油气长输管道定量风险评价.pdf

第18 卷第3 期 2 008 年3 月 中国安全科学学报 C h i n a S a f e t y S c i e n c e J o u r n a l V 0 1 ．18 N o ．3 M a r ．2008 油气长输管道定量风险评价‘ 张华兵工程师冯庆善郑洪龙税碧垣 中石油管道研究中心完整性研究所，廊坊0 6 5 0 0 0 学科分类与代码6 2 0 ．5 0 加中图分类号X 9 3 7 文献标识码A 【摘要】管道风险评价普遍采用以K e n t 打分法为代表的定性方法，笔者提出了一种新方法，即定 量风险评价 Q R A ，采用基于管道失效历史数据库和已有成熟的数值模型，进行管道失效概率分析 和失效后果分析，并以此方法在某输气管道上进行了验证，最后得到管段的绝对风险和人口密集段 的个人风险，并进行了风险预测。研究表明，Q R A 受人员主观判断影响较小，计算方法科学合理，结 果量化，对进行检测与维护维修资源的分配具有很好的指导意义。 【关键词】管道； 定量风险评价法 Q R A ； 个人风险；失效历史数据库；完整性管理 Q u a n t i t a t i v eR i s kA n a l y s i so fO i la n dG a sL o n g d i s t a n c eP i p e l i n e Z t t A N GH u a - b i n g ，E n g i n e e rF E N GQ i n g - s h a nZ H E N G H o n g - l o n g S H U IB i - y u a n I n t e g r i 哆I n s t i t u t e ，P e t r o C h i n aP i p e l i n eR e s e a r c hC e n t e r ，L a n 出．S0 6 5 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t P i p e l i n er i s ka s s e s s m e n tg e n e r a l l ya d o p t st h eq u a l i t a t i v em e t h o do fK e n tG r a d i n g ．T om a k e t h ea s s e s s m e n tm o r es c i e n t i f i c ，an e wm e t h o d ，Q R A q u a n t i t a t i v er i s ka n a l y s i s ，i sf i r s t l yp r e s e n t e d ， w h i c hc o n d u c t sp i p e l i n ef a i l u r ep r o b a b i l i t ya n a l y s i 8a n df a i l u r ec o n s e q u e n c ea n a l y s i sb a s e dO i lh i s t o r yd a t a - b a s eo fp i p e l i n ef a i l u r ea n dm a t u r e dm a t h e m a t i c a lm o d e l s ．T h e n ，t h i sm e t h o di sa p p l i e dt o8 9 s e S Sc e r t a i n g a s - t r a n s p o r t a t i o np i p e l i n es y s t e m ；t h ea b s o l u t er i s ka n di n d i v i d u a lr i s ki nt h ep i p e l i n es e c t i o nw i t hd e n s e p o p u l a t i o na r eo b t a i n e d ，a n dr i s ki sp r e d i c t e d ．n er e s u l t ss h o wt h a tQ R A i sm o r eo b j e c t i v ea n ds c i e n t i f i c ， a n dc a np r o v i d eq u a n t i t a t i v er e s u l t s 鹪w e l l ．