RBI技术在国内油气管道上的应用及研究进展*

赵 杨, 谢 飞, 孙 凯, 沈 歌, 郭大成, 赵 鑫

(1 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001; 2.中石油辽河油田油气集输公司，辽宁 盘锦 124010)

随着国内经济的持续稳定发展，对石油天然气等能源的需求也在不断增长。油气管道作为油气储运中重要的设施，其建设规模也越来越大。截至2015年底，全国油气输送管网总长度达到15×104km[1]，预计到2020年，累计新建原油管道3.2×104km，成品油管道 3.3×104km[2]。油气管道的管理和维护工作至关重要,为了避免出现油气运输的安全事故，人们对油气管道的检验也越来越重视。常规的检测技术按照规定周期和内容实施检测，缺少针对性，常常出现检验过度或检验不足的情况，并且考虑更多的是设备失效的可能性，不符合企业对于经济、效益和风险控制的需求。通过长期调查分析，在设备风控领域也存在着一个与“帕雷图二八规则”非常相似的规律，即80%的风险集中在20%的设备或风险源上[3]。如何区分出这些设备并制定出相应的检验方案是风险控制的重要课题。

基于风险的检验技术(简称RBI)是近30多年来被世界广泛采用并得到认可的设备检验技术[4]。 RBI的主要目标是开发有限的资源以应对真正有意义的风险。它是一种基于安全性和经济性的对系统设备进行风险检测与维护的技术方法体系。RBI技术最早由挪威船级社在海洋平台上采用，20世纪90年代初，美国石油学会(API)与挪威船级社合作，开始将基于风险的检测技术应用于石化设备检测中，1996年API公布了RBI基本资源文件API BRD 581的草案，2000年5月与2002年5月先后颁布了RBI标准API RP581和API 580正式文件[5]。近年来，国内应用RBI技术最多的是石油化工行业[6-8]，主要应用于管道及储罐、反应釜、换热器及塔器等静设备检验中。

目前，国外的管道风险评价技术正在向成熟阶段过渡，具有相对完整的管道失效数据库和理论模型[9]；然而国内管道风险评价技术还处于发展阶段， RBI技术基本使用半定量分析，特别是定量风险评价方法需要的管道历史失效数据库和相应的评价标准尚未建立[10-11]。迄今为止，国内外的RBI技术在管道评价体系中均存在一定的缺陷，始终无法将施工队经验、设计单位经验等对管道评价体系有影响的因素进行量化。因此，如何将这种模糊分析转化成定量分析，纳入管道评价系统，是今后完善RBI评价技术急需解决的问题。另外，目前RBI技术只是在长输管道上应用和研究较为广泛，但是在油气田的油气集输管网上的研究尚鲜见报道。由于集输管网与长输管线相比有很多不同之处，例如管径相对较小、管壁较薄、变径频繁、分布密集、杂散电流干扰较为严重且存在双向输送和并行铺设等特点，导致油气田集输管网经常出现腐蚀穿孔、泄漏等事故。然而，RBI技术在长输管道上的应用却无法简单复制到集输管网评价上[12-13]，因此，未来对油气田集输管网的RBI技术研究将是油气管道安全性研究的热点。

1 RBI技术简介

RBI技术是在追求系统安全、经济统一的基础上，科学地分析系统存在危险的可能性及后果，进行风险等级排序，找出需要加强检修维护的部分，使风险降低至可接受范围之内的风险检验方法[14]。

1.1 RBI工作流程

RBI技术的实施包括危险识别、失效概率评估、失效后果评估、风险计算、风险排序及风险再评估等6个步骤[15]。

经过数据的收集、分析，大致找出可能失效的设备，对设备的材料类型、环境因素进行评价，确定设备的失效机理并分析其失效可能性及后果，再根据企业监管水平、设备设计和制造状况等影响因素适当调整，进行风险排序，确定风险矩阵。确定设备的风险水平后，可根据设备的具体情况，制定相应的检测和维修计划，包括检测位置、检测方法、维修周期和剩余寿命。通过重新进行风险评估，不断降低设备潜在的风险，完善检修策略。其流程示意见图1。

