绪论和基本理论

第一章绪论
1.1研究背景和研究现状
1.1.1含硫油气处理的安全现状
石油工业是国家综合国力的重要组成部分，石油对于任何一个国家都是一种生命线，它对于经济、政治、军事和人民生活的影响极大。

石油系统工程分布在相当大的范围内，线面结构，相连成网，“采集输储炼”连续运行，由此发生的灾害和次灾害，有突发性、广泛性、联锁性及严重性的特点，灾情一旦发生，不仅使石油系统本身受到损失，还容易牵连到整个城市甚至导致城市的瘫痪。

采油生产，从采油(采气)井口到计量站(集气站)、联合站，各个环节都有机地联合在一起整个生产过程具有机械化、密闭化和连续化的特点，生产介质为易燃、易爆的石油和天然气，对人和环境都有较高的要求。

油气集输系统将开采出来的原油和天然气进行收集、储存、输送和初步加工及处理，既具有油田生产点多、线长、面广的生产特点，又具有化工炼制企业高温高压、易燃易爆、工艺复杂、压力容器集中、生产连续性强、火灾危险性大的生产特点。

随着我国国民经济的迅速发展,国内对能源的需求量急剧上升,显然,加快开发高含硫油气田的全套技术,是中国石油天然气集团公司一项有远见的战略措施,不但十分必要,而且是当务之急。

高含硫气田的勘探开发一直是天然气工业面临的重大难题之一，在我国广泛分布的天然气资源中含硫气田占相当大的比例，如河北省赵兰庄气田油层伴生气中
H 2S含量63%，四川相继发现的卧龙河气田（H
2
S含量5%~7.28%）、中坝气田（H
2
S
含量6.75%~13.3%）、威远气田（H
2S含量1.22%）、四川磨溪气田（H
2
S含量1.8%）、
长庆下古气田（低含量），尤其是大气田四川东北罗家寨高含硫气藏（H
2
S含量
6.7%~16.6%）的发现，使中国高含硫气田储量大大上升，已达到上千亿立方米的储量[1-2]。

然而，在引起酸性油气田设施腐蚀的众多因素中，硫化氢是最危险的，特别是
对油套管以及其它井下设备造成严重腐蚀，同时H
2
S的剧毒性也直接威胁着人
身安全[3-5]。

研究抗H
2
S腐蚀管材就显得非常有必要了，因为其对于延长管道使用寿命、防止事故的发生以及提高经济效益都有着十分重要的意义[6]。

硫化氢对钢材的腐蚀分为“氢脆”和“化学腐蚀”两类,而“氢脆”是开发高硫气田过程中更为突出的问题。

在石油工业中“氢脆”的表现形式是硫化物应力断裂,影响因素有：
（1）金属的化学成分强度热处理条件和金相结构；
（2）液相的值；
（3）总的拉应力；
（4）温度；
（5）H
2
S浓度和总压力；
（6）时间。

化学腐蚀是潮湿的H
2S、CO
2
、等气体与金属发生化学反应或电化学反应,
使金属表面产生蚀坑、变薄或发生晶间腐蚀。

通常的解决办法是向井内注入缓蚀剂,常用的缓蚀剂为胺类或吡啶类有机物。

国内缓蚀剂研究已有一定基础。

如我国所开发的CT
2-1气井缓蚀剂,曾用到H
2
S
含量高达7%的气井。

在卧龙河地区投井试验,油管腐蚀由0.1624一0.6173mm/a 降至0.0010mm/a,套管环形空间腐蚀由0.1302一0.3080mm/a降至0.0430一0.0123mm/a,具有良好的缓蚀性能。

可根据各油气田的具体情况开展研究工作,开发新的缓蚀剂用以解决该油田开采中的腐蚀问题[7]。

1.1.2 国内外研究现状
在国际石油勘探开发建设项目规划、可行性研究中，风险分析内容占有相当地位，多数发达国家石油勘探开发项目采用美国评估行业的一些标准和风险分类方法。

美国特里顿能源公司将石油勘探风险因素划分为“地质技术条件、项目经济性、国家和工业环境”三大类、三个层次共62个参数。

美国APEX技术公司把石油项目风险划分为四大类：地质、技术、经济和财务。

当前的中美合作区块EDC 项目就是采用的此方法。

目前国内油气田开发项目的评价系统多数是以对项目财务指标进行不确定性分析为主的预测系统，在项目经济评价中采用的基础数据(如投资、成本费用、产品销售价格、建设工期等)大部分来自对未来情况的预测与估算，评价体系和系统只能按照固定的未来预测基础数据单纯的完成预测期内的主要经济指标的
推算，对项目的技术风险和经济风险缺乏评价，由此得出的评价指标及做出的决策具有很大程度的风险，容易导致对经济效益结果相近的项目产生错误决策，也使项目操作过程中没有较为明确和准确的风险控制方向。