w h i c hi sv e r yu s e f u lt ot h ea l l o c a t i o no fi n s p e c t i o na n dm a i n t e - n a n c er e s o u r c e ． K e yw o r d s p i p e l i n e ； q u a n t i t a t i v er i s ka n a l y s i s Q R A i n d i v i d u a lr i s k ；f a i l u r eh i s t o r yd a t a b a s e ； i n t e g r i t ym a n a g e m e n t 0 引言 油气长输管道是国家经济的大动脉，直接服务 沿线工业的生产和城市居民的普通生活。但管道又 属于危险源，一旦发生泄漏事故，易燃易爆的高压介 质迅速扩散，对沿线造成较大危害。如1 9 9 9 年美国 华盛顿B e i r u t 市一条成品油管道发生泄漏起火事 故，造成2 人死亡，大量油品泄漏，环境严重污染； 2 0 0 0 年美国加州的C a r l s b a d 市一条天然气管道泄 漏并爆炸，造成1 2 人死亡；2 0 0 4 年，陕西榆林境内 某输气管道发生泄漏，紧急疏散方圆1 0k m 内人员， 造成恶劣影响⋯。 管道完整性管理是一种主动预防的管道管理 方法，是先进管道公司管理经验的总结提炼，以被 国际上众多管道公司所采用，如著名的E n b r i d g e 管道公司、加拿大彩虹管道公司等旧J 。目前，美国 法规已经强制要求各管道公司必须对管道实行完 文章编号1 0 0 3 3 0 3 3 2 0 0 8 0 3 0 1 6 1 0 5 ；收稿日期2 0 0 7 1 1 2 0 ；修稿日期2 0 0 8 一O l 一3 0 万方数据 1 6 2 中国安全科学学报C h i n aS a f e t yS c i e n c eJ o u m a l第1 8 卷2 0 0 8 芷整性管理，而完整性管理的基础是管道的风险评价，其主要目的是识别危害和管段风险排序，以完成对管道检测、维护维修资源的科学决策旧J 。所以进行风险评价的研究，开发有效的风险评价实施方法，对保证管道完整性管理的实施，保障油气管道的安全运行，具有重大的意义。1管道风险评价现状及定量风险评价 Q R A 简介管道风险评价按照最后结果的量化程度，可以分为定性方法、定量方法两种。定性方法以W ．K e n tM u h l b a u e r 于1 9 9 5 年著的“管道风险管理手册”为代表【4 】，简称K e n t 打分法，至今已是第二版，仍在世界上各管道公司广泛使用，定量方法近几年才出现，以Q R A Q u a n t i t a t i v eR i s kA n a l y s i s 为典型代表，国外管道公司一般也以定性方法为主，对复杂项目和重点管段才采用Q R A p l 。国内管道风险评价基本上还处于起步阶段，理论研究较多，油气场站评价较多，简单方法采用较多，如故障树 F A T 的定性分析、作业条件危险性评价 L E C 等‘J 。为突破传统的定性评价方法，也有一些研究结合了数学方法，如模糊数学0 | ，以实现定量的评价，但基本还处于理论研究阶段，无工业应用。Q R A 是一种纯定量的方法，是目前管道风险评价的最新成果，其结果一般是具体的数值，且有量纲。Q R A 主要基于管道历史失效数据库进行，通过将实际管道与失效数据库中的抽象管道对比，并通过一些经验模型进行公式推导，从而得到相应结果，如绝对失效概率，管段年千米经济损失等。Q R A 主要流程如图1 所示。管道数据收集’危害识别Il 失效概率分析卜叫失效数据库卜- l失效后粜分析I管段风险计算单点绝对风险计算’风险评价结论 风险可接受性、风险减缓描旌建议图1Q R A 流程图2Q R A 的主要技术Q R A 的主要技术有管道失效概率分析，失效后果分析，以及最后风险值的计算，这几个过程与传统的K e n t 打分法不同的是，不需要管道专家进行主观的定级判断，基本是基于历史数据库和数值模型推导。下面将一一介绍。2 ．1 管道失效概率分析影响管道安全的因素大抵可分为以下几类1 腐蚀，包括内腐蚀、外腐蚀和应力腐蚀开裂 S C C 。2 管体缺陷，包括制管缺陷和施工期间造成的缺陷。3 第三方破坏。4 误操作。5 设备缺陷。6 自然与地质灾害，包括滑坡、泥石流、崩塌、地表沉陷等。7 疲劳。有些管道应力腐蚀开裂和疲劳等问题并不存在或不严重，可不考虑。Q R A 中在计算管道失效概率时，将各类因素分别考虑，以下式来计算‘ ‘只凡 1 式中，F 。各原因引起管道失效的概率；t 通用失效概率，统计大量事故案例得到的管道平均失效概率；E 每种失效模式所占的比例，各失效模式有管道小泄漏、大泄漏和破裂；瓦修正系数。其中，以和F 。是根据历史失效数据库得到的，F 。是将管道的实际情况与历史库中管道实际情况对比得到的修正系数。