海底油氣管道穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究

周子鵬，孫國(guó)民，何 寧

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海底油氣管道穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究

周子鵬，孫國(guó)民，何 寧

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

為了保證海底油氣管道安全運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)海底油氣田安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展，需要對(duì)海底油氣管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，闡述了評(píng)估海底油氣管道穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)思路，就危險(xiǎn)辨識(shí)、后果評(píng)估、頻率分析和風(fēng)險(xiǎn)矩陣等4個(gè)因素探討了管道風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法，重點(diǎn)研究了影響海底油氣管道穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)情況和相應(yīng)的評(píng)估準(zhǔn)則。最后結(jié)合海底管道的特點(diǎn)總結(jié)了影響海底油氣管道穩(wěn)定性的危險(xiǎn)因素，使用半定量評(píng)估法和定性評(píng)估法對(duì)海底油氣管道穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，給出了穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要項(xiàng)目和相應(yīng)的推薦權(quán)重值。研究結(jié)果對(duì)推進(jìn)我國(guó)海底油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)進(jìn)步具有一定的參考意義。

海底管道；油氣管道；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)矩陣；評(píng)估權(quán)重

0 引 言

海底管道是通過密閉的管道在海底連續(xù)地輸送大量油氣的管道，是海上油氣田開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分[1]。海底管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大，一旦失效將產(chǎn)生惡劣影響。這主要與其工作環(huán)境條件惡劣密切相關(guān)。在各種海洋環(huán)境因素和人為因素中，由于海底管道對(duì)海床有直接的依附關(guān)系，因此海床對(duì)管道的影響最為直接。

海床的性質(zhì)、演變及海床與海洋管道的相互作用都對(duì)管道的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生重要的影響。由于海床不平整，會(huì)引起海底管道在波流作用下的穩(wěn)定性問題：一種是當(dāng)海底管道懸空時(shí)卡爾曼渦流震動(dòng)與管線產(chǎn)生共振現(xiàn)象，引起關(guān)系失穩(wěn)；另一種是海底管道支撐海床的穩(wěn)定性問題，海底管道從凹凸不平的海床上通過時(shí)，將在管道中引起懸空和彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致管線產(chǎn)生過大的集中應(yīng)力而損壞。由于海床的地質(zhì)特點(diǎn)，在沙坡、沙脊等地形中的海底管道更容易產(chǎn)生懸空從而導(dǎo)致管線受損破壞。

長(zhǎng)期以來由于海底管道的特殊性和專業(yè)性，國(guó)內(nèi)對(duì)于其完整性管理的專業(yè)評(píng)估技術(shù)較為缺乏，主要集中在海底管道工程設(shè)計(jì)及操作運(yùn)行期的完整性管理，如海管穩(wěn)定性工程計(jì)算、海管通球風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和海管腐蝕檢測(cè)評(píng)估等，而針對(duì)海底管道工程建設(shè)中最重要的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)并未形成系統(tǒng)的評(píng)估方法[2-9]。因此，從海底管道穩(wěn)定性的專業(yè)角度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)狀況研究是非常必要的。

1 海管穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法概述

評(píng)估管道系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)狀況即是對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)辨識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)估范圍應(yīng)包括管道及管道附屬件整個(gè)壽命期。其中管道的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可使用定性、半定量或定量的方法進(jìn)行。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和管道運(yùn)行數(shù)據(jù)應(yīng)作為評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控和完整性管理的基礎(chǔ)。因此，對(duì)管道系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分可建立在對(duì)管道穩(wěn)定性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)狀況評(píng)估的基礎(chǔ)上。換言之，在完成運(yùn)行期管道穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)狀況評(píng)估后，給出一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)劃分的標(biāo)準(zhǔn)，把風(fēng)險(xiǎn)狀況不同的管道進(jìn)行歸類，完成對(duì)管道系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)劃分[10-11]。

2 風(fēng)險(xiǎn)分析方法

2.1 危險(xiǎn)辨識(shí)

危險(xiǎn)辨識(shí)即是對(duì)海底油氣管道在運(yùn)行期間存在的潛在危險(xiǎn)進(jìn)行分析。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，海底油氣管道穩(wěn)定性的危險(xiǎn)主要來自于海底波流沖刷作用和海床運(yùn)動(dòng)。