1.1.3 存在的主要问题
主要存在对待安全的社会问题：生产和安全的优先地位顺序。

通过统计资料显示，许多企业往往过高强调或重视生产性和经济性，忽略安全性。

安全设备与生产设备投资分离，安全设备和生产设备都是重要的，然而，必须把安全关联设备及其相关的软硬投资放在优先地位。

安全法规出台缓慢，与经济发展、技术进步不适应。

因此，总结国外的先进经验，探讨国外依然存在的问题，健全我国石油天然气行业的安全管理，提升我国石油天然气行业的安全管理和技术水平，发展我国的工业安全管理的软硬件产业，将是一件有意义的管理和技术问题。

第二章安全风险评价与控制基本理论
2.1 安全风险评价概述
2.1.1 基本概念
风险的定义：风险是指特定事件发生的概率与可能危害后果的函数_It一，即：R=P×D。

式中，R为风险水平(值)；P为事件发生概率(或机率)；D为事件发生后可能危害后果。

风险评价是指确定危害事件发生概率(机率)和模拟事件的危害程度，计算其风险值的大小，对其可接受性作出评价，提出风险预防和减控措施及应急预案等，为风险管理提供依据和保障。

安全风险评价是利用系统工程方法对拟建或已有工程、系统可能存在的危险性机器可能产生的后果进行综合评价和预测，并根据可能导致的事故的风险的大小，提出相应的安全对策措施，以达到工程、系统安全的过程。

