考虑生产中断损失的天然气站场管道风险量化评价方法

陈传胜 罗云怀 廖柯熹 邹 庆 王 亮

（1. 国家管网集团川气东送天然气管道有限公司，湖北 武汉 430074；2. 西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

0 引言

天然气长输站场完整性管理主要基于风险检验的方法[1]，通过对站场的设备、管道和仪器仪表进行归类，建立对应的风险评价方法。站场设备按照工作性能可以分为三类，静设备、动设备和仪器仪表。基于不同失效机制有基于风险的检验（RBI）、以可靠性为中心的维护（RCM）、安全完整性分级（SIL）评价方法[2]。RBI方法用于站场不同等级的管道，以及过滤分离器等压力容器的静设备中，它是将站场的经济性和安全性相互结合的风险评价方法[3,4]。该方法主要通过设备失效概率及失效后果计算失效风险。天然气长输站场管道风险评价基础是识别危险源，将危险源划分为直接危险源和间接危险源[5]，从而基于上述方法展开评价。

目前国内外众多学者就站内不同设备展开了不同形式的评价。李贺春[6]就天然气长输站场SCADA系统运行进行风险评价；黄涛等[7]就天然气长输站场设备管理进行了分析；彭玉霞[8]对天然气长输站场计量检定流程的事故失效概率进行了研究；梁清荃[9]对站场火灾和爆炸事故危险程度进行了定量风险评价；赵永利[10]对站场压力容器和管道作业安全控制措施进行研究；段崇伟[11]就站场的EDS阀门意外关停事故进行了分析；靳琛[12]将HAZOP方法用于天然气长输站场危险评价；陈松[12]等对天然气长输站场内部管网进行了完整性评价。

本文基于川气东送站场管道，考虑站场生产中断损失，开展天然气长输站场管道定量管道风险评价。基于站场工艺管道泄漏风险评价方法，考虑人员伤亡、设备损坏损失、生产中断损失、关联设备损失、维修维护成本等后果，建立管道风险评价模型，量化站场重点区域风险，给出管道风险可接受准则，研究结果对天然气长输站场安全运行具有重要指导意义。

1 天然气长输站场工艺管道风险量化评价方法

1.1 天然气长输站场工艺管道失效概率计算模型

1.1.1 站场管道单个缺陷失效概率

天然气长输站场工艺管道中，腐蚀是造成管道

失效的最主要影响因素之一，其造成管道失效的原因是腐蚀穿孔。站场输气管道失效概率与腐蚀穿孔概率关系如式（1）所示，二者并不相等，还与站场管道管理水平及复杂程度存在关系。当管理水平高时和管道复杂程度低时，管道功能失效概率小于管道穿孔失效概率。

式中：Pf为输气管道的失效概率；Pf1为由腐蚀穿孔失效导致的失效概率；FE为修正系数；FM为管理系数。

管道穿孔失效概率与三方面因素有关，主要为管道材质、运行工况、介质属性。根据挪威船级社DNV标准推荐的腐蚀管道穿孔失效概率方法，其计算管道穿孔失效概率方法为式（2）至式（5）：

式中：Δt为壁厚损失值，其值为Vcorr（T-T0），其中Vcorr为腐蚀速率，mmT0为管道首次投用年限，年；T为开始评估年限，年；fσ为管道表面流变应力，MPa；t0为管道初始壁厚，mm；P为运行压力，MPa；d为管道内径，mm；Pσ为压力的方差，值为0.05P；fσσ为流变应力的方差，值为0.2fσσ；σΔt为壁厚损失的均方差，值为0.1Δt；为对压力偏导数，值为-为流变应力偏导数，值为为壁厚损失偏导数，值为为穿孔失效概率；Φ标准正态分布函数；β为可靠性指数。

腐蚀造成管道壁厚减薄，进而造成管道穿孔，其穿孔失效概率和介质的运行压力、管道直径、壁厚、缺陷尺寸，包括缺陷深度、长度、以及管材表面的流变应力有关。

1.1.2 站场管道及关联设备复杂缺陷失效概率

计算复杂缺陷下管道失效概率方法先计算管道失效压力，将失效压力带入小孔泄漏下极限状态方程求得复杂缺陷的管道失效概率。复杂缺陷条件下管道失效压力计算方法挪威船级社（DNV）DNVRP-F101标准给出的基于需用应力计算法：

