埋地输气管道腐蚀风险评价技术研究

蒋宏业,姚安林,宋小建,杨 春,李海山

(1.西南石油大学石油工程学院,四川成都 610500;2.中国石油西南油气田分公司,四川成都 610051)

0 引 言

据统计,目前我国在役输气管道中的多数属于超龄服役,已进入了事故多发期,再加上各种主客观因素的影响,这些管道大多处于较高的风险水平.而众多的风险要素,或者说输气管道发生事故的众多原因中,最主要的原因之一是管道腐蚀,其直接后果是管道壁厚的减薄,导致局部应力集中.由于输气管道的输送压力较高,当管道壁厚减薄到一定程度后,就会发生穿孔或开裂导致输气泄漏,造成环境污染甚至是人身伤亡等严重的后果.因此,通过对输气管道进行腐蚀风险评价,对于制定管道继续使用、大修还是更换的科学决策具有重要的指导意义.

1 管道风险评价原理

1.1 风险评价的概念及步骤

风险评价(Risk Assessment)是一种基于对系统完整性有影响的数据资料、系统运行管理经验和直观认识的科学方法,通过将风险量化,进行比较、分析,为风险管理的科学决策提供可靠的依据,从而达到最有效减小风险的目的.

风险评价的一般步骤为:可靠性资料的收集、确定风险变量及建模、风险变量的量化处理、风险概率的计算、风险后果的计算、风险分值的计算[1].

本文所作的埋地输气管道腐蚀风险评价技术研究拟借鉴W.K.Muhlbauer提出的长管道风险评价方法[2],采用评分指标体系把埋地输气管道腐蚀失效可能性的总评分定为100分.

1.2 故障树分析原理简介

风险评价的方法有很多,例如,初步危险分析(PHA)、失效模式与影响分析(FMEA)、故障树分析(FTA)等.故障树分析因其具有简明、直观、灵活的特点,是风险评价诸方法中应用最为广泛的方法之一,也是本文采用的分析方法.

故障树分析方法是一种图形演绎方法,一个故障树就是一个逻辑图,该图描绘了一些事故的发生而使得某些故障一定按照次序发生[3].通过故障树的定性分析,可以找出被评价系统的薄弱环节,为腐蚀评价评分体系的制定提供理论指导,并可为评分体系中的每一个单项权重的确定和分值的分配提供参考和依据.

1.3 风险要素评分权重的确定

由于不同的风险要素对于系统的风险所起的作用不同,因此在进行风险要素评分时,其分值应与其重要性相对应.对评价指标赋权重的方法有很多,如专家打分法、二项系数法、主要成分分析法等.本文采用由 T.L.Satty提出的层次分析法(AHP)[4]来确定各风险要素的评分权重.该方法适合处理各类烦杂问题,并能把人们主观的直觉、经验与客观的理性、规律及逻辑推理完善地结合起来.

层次分析法的基本思想是:将评价系统中的各个风险要素分解成若干层次,并以同一层次中的各种要素按照上一层要素为准则进行两两比较判断,然后计算出各因素的权重,最后计算出各因素对于总目标的合成权重.

1.4 事故后果分析及相对风险分值的计算

风险评价过程中,很重要的一步就是事故后果的分析.本文考虑的事故后果是埋地输气管道发生泄漏后对社会和公众的危害.

埋地输气管道腐蚀破坏后对社会与公众的危害大多是以一种直接形式表示出来.本文采用文献[2]提出的泄漏影响系数来描述其风险后果.

根据风险要素分值和泄漏影响系数就可以计算出相对风险分值的大小,其计算公式如下[2]:

其中,

1.5 风险可接受度

从前述可知,本文计算出的风险评价结果是一相对值,其本身很难反映出埋地输气管道的实际风险情况.因此,首先应根据管道运行状况等具体情况计算可接受风险值,确定允许风险值[R],然后将计算的风险值 R与之相比较,根据二者的差异情况判断管道的安全程度,即:

允许风险值[R]的计算过程也是一个风险评价的过程,但不是对实际情况的评分,而是对假想的可接受风险的评分.因此,允许风险值[R]是一个动态指标,它随着评价对象的改变而改变,而且还会随着时间的变化而变化.

2 埋地输气管道腐蚀风险评价

针对四川某埋地输气干线进行的环境调查、现场测试及失效规律的研究结果,我们对其进行了腐蚀风险评价.

2.1 埋地输气管道腐蚀失效故障树建立与定性分析

2.1.1 埋地输气管道腐蚀失效故障树的建立.