2.1.2 风险评价的原理和原则
a.危险源理论
危险源是指可能引发或导致事故发生因素的存在点、位置或设备设施。

按照在事故发生、发展过程中的作用提出了两类危险源理论。

危险源的特性决定其危险性。

第一类危险源是指作用于人体的过量能量或干扰人体与外界能量交换的危险物质。

它是固有的，也是事故发生的前提，并决定事故的后果。

第二类危险源是指导致能量或危险物质的约束或限制措施破坏或失效的各种不安全因素。

它是事故发生的必要条件，决定事故发生的几率，且其危险性随技术、管理水平及人员素质的不同而不同，是可变的。

通过提高第二类危险源的控制技术水平，实现对第一类危险源的控制，能够大幅降低系统风险事故的发生概率，降低风险值水平。

b.系统相关性原理
风险评价是建立在系统工程基础上的，系统结构的特征和事故的因果关系是相关性原理的基本体现。

系统的基本特征是系统结构具有普遍性、整体性、相关性
和阶层性。

相关性分析能透过错综复杂的现象，依据其相关程度，揭示其内在联系。

由于安全风险评价和环境风险评价不能通过实验方法进行分析，所以相关性分析就显得特别重要。

c.类推(概率推断)原理
类推评价是利用两个不同事物之间己知的相互联系规律，利用先导事件的发生概率来评价迟发事件的发展趋势]。

系统的不确定性分析和概率判断在推断评价中起着非常重要的作用。

风险因素和变量的随机变化的不确定性给风险预测和风险评价工作带来很大的困难。

因素越多，关系越复杂，评价对象的未来状态就越难确定。

在风险评价中，采用概率论和数理统计方法求出随机事件概率，然后根据概率判断准则去推测评价对象的未来状态。

类推法的种类及其应用领域取决于评价事件与先导模型间的联系度。

类推(概率推断)评价的前提条件就是寻找类似事件。

d.惯性原理
任何事物的发展与其过去的行为有联系，事物的发展都带有一定的延续性，这称为惯性。

惯性表现为趋势外推、惯性大小和延续性。

利用事物惯性原理进行风险评价的前提是系统的稳定性。

但由于环境复杂多变，系统的稳定性又易受各种偶然因素的影响，故绝对稳定的系统是不存在的。

在惯性原理中，不仅要抓住惯性发展的主要环节，还要研究可能出现的偏离现象和偏离程度。

e.价值理论
价值在哲学意义上被概括为反映主体需要与客体满足主体需要之间的一种特定关系。

不仅客观存在的人和设施有价值，环境同样也有价值。

环境的价值源于环境的资源性、人类繁衍、社会发展，它建立在环境基础上。

各种自然资源是构成环境的要素，是环境价值的表现因素。

A．Myriek FreemanIII提出环境资源本身就是一种资产。

环境价值理论说明环境价值是可以计量的，是有效用的。

2.1.3 风险评价方法
a.定量风险评价
概率风险评价PRA是最典型、应用最广的定量风险评价方法。

PRA主要针对复杂系统进行风险评价，在核工业、化工、航天领域的安全性工作中有着重要的地位。

其中NASA(美国航空航天局)和ESA(欧洲航天局)的PRA技术发展早，技术也比较成熟。

PRA通过系统分析，以科学的方法考查系统风险后果的严重度并对其不确定性进行量化，支持安全风险的管理决策。

PRA是一个综合的过程，是各种安全性分析方法的集成运用，它的主要工作包括风险模型建立和风险模型的定量化。

风险模型包括描述危险事件发生可能性的模型和描述危险事件造成损失的模型，通常采用事件树与故障树相结合的方法建模。

风险模型定量化主要是计算基本事件、危险事件发生概率的点估计和区间估计以及不确定性，在概率的意义上区分各种不同因素对风险影响的重要程度。

PRA的基本特点是基于事故场景进行风险研究。

所谓的基于事故场景是指，在用PRA法进行风险评价时，首先要鉴别出系统所有可能的事故场景及其发生的后果和可能性。

事故场景也就是发生事故的事件链，包括初始事件、一系列的中间事件(环节事件)和后果事件。

比如地质风险因素中储量评价准确率一旦降低，将引发油藏工程生产能力的评定，继而引发项目产量降低，造成项目收益降低甚至出现亏损。

事故场景开发的不完整或不准确，就无法准确地进行风险评价，从而不能有效地辅助管理决策。

事故场景的识别在很大程度上依赖于分析人员的经验和知识水平、使用方法的熟练程度及对系统的熟悉程度，同时又要综合运用多种分析方法，如FTA，ETA，FMECA，PHA等来进行事故场景的开发。

ETA与FTA综合分析ETF是PRA的基本方法，故障树可以识别导致系统故障的部件失效(或人的错误)的组合，事件树用来确定导致不期望后果的系统故障次序。

PRA风险模型的建立主要采用事件树和故障树模式的方法进行描述。

定量风险评价虽然理论上比定性方法精细，也更科学，但也有自身的局限性，如果没有足够多可用的安全性数据作为支持，误差逐级积累放大，PRA的数值结果就会由于误差太大而失去了实际价值，不仅显示不出其定量化的优越性，反而不如定性方法简洁有效。

而在实际中，一个新区块的石油项目中储层分析、油藏描述可借鉴的数据信息少而且不可靠，这就影响了PRA技术的推广使用。

因而
PRA仍是一项发展中的技术。

PRA的步骤对不同的系统进行PRA的时机、范围、程度等具体要求不尽相同。

但一般地，PRA由以下几个步骤构成：
1)研究熟悉系统
首先应全面熟悉所分析的系统，包括系统的设计、运行及其环境等各方面信息。

这是进行其他工作的基础。

2)分析初始事件
初始事件是事故场景的出发点。

如果初始事件分析不完全，则无法分析出所有可能的事故场景，造成遗漏，因而也就无法得出正确全面的结论。

初始事件的鉴别是一项复杂而重要的工作。

可以使用危险分析如初步危险分析PHA以及包括危险与可运行性研究HAZOP、故障模式、影响及危害性分析FMECA、检查表、主逻辑框图等相关技术来分析初始事件。

3)事件序列分析
系统对不同的初始事件存在不同的响应，因此事件的发展过程及结果也不一样。

必须就系统或人对事件的不同的响应而导致事件链的不同发展过程进行分析鉴别。

通常先生成系统的功能事件序列图，然后利用计算机辅助工具建立事件树进行分析。

4)初始事件和中间事件概率的评估
识别出来的一个事故场景对应一个事件链。

在一个事件链中，初始事件和中间事件都可能由部件或设备的失效而导致。

若把这些事件作为顶事件，展开故障树分析，则可求出顶事件即事件链的初始事件或中间事件的发生概率。

当某些事件不能展开故障树分析或展开分析也难以得到其发生概率时，则要采取其它的办法获得，其来源包括相似系统的经验数据、测试数据、分析结果，可用的通用数据或专家的判断。