欧洲和北美很多国家的一些组织和协会早在3 0 年前，就开始收集和统计工业事故失效案例，并建立大型的历史失效数据库，其中有名的管道失效数据库有A G A ，E G I G 等，一些公司也建有自己的历史失效数据库。欧洲石油公司公布了1 9 7 l 一1 9 9 3 年该公司输油管道失效概率，具体数据如下表所示。 万方数据 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 第3 期 张华兵等油气长输管道定量风险评价1 6 3 通用失效概率表 管道失效原因所占百分比失效概率t ／k i n 。a 管体缺陷 制管和施工 2 6 1 ．2 7 1 0 一‘ 误操作 7 3 ．4 3 1 0 5 腐蚀 内外腐蚀 3 01 ．4 7 1 0 。4 地质灾害 4 1 ．9 6 1 0 5 第三方破坏 3 31 ．6 2 1 0 4 总计 1 0 04 ．9 0 1 0 4 由于积累了大量的管道失效案例，各个历史失 效数据库的统计值相差不大，一般不会超过一个数 量级。 各失效原因引起的管道失效模式所占比例E 是不一样的，例如腐蚀引起的绝大部分失效为小泄 漏；而地质灾害则有一半为管道破裂。美国联邦应 急管理中心 F E M A 1 9 9 9 年公布的统计数据表明， 地震引起的管道失效模式为8 0 ％的管道破裂，2 0 ％ 的管道泄漏。 历史失效数据库中统计得到的各失效概率是针 对代表性的管道的，如统计标明，应力腐蚀开裂引起 的管道失效概率为3 1 0 一，其针对的代表性管道 的属性如下①管道年龄2 0 年；②管径9 1 4r a m ； ③压力6 ．8 9 5M P a ；④是否易于形成局部腐蚀环境 一般；⑤管体对应力腐蚀开裂的敏感性一般；⑥壁 厚9 ．1 4m m ； ⑦S M Y S 4 4 8M P a 。 如果被评价管道与上述属性有较大差异，则通 过凡来修正。 2 ．2 管道失效后果的计算 管道泄漏后果大小影响因素众多，有泄漏介质 属性、泄漏量大小及泄漏点环境等，泄漏之后的事态 发展可用事件树来进行分析，图2 所示的事件树以 天然气管道为例。 立即着火 喷射火 J F 蒸气云中毒或 窒息ⅣC 蒸气云中毒或 窒息蒸气云火 灾 V C F V C 蒸气云中毒或 窒息蒸气云爆 炸 V C E V C l 图2 天然气管道泄漏事件树 如图2 所示，天然气管道泄漏后，有4 种后果模 式。各种后果模式所导致的后果大小是不一样的， 以V C E V C 模式为最。各后果模式所占比例也是 变化的，主要与管道失效模式及管道周围的土地用 途有关，风向及风速也有一定影响。最后的比例也 是可以根据历史数据统计得到的。 各后果模式最后的影响可以分为人员伤亡和经 济损失，危险液体管道还需要考虑环境破坏影响，每 种后果模式造成的各类影响需要分别估算，并在最 后都可以折算为经济损失大小 单位为元或美元 。 例如计算人员伤亡影响，首先要考虑泄漏量。 天然气的泄漏量与泄漏速率、流速、截断阀位置和紧 急响应时间有关。已有一些经验公式可以采用1 J 。 然后根据图2 中事件相对的4 种后果模式分别作用 于人体产生的影响，主要是火灾、爆炸、热辐射、中毒 和窒息等对人体的影响，结合各影响因素作用于人体 导致死亡的下限值，计算得到最后的人员伤亡情况。 2 ．3 风险的计算 由于管道各属性沿管道一直是变化的，如壁厚、 压力、高程、土地用途等，所以需要将管道分为多个 管段，各相邻的两个管段必有一个属性不同。根据 上面的计算，可以得到每个管段的失效概率和失效 后果，最后用下式进行综合，可以得到管段的风 险值。 3￡ ％2 舌【，善‰】％ 2 式中，尺风险； 卜失效概率； C 失效后果； 卜各管段； 卜失效模式 k 1 为小泄漏，k 2 为大泄 漏，k 3 为破裂 ； L 失效原因 内腐蚀、外腐蚀、第三方破坏 等，￡为总数 ； 胁一后果类别 人员伤亡、经济损失、环境影 响等 。 风险值的单位为形k m a 元每千米每年 ，表 示管道每年每千米可能的经济损失大小。由于管道 泄漏造成的人员伤亡所产生的影响最为恶劣。对于 单点的风险绝对风险计算，Q R A 还专门提供表征人 员伤亡影响大小的指标个人风险值 I n d i v i d u a l R i s k ，表示人员在管道周围某一点死亡的概率。在 英国、荷兰等国家还制定了个人风险值的可接受标 准，这样就可以很方便地衡量管道的安全性，管道管 理者也可以确定是否需要采取措施来降低风险。 万方数据 w w w . b z f x w . c o m 1 6 4 中国安全科学学报C h i n aS a f e t yS c i e n c eJ o u r n a l第1 8 卷2 0 0 8 正3Q R A 实例对某天然气长输管道中一段进行Q R A 分析，此段管道长2 1 0k m ，运行压力6 ．