2.2 后果評(píng)估

后果的估計(jì)應(yīng)該根據(jù)研究目標(biāo)和研究范圍確定。通常，后果表述為人員受傷亡的數(shù)量和介質(zhì)泄漏的程度。這些估計(jì)要考慮到地理和人口分布狀況，以及可能的減輕后果的因素。一般情況下，簡(jiǎn)單的考慮介質(zhì)泄漏可以作為評(píng)估決策的標(biāo)準(zhǔn)。

風(fēng)險(xiǎn)對(duì)管道造成的潛在的破壞后果需要從經(jīng)濟(jì)損失、人員安全和環(huán)境影響三個(gè)方面考慮。主要的后果形式與介質(zhì)的關(guān)系如表1所示。

表1 海底管道介質(zhì)與后果Table 1 Consequences of medium leakage in subsea pipeline

2.2.1 經(jīng)濟(jì)損失

管道破壞引起的直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失均可考慮成對(duì)管道生產(chǎn)延誤造成的經(jīng)濟(jì)損失。管道運(yùn)行期間，穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生后，經(jīng)濟(jì)損失后果的嚴(yán)重程度可按表2進(jìn)行分類。

表2 海底管道破壞引起的經(jīng)濟(jì)損失后果Table 2 Economic loss caused by damage in subsea pipeline

2.2.2 人員安全

在海底管道運(yùn)行過程中，管道附近人員活動(dòng)較少。根據(jù)海底油氣管道運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)，當(dāng)氣體管道發(fā)生重大的泄漏時(shí)會(huì)危及人員安全。平臺(tái)附近的泄漏氣體被點(diǎn)燃后，可能引起火災(zāi)或爆炸，因此對(duì)人員傷害較大。根據(jù)挪威船級(jí)社相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定,人員安全傷害后果的嚴(yán)重程度可按表3進(jìn)行分類。

2.2.3 環(huán)境影響

環(huán)境影響后果評(píng)估通?？刹捎没謴?fù)受影響人口或地區(qū)所需時(shí)間來表示。但是環(huán)境影響后果很難定量評(píng)估。另外一種較通用的方法是，只考慮事故總泄漏量和年允許泄漏量進(jìn)行評(píng)估。表4可作為指導(dǎo)性原則進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估。

表3 人員安全傷害后果Table 3 Classification o f personal security damage

表4 環(huán)境影響后果Table 4 Description of environmental damage

綜合經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境影響和人員安全三個(gè)方面對(duì)后果進(jìn)行分類，是一般性的指導(dǎo)原則，可根據(jù)具體情況作適當(dāng)調(diào)整。表5可作為指導(dǎo)性原則用于后果評(píng)估。

2.3 頻率分析

事故發(fā)生的頻率通常可根據(jù)已發(fā)生事故的歷史記錄來進(jìn)行估計(jì)，也可以通過理論模型進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。可根據(jù)相關(guān)資料和文獻(xiàn)[11]，對(duì)失效頻率按表6進(jìn)行半定量評(píng)估。表中給出的失效頻率是對(duì)于整個(gè)管道而言，管道長(zhǎng)度不影響失效頻率。

表5 風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重程度描述Table 5 Summary of consequences of risks

表6 事故發(fā)生頻率等級(jí)Table 6 Classification of accident frequency

2.4 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

在完成系統(tǒng)的危險(xiǎn)辨識(shí)、頻率分析和相關(guān)的后果評(píng)估后，即可對(duì)事件的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)采用方法的不同，可得到定性或定量的結(jié)果。通過對(duì)事件的頻率和后果進(jìn)行分類，使用風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法(見表7)，可得到事件的等級(jí)水平。

表7 風(fēng)險(xiǎn)矩陣Table 7 Risk matrix

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中存在一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)可以降低風(fēng)險(xiǎn)。但如果降低風(fēng)險(xiǎn)措施產(chǎn)生的成本比造成的經(jīng)濟(jì)損失高，則不應(yīng)該采取這種措施來降低風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)區(qū)域通常稱為 “最低合理可行”(簡(jiǎn)稱ALARP)區(qū)域。比這個(gè)區(qū)域低的部分，認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)是可接受的。

