油气输送管道的风险管理与基于风险的检测

油气输送管道的风险管理与

基于风险的检测

张平生

张平生：油气输送管道的风险管理与基于风险的检测，油气储运，1999，18(2) 13～18。

摘 要 风险管理是一门新学科，主要包括风险评价、风险控制和功能监测，基于风险的检测属于风险控制的重要内容。风险管理可以有效提高油气输送管道的安全性，获得较高的社会效益和经济效益。对油气输送管道的风险管理和基于风险的检测作了介绍。

主题词 油气管道 风险分析 评价

一、前言

当前全世界石油、天然气输送管道的总长度已超过200×104 km，其中大部分经过了数十年的运行而老化，潜在的危险是普遍存在的。虽然油气输送管道泄漏或爆裂的重大灾难性事故并不很多，却会对全社会产生强烈影响。例如1993年(华盛顿附近)和1994年(纽约附近)美国发生的两起油气输送管道爆裂事故，引起美国国会和公众的高度重视〔1〕。如何有效防止油气输送管道事故的发生，如何在增强其运行安全性的同时合理地利用资源获取最大经济效益，这是各国政府部门、石油天然气工业所面临的重大课题。虽然风险一词是人们所熟悉的，但“风险管理”是一门跨学科的新兴科学(transscience)，它所涉及的不仅有相关的广义物理学、生物学等自然科学、工程技术(所谓硬科学)，以及决策理论、心理学、社会学、政策科学、经济学等软科学，还有判决、立法、意识形态、公众舆论、通讯传媒等人文领域〔2〕。风险管理是在经济与社会效益、风险和费用的三度空间中寻求达到风险最小、效益最大的目标。风险管理学科起始于70年代核动力工业，90年代逐渐形成，并在航空、航天、石油化工、压力容器与管道、油气输送管道等工业得到广泛应用。风险管理主要由风险评价、风险控制和风险管理的功能监测三部分组成(见图1)，基于风险的检测属于风险控制的重要内容。一个优化设计、可以有效执行的风险管理程序应当是综合的、系统的和严格的。

图1 风险管理的主要环节

二、风险评价

风险管理中风险的定义是失效后果(用C表示)和失效可能性(用F表示)的乘积，对一种情况的风险是：

RiskS＝CS.FS

（1）

式(1)中下标S代表情况的编号。对油气输送管道系统的风险应是各种可能失效情况风险的求和：

RiskSYS＝∑RiskS＝∑CS.FS

（2）

作为风险管理的第一步是风险评价，也称为风险排序，主要包括识别风险(潜在危险)的来源，评价各种可能失效事故的可能性(频率或概率)和失效后果的严重度。风险评价的方法分为定性、定量两种，处于二者之间的称为半定量的方法〔3〕。

1、 识别风险来源

油气输送管道的风险来源，主要是长期运行中由于腐蚀和力学作用引起的管道损伤而导致的泄漏或爆裂。管道损伤的发生与管道的类型及内在质量、管道建设质量、运行状态(内压、输送介质、温度)、防腐覆盖层及阴极保护状态、维修规范、外来意外机械作用(包括地震)等因素有关。油气输送管道损伤的基本类型和特征如表1所示。管道损伤类型对失效可能性及失效后果的评级和对损伤检测的有效性有重大影响。

表1 油气输送管道损伤的类型和特征

损伤类型 特征说明

壁厚减薄 材料从内、外表面失去，一般与腐蚀有关

表面开裂 裂纹与表面相连接，如应力腐蚀(H2S、CO2等)裂纹、疲劳(腐蚀疲劳)裂纹、沿应力取向的氢致开裂(SOHIC)、焊接裂纹、表面折叠等

亚表面开裂、埋藏缺陷 裂纹接近表面或在内部，如分层缺陷、大型夹杂、焊接缺陷、氢鼓泡、氢致阶梯状裂纹等

尺寸变化 包括表面凹坑、压溃和扭曲

管材冶金和力学性能的变化 一般很少发生

2、 定性风险评价

定性风险评价可以对油气输送管道系统的各部分快速地进行风险排序，虽然是比较粗略的，但可以为进一步的风险控制提供基础。定性评价的结果放入5×5的矩阵中(见图2)，是按高、较高、中等及低风险来分级的，垂直轴代表可能性的大小，水平轴代表失效后果的严重程度。可能性等级确定的因素有：