根据顶事件确定原则,选取“埋地输气管道腐蚀失效”作为顶事件.顶事件确定后,首先,要寻找引起顶事件发生的最直接、必要的、充分的原因.一般情况下,引起埋地输气管道腐蚀失效的原因为腐蚀穿孔和腐蚀裂纹2种.然后,把引起顶事件发生的各原因分别看作顶事件,采用类似的方法继续往下深入分析,建立以逻辑门符号表示的埋地输气管道腐蚀失效故障树(见图1).图1中各符号代表的事件如表1所示.

图1 埋地输气管道腐蚀失效故障树

表1 埋地输气管道腐蚀失效故障树基本事件表

2.1.2 埋地输气管道腐蚀失效故障树定性分析.

将埋地输气管道腐蚀失效故障树转换为等效的布尔代数方程,即:

从布尔代数方程可知,埋地输气管道腐蚀失效故障树由40个2阶最小割集、6个3阶最小割集、9个4阶最小割集组成.其中,40个2阶最小割集直接影响系统的可靠性,为系统的薄弱环节.

确定了系统的薄弱环节之后,通过对故障树的结构重要度系数进行计算,就可以鉴别底事件的薄弱环节.底事件的结构重要度系数可用下式进行计算[5]:

式中:kj为第j个最小割集;Nj(j∈kj)为底事件i位于kj的底事件数;xi∈kj为第i个底事件属于第j个最小割集;IΦ(i)为第 i个底事件的结构重要度系数.

利用(4)式求得各基本事件的结构重要度系数如表2所示.

表2 埋地输气管道腐蚀失效因素结构重要度结果表

由计算结果可知,IΦ(x6)、…、IΦ(x10)是最大值,其次是 IΦ(x14)、…、IΦ(x21),它们在结构重要度排列中数值所占比例大,其对顶事件影响也最大.

2.2 腐蚀风险要素及其权重的调整

由故障树分析可以得到埋地输气管道腐蚀风险要素及其层次关系(见图2).

图2 埋地输气管道腐蚀风险评分体系层次模型结构图

下面以准则层B为例说明AHP法对腐蚀风险要素权重的调整过程.

把目标层A作为准则,对B层4个因素进行两两对比,得到判断矩阵如下:

据此求得:

即,内腐蚀、外腐蚀、应力腐蚀、管道材质的权重分别为0.1775、0.6985、0.0401、0.0830.同理,可以分别求得内腐蚀环境中4个子因素、内腐蚀措施中2个子因素、外腐蚀中5个子因素和土壤腐蚀中4个子因素的权重.

2.3 相对风险分值的计算

由于本文研究的是输气管道,根据文献[2]中介绍的输送介质危害性计算方法和相关参数,得到本研究对象输送介质的危害性评分为7分(确定值).而由管输气体泄漏扩散和人口密度2项决定的扩散系数的得分为2分,所以泄漏影响系数的得分为3.5分.该埋地输气管道腐蚀风险因素之和为78分,则:

这说明本文所研究的埋地输气管道腐蚀相对风险分值为22.59分.

据实际测算,该埋地输气管道的允许风险值[R]为30.因此,该输气管道腐蚀风险在可接受范围内,处于安全状态.

3 结 论

本文根据管道风险评价的一般原理提出埋地输气管道腐蚀风险评价技术,并详细介绍了整个评价过程.同时,结合管道腐蚀破坏机理,我们建立了埋地输气管道腐蚀失效故障树,该故障树共考虑了23个基本事件.通过对故障树最小割集的求解和结构重要度的计算,定性确定了引起埋地输气管道腐蚀失效的薄弱环节,即主要失效因素.

我们提出的评价方法在借鉴W.K.Muhlbauer的评分指标体系法的基础之上,综合运用故障树分析法和层次分析法,使得评分体系的建立具有更严格的科学依据,评价结果的合理性更强.

[1]姚安林.论我国管道风险评价技术的发展战略[J].天然气工业,1999,19(4):79-82.

[2]Muhlbauer W K.Pipeline Risk Management Manual[M].Houston:Gulf Publishing Company,1996.

[3]蒋宏业,姚安林,郑兴华,等.天然气球罐失效故障树分析[J].天然气工业,2003,23(6):163-165.

[4]魏世孝,周献中.多属性决策理论方法及其在C3I系统中的应用[M].北京:国防工业出版社,1998.

[5]沈斐敏.安全系统工程基础与实践[M].北京:煤炭工业出版社,1991.