油气管道风险评估与完整性评价技术研究及应用_罗金恒

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中国职业安全健康协会 2013 年学术年会论文集
Step 1: 风险因素识别
Step 2: 数据整合 Step 3: 风险评估
NO
水管(压力
YES
Step 4: 基于风险的检测 Step 5: 完整性评价
Step 6: 管道维护决策及应急响应措施制
图 1-1 油气管道完整性管理流程
从上世纪 90 年末开始，国际上在油气管道风险评估与完整性评价领域开展了大量研究工作， 但随着我国 X70/X80 高钢级管线钢的大量应用[6~10]以及在用老管道超期服役， 油气管道风险评估与 完整性评价技术中尚有诸多关键问题和挑战需要解决： ① 定性和半定量风险评估方法相对成熟，而定量方法国际上尚处于探索阶段，缺乏行业认可 的方法和标准。 ② 针对高强度管线钢，需要修改和完善现有评价模型和方法。 ③ 有些缺陷类型，尚未建立相应的评价模型和方法，如弥散损伤缺陷，复合型缺陷（裂纹 + 几何缺陷）等。 ④ 对部分评价模型的过分保守和欠可靠性需要改进。 ⑤ 尚未建立系统的油气管道风险评估和完整性评价技术体系。 笔者将针对上述问题，从风险评估和完整性评价两方面进行相关研究及应用的介绍。
R f ij R fb j M Fij AF j
（2-1）
R fb j 为风险因素 j 的基线失效率， M Fij 为风险因素 j 发生模式 i 失效的相对失效概率， AF j 为
失效原因 j 的失效率修正因子。 模型中将导致管道失效的风险因素分为 10 类，根据历史失效数据统计分析得到每种风险因素 的基线失效概率， 基线失效概率也可理解为风险因素的平均失效概率。 管道失效模式通常分为三类， 大泄漏、 小泄漏和断裂， 各种风险因素都会导致这三种失效模式的发生， 但是三种泄露的比例不同， 这个比例由 M Fij 来反应。失效率修正因子 AF j 是根据评估管道的实际属性计算，对不同的风险因素 需根据其失效原理建立相应的模型，是将历史统计分析数据转化为被评估管道实际情况的关键因 子。 基于可靠性的失效概率模型是以可靠性理论为基础，如图 2-1 所示，当载荷和管道抗力分布叠 加时，代表管道失效。在计算过程中，考虑内压、缺陷尺寸、材料强度等因素的不确定性，分别计 算载荷和管道抗力的概率分布，从而建立起基于可靠性理论的失效概率计算模型，如图 2-2 所示。 在计算过程中，还可以通过对管道损伤特征和管线抗力参数的修正，将管道性能退化和管道检测维 护等影响考虑进去。
1、管道完整性管理及其核心技术
进入 21 世纪后，美国石油学会率先提出了基于风险的管道完整性管理的概念，被认为是管道 安全管理的有效模式和发展方向。管道完整性是指管道始终处于完全可靠的服役状态。其内涵包括 3 个方面： ① 管道在物理上和功能上是完整的； ② 管道始终处于受控状态； ③ 管道运营商已经并仍将不断采取措施防止失效事故发生[4]。 管道的完整性管理是指管道运营商持续地对管道潜在的风险因素进行识别和评价， 并采取相应 的风险控制对策，将管道运行的风险水平始终控制在合理的和可接受的范围之内。换言之，管道完 整性管理是对影响管道完整性的各种潜在因素进行综合的、一体化的管理。油气管道完整性管理的 流程如图 1-1 所示[5]。 风险评估和完整性评价是管道完整性管理的两项核心技术。 风险评估是在风险因素识别的基础 上，通过计算管道失效概率和评估管道失效后果，对管道风险进行综合评估和风险排序，以识别出 高风险因素和高风险的部位，并提出风险降低措施的对策建议。完整性评价是在管道缺陷检测的基 础上，对含缺陷管道能否适合于继续使用的定量工程评价。
Research and Application on the Risk Evaluation and Integrity Assessment of Oil and Gas Pipeline
Luo Jinheng, Zhao Xinwei, Zhang Hua, Yang Fengping, Wang Ke, Ma Weifeng CNPC Tubular Goods Research Institute, Xi’an, Shaanxi, 710077
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先进研究成果及软件的基础上，研究建立了适合我国国情的油气管道定量风险管理体系，并开发出 了油气管道风险管理软件。 2.1 管道失效概率计算模型 本文分别采用基于管道历史失效数据统计分析和可靠性理论， 建立了两种不同的失效概率计算 方法。基于历史失效数据的管道失效概率计算方法基本模型如下式所示：
2、管道风险评估技术
油气管道风险评价技术是以诱发管道事故的各种风险因素为依据， 综合评价管道事故发生的可 能性和事故后果的严重程度两方面因素，以管道风险值作为评估指标的管道安全管理技术。根据评 价结果，管理者能够及时了解管道的运行状况，识别管道的高风险区段和高后果区域，以便合理地 分配维护资金，变管道的盲目性被动维修为预知性主动维护[11]。 按照风险评价结果的量化程度，管道风险评价技术可分为定性风险评价技术、半定量风险评价 技术和定量风险评价技术。随着风险评价技术的发展，管道风险评价技术已经由定性风险分析向半 定量和定量风险评价的转化。目前应用最广泛的、最具代表性的是 W.Kent Muhlbauer 在《管道风 险管理手册》中提出的风险指数法[12]。定量风险管理方法是管道风险管理的高级阶段，目前是管道 风险管理方法研究的热点领域，它需要大量管道信息和数据资料收集以及数学、力学、材料学、 热 力学、流体力学、计算机等多种学科的知识。其评价结果的精度取决于数据资料的完整性和精度、 数学模型和分析方法的合理性。本文通过分析我国油气输送管道的实际情况，在消化吸收国外已有
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油气管道风险评估与完整性评价技术研究及应用
罗金恒 赵新伟 张华 杨锋平 王珂 马卫峰
（中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安 710077）