式中 bσ为材料抗拉强度，MPa；M为长度校正系数。

求得复杂缺陷管道失效压力，按照腐蚀管道小孔泄漏下极限状态方程，如式（8）和式（9）所示：可以求出对应的μg。

求得μg后，按照式（4）和式（5）即可求得复杂缺陷下管道失效概率。

1.1.3 管道及关联设备修正系数和管理修正系数

（1）管道及关联设备的修正系数FE

设备修正系数FE取值在0.1～20之间。参数FE=1反映设施设计和作业情况能够达到国际平均水平。FE影响因素包括设备设计情况和复杂程度、腐蚀速率、维修保养等。设备修正系数由机械因子、损伤因子、工艺因子、通用因子组成，通过因子可辨别可能对设备失效概率有影响的特定情况。换算才能得到设备修正系数，换算如表1所示。

表1 设备修正系数换算表

（2）管理修正系数FM

输气站场管理水平评价使用管理系统修正系数，对站场中同一个装置内的设备项，其管理系数数值相同。当对整个装置的风险水平进行比较或对不同装置或装置之间的类似设备项的风险值比较时，其影响相当大。

在管理系统评估中，总分为100分，满分意味着总体单元的风险等级降低。管理修正系数计算如式（10）所示。

式中：S为管理系统评估分数；FM为管理修正系数。

1.2 天然气长输站场工艺管道失效后果计算模型

天然气工艺管道一旦发生事故，其造成的后果主要包括功能性损失后果和经济性损失后果。功能性损失后果包括人员伤亡情况、关联设备损失失效后果。经济性损失后果包括营业中断后果损失、设备损坏后果经济损失和人员伤亡损失后果。

（1）人员伤亡损失后果

本文在计算失效后果时，不考虑爆炸后果，只考虑燃烧热辐射和缺氧窒息影响面积。在天然气发生泄漏后，造成的失效后果是组合形式的，需要考虑二者组合面积。其中燃烧面积又可分为设备损伤面积和人员损伤面积，组合燃烧影响面积Aflam的计算方法如式（11）所示，Aflam包括人员损伤影响面积和燃烧设备损伤影响面积两种。在计算设备燃烧损伤影响面积时，由设备损伤热辐射阈值确定；在计算人员燃烧损伤影响面积时，由人员损伤热辐射阈值确定。

式中：Af,i为泄漏孔径i的可燃致死面积，m2；Aflammable为总可燃致死面积，与Aflam有关，m2；Cinjury为人员赔偿损失，元；n为人口密度，人/m2；

（2）管道及关联设备损坏损失

管道及关联设备损失的后果主要为经济风险损失，通过计算得到失效后果的影响范围后，从而计算其失效后果的经济损失，管道及关联设备的损失后果转换为以金钱表征的后果。管道及关联设备损坏损失包括失效管道本身损失和关联设备损失。

管道及关联设备破坏后果经济损失的计算方法如式（14）～式（16）所示：

式中：Ae,i为泄漏孔径i的设备破坏面积；Aequipment为管道及关联设备总破坏面积，m2；LOFgeneric为设备四种泄漏孔失效频率之和；fi为泄漏孔径i的同类失效频率；Requipment,i为孔径i泄漏时的设备破坏成本，元；requipment为设备单位面积修理成本，元/m2；m为设备成本系数。