图1 RBI技术实施流程

1.2 RBI技术的原理

RBI的思路：根据设备的失效机理、失效可能性和后果，分析设备的风险等级，确定检测周期、检测范围和检测方法，制定最佳检测和维修方案。

RBI系统将风险定义为两个项，即发生失效的可能性和失效后果。用数学公式表达某事件的风险为：

R=P0F·C0F

式中:R为风险，P0F为失效可能性，C0F为失效后果。

失效可能性分为“频繁发生”、“经常发生”、“可能”、“不可能”和“非常不可能”5个等级，分别用 5，4，3，2，1 表示；失效后果主要包括火灾和爆炸风险、毒性风险等方面，分为不严重、不太严重、一般、比较严重以及非常严重5个等级，分别用 A，B，C，D，E 来表示。将失效可能性、失效后果组合起来，便形成一个 5×5 的风险矩阵，如图2 所示。在风险矩阵中，沿左下方到右上方对角线逐渐升高，依次为：低风险、中风险、中高风险和高风险，根据风险等级制定相应的措施，见表1[16-18]。风险评价的方法有很多种，目前较常用的有10余种，这些方法可根据评价结果的量化程度分为3类：定性风险分析、半定量风险分析和定量风险分析。

图2 RBI风险矩阵

表1 RBI风险等级和措施

2 RBI分析方法

2.1 定性分析法

管道的定性风险技术是基于决策科学和贝叶斯统计理论的决策分析方法建立的， 评价时无需建立精确的数学模型和计算方法。它是在有经验的现场操作人员和专家意见的基础上评判出相对风险等级，但并不能对危险事故发生的频率及产生的后果进行量化。评价的精确性取决于专家经验的全面性，划分影响因素的细致性、层次性以及权重分配的合理性[19]。定性方法采用较多，如安全检查表(SCL)、专家现场询问观察法、预先危害性分析(PHA)、故障类型和影响分析(FMEA)、危险和可操作性研究(HAZOP)及故障树分析 (FTA)等。

安全检查表(SCL)是一种根据有关标准、规范和国内外事故案例等将系统中不安全的因素找出并制成表格，以提问的方式进行安全检查的方法[20-21]。

预先危险性分析( Preliminary Hazard Analysis)是在方案开发初期阶段或设计阶段对系统中存在的危险类别、危险产生条件和事故后果等概略地进行分析的方法[22-23]。

故障类型和影响分析(FMEA)是一种自下而上的系统安全分析方法。它是从系统的组成部分或因素开始分析，找出故障类型并分析各类故障对系统的影响，然后制定出减少或避免这些影响的措施。定性FMEA可通过添加临界性分析，扩展到定量FMEA[24-26]。

危险性和可操作性研究(HAZOP) 是目前最广泛的危害辨识技术。它利用工艺流程图(PFD)、管道和仪表图(P&ID)对整个工艺过程进行分析研究，调查系统工程中可能造成损害或操作问题的与原设计意图的偏差(如人为失误、工艺或材料失效等)，确定偏差的原因、后果以及评估后果。由于HAZOP并不能提供定量的结果，所以很多人将HAZOP与故障树或概率后果矩阵等技术相结合，进行半定量或定量风险评估[27-30]。

故障树分析法(FTA) 是系统安全分析方法中广泛应用的一种图形演绎的故障分析方法。该方法通过相关事故数据的统计，确定失效事件，将失效事件与导致失效事件发生的各种原因用一种被称为故障树的树形图表示，通过对故障树的分析，得出系统潜在的故障，确定维修方案，预测、预防事故的发生[31-33]。

2.2 半定量分析法

半定量分析法是定性分析与定量分析相结合的方法，评价对象是系统中的危险源。它以事故发生的概率及后果为指标，用一定的权重系数对这些指标进行辅助修正，构建评价系统风险程度的数学模型。如何确定各风险因素的权重是该方法的关键，目前，主要有主观赋权和客观赋权两种确定权重的方法。由于缺乏老龄化管道数据等原因，管道数据库并不完整，导致客观赋权法存在一定的局限性，因此，专家估计法在业内得到了广泛应用[34]。