【摘
要】阐明油气管道完整性管理的概念及技术流程；提出其核心技术是风险评估和完整性
评价； 围绕高钢级管线钢大量应用以及在用老管道超期服役给管道风险评估与完整性评价技术带来 的诸多问题和挑战，研究了管道风险评估、临界屈曲应变极限预测、高钢级管道失效评估图、弥散 损伤缺陷完整性评价、焊缝复合缺陷断裂力学模型、含缺陷管道修复补强等技术，并系统建立了管 道风险评价与完整性评价体系，进一步完善了管道完整性管理技术。 【关键词】风险评估；完整性评价；屈曲；失效评估图；弥散损伤；复合缺陷
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2.2 管道失效后果估算模型 管道失效后果模型中考虑了管道失效后对人员安全、环境和财产三个方面造成的后果。假设管 道发生失效事件， 建立各种可能的灾害模型， 分别计算四个方面的损失： 第一部分为管道自身损失， 包括维修、介质损失以及输送服务中断导致的赔偿费用；第二部分为财产损失，根据灾害模型和设 置的财产阀值，估算事故导致的财产损失，本部分财产损失是指管道事故导致的第三方损失；第三 部分为死亡人数，死亡人数可以根据赔偿金额进行换算，计入管道运营商的事故总费用；第四部分 主要针对液体管道，是管道运营商清理事故现场的费用，体现了管道事故对环境的影响。四个方面 的损失综合起来体现了管道事故对运营商的综合影响，用总费用来衡量整个失效后果。管道失效后 果分析原理如图 2-3 所示。
近 10 年，我国油气管道建设突飞猛进，截至 2012 年底，我国已建成的石油、天然气管道总长 度达到 8 万 km，油田集输管道和城市输气管网数十万公里。管道输送已成为油气资源的最主要输 送方式，已构成我国能源供应的大动脉[1]。
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然而，油气输送管道长时间服役后，会因外部干扰、腐蚀、管材和施工质量等原因发生失效事 故，导致火灾、爆炸、中毒，造成重大经济损失、人员伤亡和环境污染。20 世纪 50 年代以来，随 着油气管道的大量铺设，管道事故屡有发生，并造成灾难性后果。根据美国 OPS（Office of Pipeline Safety ）的统计结果 [2]，1985 年至 2003 年，美国共发生天然气管道失效事故 6300 起，其中 2300 起有人身伤害，400 起有人员伤亡；近 20 年来，加拿大每年发生油气管道失效事故 30～40 起， 欧 洲每年发生 13.8 起；1989 年前苏联乌拉尔山隧道附近的输气管道爆炸事故，烧毁两列列车，伤亡 1024 人。在我国，油气输送管线失效事故也屡有发生[3]。1971 年至 1976 年间，东北曾发生过 3 次 输油管道破裂事故。1992 年，轮库输油管道在试压时发生爆裂事故 14 次。1999 年，采石输油管道 在试压时发生爆裂事故 12 次。四川输气管网南干线 1971 年至 1990 年之间，发生失效事故 108 起， 每次事故停输处理时间超过 24h。 因此，油气管道安全运行直接关系到国民经济的发展和社会稳定。如何保证油气管道的安全运 行，已引起我国政府和管道运营企业的高度重视。
管线损伤特 管线抗力参
管线抗力
外加载荷
失效概率
图 2-1 失效概率计算理论模型
图 2-2 失效概率计算方法
上述两种失效概率计算模型中， 基于历史失效数据的失效概率模型方法简单， 需要的数据较少， 但属于经验公式，精度稍低，适用于新建管道或管道首次风险评估，以及数据较少的老管道；基于 可靠性的失效概率计算模型有明确的理论支持，但是需要更多的数据，并需要对管道实施检测， 适 合于具有充分数据并对结果精度有较高要求的在役管道。
Abstract:
Managerial concept of the integrity of oil and gas pipeline, its flow chart were interpreted.
Risk evaluation and integrity assessment of its core technology were proposed. Since the wide applications of high grade pipeline steel as well as the old pipe extended service, many problems and challenges were brought to risk assessment and integrity evaluation technology, So, Many techniques were researched or re-examined including pipeline risk evaluation, forecasting critical buckling strain
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limit, high-grade steel pipeline failure assessment figure, dispersion-type damage integrity assessment, fracture mechanics model of weld complex defect, reinforcement and repair technique of pipeline with defects, and systems of pipeline risk evaluation and integrity assessment were established, the pipeline integrity management techniques were further improved. Key words: risk evaluation; integrity assessment; buckling; failure assessment figure; dispersion-type damage; complex defect