5)量化和不确定性分析
为了得到事件序列终态的概率以及将不同的初始事件和系统响应对风险的贡献大小排序，风险模型要进行定量化的评估。

在建模的假设和输入数据中，存在着技术和统计上的不确定性，这种不确定性最终会传播到事件序列的终态事件。

因此需要对最后的结果进行不确定性分析。

6)后果分析
后果是风险的一个组成要素，不同的事件链将导致不同的后果。

后果不仅包括当时影响，而且还包括事故对人员、环境和设备的长期影响。

同一事故的后果也可因当时的环境条件的不同而不同，所以要对不同环境条件下的后果进行分析。

7)风险排序和管理
基于事件树技术可计算出事故的发生概率。

对于同一后果，可以对不同危险因素的风险予以排序。

PRA不仅是一种风险评价方法，而且可以作为一种风险管理技术。

风险评价结果与系统安全目标的比较，可作为决策者选择或修改设计方案，或针对潜在的事故采取预防措施的重要依据。

当损失可以货币表示时，PRA能支持对设计纠正的费效评估。

b.蒙特卡洛法
蒙特卡洛模拟法是以摩纳哥首都、欧洲著名的赌城Monte Carlo命名的，又称随机抽样技巧或统计试验方法，是一种通过随机模拟和统计试验求解问题近似解的数值方法。

其原理是利用随机数发生器来模拟实际可能发生的事件，因其产生随机数的原理类似于西方赌场中的轮盘赌，所以该方法就采用了著名赌城的名字命名。

求解随机问题是M—C法的主要应用领域。

石油工程项目建设具有规模大、投资多、技术难度高和工期长等特点，因而不确定因素多，风险很大。

在项目中，通货膨胀、利率、汇率、市场等因素都在发生变化。

因此，要进行风险评价，需要对这些随机因素对项目目标的实现的影响进行估计，蒙特卡洛法能有助于求解这种随机因素。

简单地说，蒙特卡洛模拟法是一种依据统计理论，利用计算机来研究风险发生概率或风险损失的数值计算方法。

在一般研究不确定因素问题的决策中，通常只考虑最好、最坏和最可能三种估计，如果不确定的因素很多，仍只考虑这三种情况的话就可能会使决策发生偏差或失误，而模特卡罗模拟可以在很复杂的情况下使决策更为合理和准确，在工程项目中常用其来对风险进行分析和评价。

蒙特卡洛的基本思路是：若已知描述工程项目风险状态的概率分布，根据工程项目目标或规定的状态函数g(x1、X2、…、Xn)，利用抽样技术，生成符合状态变量概率分布的一组随机量X1、X2、…、Xn，将其代入状态函数g(X1、X2、…、Xn)，得到状态函数的一个随机量。