(1)所评价管道的长度；

(2)管道可能的损伤类型或机制；

(3)所采用损伤检测方法的适合程度；

(4)评价管道运行历史(包括失效事故历史)和现状；

(5)输送介质的品质；

(6)管道的设计及建设质量。

油气输送管道主要的潜在危险是火灾或爆炸的风险，毒害空气危害健康的风险，生态环境遭破坏的风险以及油气输送中断的风险。失效后果的分类以火灾／爆炸的风险为例，需要综合考虑的因素有：

(1)火灾或爆炸触发的固有倾向；

(2)可燃或可爆物质释放出的能量；

(3)蒸气点燃的能力；

(4)从轻微到严重升级的可能性；

(5)管道系统的安全监督；

(6)管道周围的人口、交通、建筑设施状况等。

一旦风险评价结果列入风险矩阵中，就会得到风险水平的指示。风险矩阵的评价结果可以用于确定有潜在危险最大的区域，确定需要加强检测的管段，以及相应减少风险的方法，同时可用于是否要进行全面的定量评价的决策。美国能源部研究制定的非核装备定性风险评价方法，对有关细节作了说明〔4〕。

图2 定性风险矩阵

3、 定量风险评价

定量风险评价也称为概率风险评价(PRA)，是将失效频率FS(事故次数／（km.a－1）)和失效后果值CS代入式(2)求出管道系统的总风险值。这种计算往往是一个相当复杂的过程，同时需要价值的数据库作为支撑。用于油气输送管道的定量风险评价方法尚在研究之中，这里以美国石油学会(API)对炼油及石油化工装备的定量风险评价〔5，6〕为例进行说明，是有一定参考价值的。

（1）可能性分析 可能性分析是按装备类型划分(笔者注：对于油气输送管道可以按输油或输气，再按螺旋缝焊管或ERW管或UOE管划分类型)的失效频率或概率的通用数据库为基础，然后用能反映出通用的与现在所研究评价对象之间差异的2个因子——装备修正因子（FE）和管理系统评价因子（FM）进行修正，得到经过调整的失效频率或概率为：

调整的失效频率或概率＝通用的失效频率或概率.FE.FM

（3）

式(3)的计算见图3所示。

图3 失效可能性计算

装备修正因子（FE），用于检验每个指定装备的详细技术指标和其运行环境，以便得到只是对该指定装备所适用的修正因子。装备修正因子要识别对指定装备的失效频率或概率起主要影响的特定条件，其可以划分为4个次级因子(子因子)：

①技术模量——用于检查结构损伤状态、生产过程环境和损伤检验程序；

②通用子因子——对所有的装备均有影响；

③力学子因子——是从某一装备到另一装备而变化的；

④工艺子因子——生产工艺过程可以影响装备的完整性。

技术模量对于风险和检测程序优化是很关键的，是用于评价特定的失效机制对失效频率或概率影响的系统方法。

技术模量用于评价两类信息，由于运行环境所致该装备损伤或材料性能的退化率；在失效发生前装备的检测程序对于运行损伤机制的识别和监视的有效性。要分析服役中的损伤和检测两者对失效频率或概率的影响包括如下7个步骤：

