e l b e r g , 1 9 9 0 , 2 2 0 - 2 5 2 . [ 8 ] T a k e h i s aO N I S AWA . A na p p r o a c ht oh u m a nr e l i a b i l i t yi nm a n - m a c h i n es y s t e m su s i n ge r r o r p o s s i b i l i t y [ J ] . F u z z ys e t sa n ds y s t e m , 1 9 8 8 2 7 8 3 - 1 0 3. [ 9 ] Z h a n gP e n g , C h e nL i q i o n g , H o uX i a n g q i n . U t i l i t yf u n c t i o nm e t h o d o fo p t i m a ld e c i s i o n r i s k- b a s e d f o ro i l / g a sp i p e l i n e I n t e g r i t y m a i n t e n a n c e ,P a p e r so f2 0 0 5 C h i n a I n t e r n a t i o n a lO i l G a s P i p e l i n e T e c h n o l o g y I n t e g r i t y C o n f e r e n c e , S e p t . 1 5 - 1 7 , S h a n g h a i , P R C . C h i n a , 2 0 0 5 , 1 6 3 - 1 7 4 . 隶属度函数f x C D