用如此同样的方法，产生N个类似这样的状
态函数的随机量。

若在N个状态函数的随机量中有M个小于或等于(或大于等于)工程项目目标或规定的值X，当N值足够大时，由大数定律，此时的频率己接近概率因而可得工程项目的风险率P。

蒙特卡洛法的基本步骤为：
1)编制风险清单
通过结构化方式，把己经辨识出来的影响工程项目目标的重要风险因素构造成一份标准化的风险清单。

在这份清单中能充分的反映出风险分类的结构和层次性。

2)制定风险评价表
采用专家调查法确定风险因素的影响程度和发生概率。

这一步可以制定出风险评价表。

3)采用模拟技术，确定风险组合
这一步就是要对上一步专家的评价结果加以定量化。

在对专家观点的统计评价中，关联量相对地增加很快，这样完整、准确的计算就不太可能。

因此，可以采用模拟技术评价专家调查中获得的主观数据。

最后在风险组合中表现出来叫。

4)分析与总结
通过模拟技术可以得到项目总风险的概率分布曲线，从曲线中可以看出项目总风险的变化规律，据此确定应急费的大小。

应用蒙特卡洛技术可以直接处理每一个风险因素的不确定性，并把这种不确定性对项目目标的影响以概率分布的形式表示出来。

在计算机上多次抽样试验后，所有的风险因素都在其概率分布范围内随机的发生变化，非常接近工程实际。

通过编制计算机软件程序来对模拟过程进行处理，大大节约了时间，只要模拟的次数足够多，就能达到满意的精度。

c.层次分析法
在工程项目风险分析中，层次分析法(AHP)提供了一种灵活的、易于理解的工程风险评价方法。

一般是在工程项目投标阶段使用层次分析法来评价工程风险。

这使风险管理者能在投标前就对拟建项目的风险情况有一个全面认识，判断出工程项目的风险程度，以决定是否投标。

应用层次分析法(hHP)进行风险分析的过程，共有十个步骤：
1)对具体的工程项目进行描述。

2)首先，对具体的项日进行风险分类和辨识，常用方法是专家调查法如德尔菲法等。

3)构造出该工程项目风险评价指标体系。

4)通过建立工程项目风险评价指标体系，从整体上把握项目的各个风险，然后请专家对每一个风险指标进行风险分析。

5)构造风险因素和子因素的判断矩阵，请专家按照预定规则对风险因素层和风险子因素层间各元素的相对重要性给出评判，可求出各元素的权重值。

6)构造反映各个风险因素危害的严重程度的半4断矩阵。

严重程度通常用高、中、低风险三个概念来表示，求出各自风险因素相对危害程度值。

7)对层次分析法中专家评判的一致性加以检验。

由于在第四步中，是采用专家凭经验、直觉的主观判断，那么就要对专家主观判断的一致性加以检验。

如检验不通过，就要让专家重新的评价，调整其评价值，然后再检验，直至通过为止。

一般，一致性检验率不超过0.1即可。

8)把所求出的各自因素相对危害程度值统一起来，就可求出该风险指标风险处于高、中、低各等级的概率值大小，由此可判断该风险指标的风险程度。

9)把工程项目风险评价指标体系中的所有指标都如此分析评价，并把各层次的风险程度统一起来，就可得出项目总的风险水平。

10)决策与管理：根据分析评估结果制定相应的决策并实行有效的管理。

层次分析法(AHP)的特点是注重于系统特征的权重细化分析。

它运用两两比较法，对各相关的特征进行两两比较评分，根掘中间层的若干指标层，可得到若干个两两比较判断矩阵。

最后，在进行各层次综合计算的基础上，对相对权重进行总排序，即获得每一指标对总目标的相对权重。

d.解析法
采用解析法对石油工程项目进行分析时，其特点是在利用德尔菲法进行风险识别与估计的基础上，将风险分析与反应项目特征的投入、产出流结合起来，在综合考虑主要风险因素影响的情况下，对随机投入、产出流的概率分布进行估计，并对各个投入、产出流之间的各种关系进行探讨，在风险评价阶段，吸收了动态经济评价方法的合理性，将风险分析与动态投入、产出相结合，用项目预期投入、
产出及净效益现值的平均离散程度来度量风险，进而得到表示风险程度的净效益的概率分布。

一个项目的净效益，就是在项目分析期内每年投入、产出流的折现值的总和。

而每个周期的投入、产出流只在概率意义上才是可知的。

在统计出经验分布的基础上，净效益流有一个主要的发展趋势，可以用它的分布均值表示，由于每一周期的投入、产出流为一随机变量，因而把每一周期的折现随机投入、产出流加起来得到的项目净效益流也是一个随机变量，可以描述出其概率分布。

2.2 安全事故致因理论
从事故的定义和特性可知，事故是违背人的意志而发生的意外事件，而且事故具有明显的因果性和规律性。

因而，想要找出事故的根本原因，进而预防和控制事故，就必须在千变万化、各种各样的事故中发现共性的东西，把其抽象出来，即把感性的认识与积累的经验升华到理论的水平，反过来指导实践，并在此基础上，制定出事故控制的最有效的方案；否则，只会是“头痛医头、脚痛医脚”，跟在各类层出不穷、形式各异的事故后面疲于奔命。

这类阐明事故为什么会发生，是怎样发生事故的，以及如何防止事故发生的理论，被称为事故致因理论，或事故发生及预防理论。

几种有代表性的事故致因理论：
a.海因里希因果连锁论
海因里希因果连锁论又称海因里希模型或多米诺骨牌理论。

在该理论中，海因里希借助于多米诺骨牌形象地描述了事故的因果连锁关系，即事故的发生是一连串事件按一定顺序互为因果依次发生的结果。

如一块骨牌倒下，则将发生连锁反应，使后面的骨牌依次倒下。

这五块骨牌依次是遗传及社会环境、人的缺点、人的不安全行为和物的不安全状态、事故、伤害。

该理论的积极意义在于，如果移去因果连锁中的任一块骨牌，则连锁被破坏，事故过程即被中止，达到控制事故的目的。

海因里希还强调指出，企业安全工作的中心就是要移去中间的骨牌，即防止人的不安全行为和物的不安全状态，从而中断事故的进程，避免伤害的发生。

当然，通过改善社会环境，使人具有更为良好的安全意识，加强培训，使人具有较好的安全技能，或者加强应急抢救措施，也都能在不同程度上移去事故连锁中的某一骨牌或增加该骨牌的稳定性，使事故。