专家估计法的权重主要是由专家经验和理论确定的，主观性较强，所以，许多学者为提高专家估计的精度展开了深入研究，例如: 赵德孜[35]提出了一种含置信度的梯形模糊数来量化模糊语言变量的赋权法，该方法从评价集、权重赋值和单因素评判三个方面改进了现行的模糊综合评判模型。许谨[36]等结合历年管道事故的统计数据，利用熵权法计算第三方指数、腐蚀指数、设计指数和误操作指数的权重，对肯特法进行优化。易云兵[37]等采用不确定层次分析法确定油气管道风险因素的评分权重，综合考虑了风险因素的主观评分权重和客观评分权重，计算出各风险因素的最终评分权重从而使评价结果更客观、可靠。王天瑜[38]等将改进灰关联分析与熵权法相结合确定土壤腐蚀性评价各指标权重，使权重计算结果更加客观、可信。付罡[39]针对可能性和后果分析数目多等问题提出了一种半定量的基于符号定性图的危险性与可操作性分析(SDG-HAZOP)方法，并设计开发了相应的RBI风险评价模块。

2.3 定量分析法

2.3.1 定量分析法特点

定量风险评价法(定量分析法)是管道风险评价的高级阶段，是一种基于失效概率和失效后果直接评价基础上的数学和统计学方法。评价结果的准确性取决于原始数据的完整性、数学模型的精确性和分析方法的合理性[40]。定量分析方法需要收集大量的数据，包括装置设计资料、工艺数据、历史运行记录、检维修台账及事故台账等，完成数据收集后，利用专业的RBI软件，得出检验计划并实施[41]。定量分析需要大量的数据，工作量较大而结果更可靠。定量风险评价步骤如图3所示[42]。

图3 定量风险评价的步骤

2.3.2 国外研究和应用情况

20世纪70年代初，针对压力管道事故，美国国际管道研究委员会分析总结了22种失效因素[43]。Thomas提出了管道失效概率的经验模型，该模型从管道的形状和材料等因素考虑，全局统计来估算泄漏率，并在给定泄漏率的情况下，部分采用断裂力学模型评估断裂失效概率，主要适用于化工厂管道或容器的失效概率估算。1992年，Muhlhaue编著了《管道风险管理手册》[44]，该手册已更新至第3版，里面包含了多种管道风险评估模型和方法。加拿大的NeoCorr工程有限公司早在1995年就己经成功地开发出CMI管道风险评价软件，并为加拿大的多家大型石油公司、管道输送公司的油气集输及长输管道进行了风险评价[45]。A Jamshidi等将相对风险评分(RRS)方法与模糊逻辑相结合，依据专家知识的MAMDANI算法建立了一种新的模型，该模型能够考虑影响风险指数的参数之间的相对重要性[46]。目前，国外已经制定出具体的定量风险评估导则并广泛应用，开发了多种管道风险检测软件，例如：挪威船级社(DNV)研发的“ORBIT+ Pipeline”软件、法国船级社(BV)的RB.eye软件以及英国焊接技术学会(TWI)的RiskWise软件等[47-50]。除此之外，北美及欧洲很多国家已经建立了较为成熟的油气管道数据库，例如：美国运输部 (DOT)、加拿大国际能源部(NEB)建立的油气管道失效数据库，欧洲天然气事件组织(EGIG)建立的天然气管道失效数据库等。

2.3.3 国内研究和应用情况

(1)完善数据库。夏立[51]首次试探性地建立了适合国内压力管道的失效数据库，并对其进行分类管理。近年来，中国石油天然气股份有限公司对天然气管道的设计和评价方法进行了研究，收集了国内近4×104km天然气管道的可靠性设计数据，建立了国内天然气管道数据库、天然气管道的可靠性设计流程及评价方法，并制定了相应的标准[52-55]。2009年中国石油天然气管道公司建立了油气管道失效数据库平台并顺利投入运行，实现了长输管道的失效数据管理，2012年完成与中国石油管道完整性管理系统(PIS)集成，实现了长输管道失效数据的信息化管理与管道日常业务的集成。

(2)开发管道风险评估软件。2000年西南石油学院与中国石油西南油气田分公司联合开发了“天然气管道风险评价软件”，该软件在重庆某输气管道上成功进行了风险分析与评价，这标志着目前国际上通用的评分体系法在国内现役输气管道上达到了实际应用水平[56]。夏立开发了定量风险评价软件RBI-SEE，该软件包含了失效数据录入、统计和分析功能，实现对失效数据的管理，同时导入检测后的信息数据，实现了风险的评估与再评估。蔺永诚[57]等基于BSI PD 6493-95,R/H/R6-98和SAPV-99等权威评价标准，开发了用于含缺陷压力管道系统的断裂失效风险分析软件 (SAPP-2002)，该软件适用于各种缺陷类型的石油工业和油气输送管道风险评估。