ALARP原則的意義是：任何工業(yè)系統(tǒng)都是存在風(fēng)險(xiǎn)的，不可能通過預(yù)防措施來徹底消除風(fēng)險(xiǎn)；而且，當(dāng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)水平越低時(shí)，要進(jìn)一步降低就越困難，為此所花費(fèi)的成本往往呈指數(shù)曲線上升。也可以說，安全風(fēng)險(xiǎn)改進(jìn)措施投資的邊際效益遞減，然后趨于零，最終為負(fù)值。因此，必須在工業(yè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)水平和成本之間做出一個(gè)折衷。

3 海底油氣管道穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

3.1 半定量評(píng)估法

根據(jù)渤海灣的海底管道失效經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，海底油氣管道穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)因素主要源于波流沖刷和海床變化。按照第2節(jié)中的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，評(píng)估結(jié)果見表8。

表8 海底油氣管道穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)半定量評(píng)估結(jié)果及推薦權(quán)重Table 8 Semiguantitative evaluation results and recommended weights for stability risks of subsea oil and gas pipeline

將風(fēng)險(xiǎn)矩陣等級(jí)與事件的權(quán)重相乘即可得到該事件的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。表8中所有權(quán)重值總和為1，所有事件的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)和為管道的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。管道的風(fēng)險(xiǎn)劃分即可按照風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大小來進(jìn)行排序。風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)大則風(fēng)險(xiǎn)值高，反之則小。風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)只能半定量地、相對(duì)地體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)值。

3.2 定性評(píng)估法

在缺少足夠數(shù)據(jù)時(shí)，也可使用定性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，即客觀優(yōu)先級(jí)的方法。由風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估小組對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)，并對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)基于預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)情況，一般來講，影響管道穩(wěn)定性的主要風(fēng)險(xiǎn)詳見表9。其中的推薦權(quán)重值可根據(jù)具體項(xiàng)目情況進(jìn)行調(diào)整。

表9 海底油氣管道穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)定性評(píng)估結(jié)果及推薦權(quán)重Table 9 Qualitative evaluation results and recommended weights for stability risks of subsea oil and gas pipeline

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了海底油氣管道穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，從危險(xiǎn)辨識(shí)、后果評(píng)估、頻率分析和風(fēng)險(xiǎn)矩陣等4個(gè)方面探討了影響油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估質(zhì)量的客觀外因,為改善管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建方法提供了基本思路。針對(duì)海底油氣管道的特殊性，從管道穩(wěn)定性這一管道重要指標(biāo)的專業(yè)角度，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了影響海底油氣管道穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)因素，并通過半定量評(píng)估法和定性評(píng)估法給出了推薦的評(píng)估權(quán)重值。該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)具有較強(qiáng)的操作實(shí)用性，可為推進(jìn)我國(guó)海底油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的發(fā)展提供參考。

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RiskEvaluationResearchofSubseaOilandGasPipelineStability

ZHOU Zi-peng,SUN Guo-min,HE Ning

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Pipeline stability is an important parameter of subsea pipeline service.In order to ensure the safe operation of the subsea oil and gas pipeline,so as to a chieve the safe production and sustainable development of subsea oil and gas field,risk evaluation of the subsea pipeline is required.research the technical methodology of subsea pipeline stability risk evaluation based on the worldwide standard and engineering experience.Firstly,four objects are described regarding to the risk evaluation,i.e.,risk recognition,result evaluation,frequency analysis and risk matrix.Then the risk condition and evaluation methodology of subsea oil and gas pipeline stability are researched.Finally,the risk factors of subsea oil and gas pipeline stability are summarized based on the particularity of subsea pipeline.The semiquantitative evaluation method and qualitative evaluation method are used for subsea oil and gas pipeline stability risk evaluation.The results can be used for improving the accuracy of oil and gas pipeline risk assessment and promoting the related technical progress in.

subsea pipeline; oil and gas pipeline; risk evaluation; risk matrix; evaluation weight

TE973.92

A

2095-7297(2014)03-0195-05

2014-08-29

周子鵬(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事海底管道工程設(shè)計(jì)方面的研究。