（3）生产中断损失

由于管道失效破坏，造成营业中断后果Coutsge计算方法如式（17）和（18）所示。

式中：toutage为生产停工时间，天；coutage为每天营业中断损失；ti为泄漏孔径i相应设备估计停工时间，天。

（4）总失效后果COF计算

1.3 天然气长输站场工艺管道风险量化计算模型

由各种形式、单一风险每一危害程度综合而成的系统整体风险就是系统的总风险，即综合站场管道及关联设备各个单项风险就是站场管道及关联设备系统总风险。

在计算得到站场管道及关联设备失效概率与站场失效后果后，站场管道风险计算如式（20）所示：

式中：R为风险；Pf,i为站场内不同工艺管道的失效概率。Ctotal,i为站场内不同工艺管道的失效后果总和。

其中：

站场管道及其关联设备主要包括工艺管道、收发球筒、汇管、放空管道，所以站场管道及关联设备总的风险如式（22）所示：

因此，站场管道及关联设备总体风险计算公式：

2 天然气长输站场工艺管道风险计算应用

普光首站功能为接收普光净化厂来气，经组份及硫化氢含量分析、过滤分离、计量、增压后外输至川气东送干线。普光首站基本功能区域包括气质检测分析、过滤沉降、计量、调压、放空、收发球以及分输等区域。因此基于上述模型计算各类管道失效概率及风险，进而判断站场管道风险等级。普光首站有工艺管道、干线收发球筒、联络线收发球筒、汇管、放空管。

2.1 站场工艺管道失效概率计算

根据失效概率计算方法计算普光站各类工艺管道腐蚀穿孔失效概率。根据表2中普光首站站内工艺管道基本参数计算对应腐蚀速率，该腐蚀速率下失效概率采用蒙特卡罗法计算。

表2 普光首站站内工艺管道基本参数及腐蚀速率

2.2 站场工艺管道失效后果计算

对于压力容器的天然气泄漏的流动速度为音速，基于相关标准计算气体的泄漏量。普光输气站天然气密度为0.619kg/m3，Cd=1。以工艺管道为例，计算管道腐蚀穿孔失效后的关联设备破坏后果、营业中断后果、人员伤亡后果、总失效后果。

（1）关联设备破坏后果计算

普光输气站各个设备单位面积修理成本价格为requipment=4600元，设备穿孔失效破坏成本Requipment，营业中断天数ti。

总设备破坏面积计算如式（24）所示：

设备破坏后果Cequipment=36.9万元。

（2）营业中断后果如式（25）所示

已知普光首站2021年平均小时输气量6.59×105Nm3/h，天然气价格采用0.95元/ Nm3，则coutage=62.6万元/天，toutage=4.408天。

则Coutage=coutage×toutage=62.6×4.408=275.9万元。

（4）人员伤亡后果计算

已知普光输气站人员密度为0.00067人/m2，人员赔偿损失为34万元/人，计算可得：

故得到人员伤亡成本：Cinjury=Aflamable×n×cinjury=4.3万元。

（5）总失效后果COF计算

计算Cequipment+Coutage+Cinjury=317.1元，0.5（Cequipment+Coutage+Cinjury）1.05=211.5万元，所以COF=317.1万元。

2.3 站场工艺管道风险计算

基于公式计算管道及关联设备的风险值总风险。按照普光输气站场管道风险接受准则，各个设备风险等级如表3所示。

表3 普光输气站管道及联系风险等级

通过对站场管道及关联设备分析，计算总体风险，得到站场管道及关联总体风险评价结果，如图1所示。评价的管道及关联设备风险具体情况为：当前没有高风险管道，有1个中高风险管道，4个中风险的管道，6个低风险管道。通过分析管道所在区域得到，站场压缩机区域工艺管道和过滤区工艺管道为中高风险管道，日常工作中，应加强对中高风险地区的监测。

图1 站场管道及关联设备风险等级图

3 结语

（1）建立了站场工艺管道及关联设备失效概率模型，失效后果计算模型。计算了工艺管道及关联设备失效风险。失效后果主要考虑了单缺陷工况和复杂缺陷工况情况下的设备失效经济损失、人员伤亡经济损失和生产中断造成的经济损失；

（2）对站场主要工艺管道及关联设备进行了风险计算，将其换算为失效经济损失的形式，对站场主要工艺区的管道及关联设备进行计算，得到总后果损失在70～422万元。没有管道处于高风险，其中属于中高风险管道为1处，中风险管道4处，低风险管道6处。站场压缩机区域工艺管道和过滤区工艺管道为中高风险管道，其它区域为低风险管道。日常应加强中高风险管道监测，适时开展壁厚检测。