4M P a ，管径7 1 1m m ，前期收集管道属性7 7 个，涉及管道本体、运行、环境和维护措施等多个方面。每个属性整理为随着管道里程而变化的格式，根据管道各个属性将此段管道最后分成2 4 1 个管段。计算得到各管段的风险值后，以管道中间的两个站场处为分隔点，将2 4 1 个管段算术平均，合并为3 个管段。以站场所在点为分隔是因为站场处有收发球筒，方便下一步完整性评价工作 内检测、压力试验等 的进行。合并后，对管段排序。如图3 所示。亨星1 R巡j 四翅区图3 管段风险排序图b望1 ．0 0 e - 0 0 9七各管段风险值的意义为每年每公里可能的经济损失大小，可与历史状况对比，也可与其他管道对比。管道检测与评价工作应先在高风险段实施，所以建议将来安排检测与完整性评价工作时，优先顺序应分别是管段l 、管段2 ，然后才是管段3 。个人风险值是指个人的年死亡概率，常被用来衡量风险的绝对大小。对管道人口最密集处计算个人风险值，以衡量管道的安全性，如图4 所示。从图4 可以看到，在管道正上方，风险最大，具体值为9 ．8 1 0 一／a ，参照国外风险可接受标准，最严格的为英国安全卫生部规定的lX1 0 ～／a ，所以此天然气管道的风险应是可以接受的。此外，Q R A提供的社会风险值 F NC u r v e 也可作为衡量风险是否可以接受的第二指标。定量风险的最大好处之一是可以进行风险预测，结合情景分析 W h a t - I f 分析 ，实现合理的制定风险控制计划。对此天然气管道风险预测如图5 所示，从图中可明显看出风险随着时间变化的增长过程。，、／、L，＼Jf、L一、●‘t＼-Il-』Ll|ifii，、lll●- 1 6 0 - 1 4 0 ．1 2 0 ．1 0 0 8 06 0- 4 0．2 002 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0距管道中心线距离 m 图4 个人风险图 万方数据 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 第3 期张华兵等油气长输管道定量风险评价 1 6 5 1 ．O o e 十0 0 0 1 ．O O o - 0 0 I 1 ．O O e 一0 0 2 ．， 一 ，一， ／， P ●一 ／．／／ “一，4 一- _ - ●一’ ／‘‘／ ／＼／ ● ／ ，， ／／ 形一 _ _ ．_ ‘一 缁拳外窿自自嬲内雇0自 l 蠢※, 内检测后内腐蚀外腐蚀霾| 簧毳蓊蘑芋察堕劈破坏l 糍内检测后外腐蚀馘内椅测后第二方破坏 0l234567891 0 时间 年 图5 多情景风险预测 从图5 可以看出，此管道在6 年内风险增长迅 1 Q a A 计算推导过程充分借鉴了之前的管道 速，此后较为平稳。通过仔细分析，发现这是因为这失效历史数据，和已有成熟的经验模型，相比一些定 6 年是管道上次检测的受益期，所以建议此管道在性打分法，更显科学合理。 6 年后开始实施下一次检测。2 分析过程主要是定量的数值计算，受评价人 另外，情景分析考虑量化后的经济投入，可以为员的主观判断影响较小，结果统一性好。 多方案进行经济性比较，在保障管道安全的前提下，3 Q R A 最后的结果以定量的形式给出，结果 做到最大的投入产出。有明确的实际意义，便于制定风险可接受标准，判定 4 结论 Q R A 是一种管道风险评价的最新方法，通过笔 者的分析和应用，有以下几点主要结论 风险的可接受性。 4 Q r t A 便于进行情景分析和风险预测，实现 真正的风险管理，推进管道完整性管理的实施，保障 管道的安全运行。 参考文献 李国兴，柳岩．长输天然气管道的安全问题及其对策[ J ] ．油气储运，2 0 0 6 ，2 5 7 5 2 5 6 S t e v e l z v i n [ - ] j O ] ．管道整体系统完整性管理综述E J ] ．油气储运，2 0 0 5 ，2 4 增 1 4 4 1 4 7 M a n a g i n gS y s t e mi n t e g r i t yo fG a sP i p e l i n e s [ S ] ．A S M EB 3 1 ．8 S ，2 0 0 1 W ．K e n tM u h l b a u e r [ 英] ．管道风险管理手册 第二版 E M 3 ．杨嘉瑜译．北京中国石化出版社，2 0 0 5 P a t r i c kLW i c k e n h a u s e r ，D a v i dKP 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