(3)不同失效模式下的风险评估改进。夏立建立了适用于国内管道的失效概率统计方法(对数正态分布统计法)和失效后果评估算法(分代表性介质法)。段世文[58]对高黏原油管道的凝管失效模式进行了风险评估，根据调研结果和一些凝管事故案例建立了热油管道凝管失效故障树，找出了引起凝管风险的主要因素，并提出了相应的改进措施。牛少蕾[59]通过对上海石化压力管道的研究，分析出上海石化压力管道主要存在腐蚀减薄和焊接缺陷等缺陷形式，采用简化图表法确定失效可能性和失效后果的等级，提高了分析压力管道风险的速度。针对通用失效概率的局限性，依据API581中对通用失效概率的修正原理，建立了通用失效概率在各失效模式下的损伤因子算法。李新宏[60]等提出了一种应用于海底油气管道风险分析的结合Bow-tie和贝叶斯网络的新模型。该模型采用Bow-tie法，模拟出管道泄漏的原因及带来的后果，建立海底管道泄漏事件序列模型，根据贝叶斯理论和事故先兆数据，实现对海底管道泄漏事故风险的动态分析，克服了Bow-tie静态模型的不足，实时动态更新海底管道的失效概率。李军[61]等针对管道第三方破坏事故的多样性、复杂性和不确定性，利用层次分析法和模糊数学理论对燃气管道第三方破坏的失效概率进行了计算。陈学东[62]等提出了以剩余寿命为基准来计算评价失效概率的概念与方法,使得RBI的方法更为合理,尤其是当设备的损伤退化机理与时间相关且与超标缺陷共存时,提高了RBI分析结果的安全性。卢琳琳[63]等提出了一种包含排序概率和后果严重性的标准风险矩阵,来定义系统风险等级的综合风险评价方法，该方法分别采用故障树建立Bow-tie模型并在事件树中描述失效后果，用模糊方法计算失效概率。

2.4 RBI三种分析方法的对比

RBI三种分析方法的对比情况见表2。未来的管道风险评价将向定量化发展，评价更具有系统性、精确性和预见性。目前，国内管道定量RBI技术并没有真正做到定量分析，这是因为定量风险评价主要基于管道历史失效数据库，通过对比实际管道与失效数据库的抽象管道，导出一些成熟的经验模型公式，从而得到相应的结果。而国内的RBI技术应用仍然处于发展阶段，管道的失效数据库仍在建设和积累阶段。

表2 RBI三种分析方法对比

3 结论及展望

国内外学者在管道RBI技术评价方法上进行了大量的研究，使得管道RBI技术向定量化分析发展。目前，在管道风险评价上仍然存在两方面的发展瓶颈：一方面，施工队经验、设计单位经验以及专家经验等模糊分析数据，直接影响RBI技术评价长输管道的准确性,如何将这些经验因素量化并与风险评价指标关联起来，是RBI技术在长输管道上应用时急需解决的难点;另一方面，目前的RBI技术无法直接应用在油气田集输管网的风险评价上，针对油气田集输管道的复杂性和特殊性，如何建立一套适用于集输管网的RBI评价技术，是今后研究的重点。

无论是长输管道还是油气集输管道，其运行的风险及事故绝大多数是由管道腐蚀导致的。随着开尔文探针、微区电化学、扫描振动电极、生物传感器等高精尖测量技术的发展以及扫描电子显微技术、透射电镜技术、原子力显微技术等先进表征手段的应用，人们已经能够深入了解管道腐蚀的机理和规律，揭示管道腐蚀引发风险的微观机制。这就意味着可以从管道微观腐蚀机理的角度思考，明确影响管道腐蚀的主要因素，分析影响管道失效因素权重指标,用于油气管道的定量风险评估。随着研究的不断深入，建立一套适用于油气集输管道系统的RBI风险评价技术将是今后研究的重点方向。