①查明损伤机制并建立预期损伤速率；

②确定损伤速率的可信度水平；

③在确信的损伤水平和损伤速率基础上确定检测程序的有效性； ④计算检测程序对于改进损伤速率置信水平的影响；

⑤计算在给定损伤水平时会导致装备失效的损伤容限的概率(笔者注：这可以通过概率适用性评价进行〔7〕)；

⑥计算技术模量子因子；

⑦计算对于所有运行损伤机制的综合的技术模量子因子。

管理系统评价因子调整所评价的装备管理系统对装备的力学完整性的影响。一般讲这调整对各项装备是等同适用的，除非管理系统是对不同的装备或区域有差异时，管理系统评价覆盖了整个工厂或工程的生产安全管理（PSM），PSM是对装备的力学完整性有直接或间接影响的。管理系统评价的大部分是以在API推荐作法和检测规范中所包含的要求为基础，同时还包括了在有效安全管理中其它已经证实的技术。API RP

750“生产过程危险管理”中的各重要章节均属于这一范畴。

（2）后果分析 失效后果值计算的概况用图4表示，释放危险性流体的后果按以下7个步骤估计：

①确定有代表性的流体及其性质；

②选择一套孔洞的尺寸，以得到风险计算中后果的可能范围；

③估计流体可能释放出的总量；

④估计潜在的释放速率；

⑤确定释放的类型，以确定模拟扩散和后果的方法；

⑥确认流体的最终相，是液态还是气态；

⑦确定潜在的由于释放受影响的区域面积或泄漏的费用，即燃烧或爆炸的后果、毒害的后果、环境污染的后果及生产中断的后果等。

图4 失效后果的计算

三、风险控制

如图1所示，风险控制主要包括失效的预防措施和风险的降低措施两部分，在风险评价的基础上，通过决策和实施，达到减少风险并合理分配资源的目的。失效预防显然是风险控制的根本，失效预防的有关技术，如正在不断发展和完善的含有缺陷结构的适用性(或称“合于使用”)评价(包括概率适用性评价)技术〔8〕、视情维修技术等是比较熟悉的，这里不再介绍。风险的降低措施(或称策略)有：基于风险的法规、基于风险的检测、基于风险的新的信息规则系统等。这里对基于风险的法规和基于风险的检测作简要介绍。

1、 基于风险的法规和规范

如前所述，1993年和1994年在美国发生的两起油气输送管道重大失效事故对现有的法规和规范提出了挑战。通过大量的研究和实践，近几年来制定出了许多专门考虑风险的法规、规范，称为基于风险的法规。在基于风险的法规下，特定危险的风险被评价，而且法规中写明要降低风险到指定水平。基于风险的法规允许采用不同的实施方法，这取决于所处的环境。基于风险的法规有一种形式称为基于概率的功能标准(Probability-Based Performance Standard)，它将风险与社会后果联系起来，采用对人类生活和环境的风险概率的术语。例如，标准可以要求每年每千公里死亡率小于0.001‰。定量风险评价和概率风险评价被用于制定这种标准。当前美国各管道公司象以往忠实执行指令性法规一样执行基于概率的功能标准。

2、 基于风险的检测

基于风险的检测(RBI)技术的开发是在API的组织下作为一项工业界参与的(已由1995年的16家发展到1996年的19家)发展计划来进行的〔5，6〕，目的在于形成一个API基于风险的检测推荐作法(API RP 580)，使其在服役中的检测标准和正在形成的API适用性评价推荐法(API RP

579)之间建立联系。基于风险的检测是以风险评价为基础，用于对检测程序进行优化安排和管理的一种方法，期望有效的基于风险的检测能够使得在给定的检测活动水平下有利于风险的降低(见图5)。经验表明，在一个运行的工厂或管道系统中，风险中绝大部分(约80％)是与很小比例(约20%)的装备或管段有关的。基于风险的检测允许将检测和维修的主要精力用于高风险的装备或管段上，而把适当的力量放在低风险的部分。基于风险的检测程序的目的可概括如下：

(1)对工厂或管道系统中运行的装备或管段进行调查，以识别高风险的部位；

(2)依据同一方法对各装备或管段的运行进行风险评价；

(3)在风险评价基础上将各装备或管段进行排序；