朱 勇,林 冬,劉雅坤,陳 晶,秦 林
(1.中國石油化工股份有限公司天然氣分公司,北京100120;2.中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院,成都610041;3.四川蜀電集團有限公司,成都610000;4.中國石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司,蘭州730070)
基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀分析的管道失效頻率計算方法
朱 勇1,林 冬2,劉雅坤3,陳 晶4,秦 林2
(1.中國石油化工股份有限公司天然氣分公司,北京100120;2.中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院,成都610041;3.四川蜀電集團有限公司,成都610000;4.中國石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司,蘭州730070)
為了對運行管道完整性進行有效評價,利用自主建立的管道失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計了管道的基本失效頻率,并應用管道風險評分體系綜合考察了管道現(xiàn)狀,進而修正了管道的基本失效頻率。提出了基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀分析的管道失效頻率計算方法,給出了5類管道危害因素的修正因子公式,建立了管道風險評分體系。該體系包含第三方損壞、腐蝕、設計制造與施工缺陷、運行與維護誤操作、地質災害5個一級指標,權重分別為0.3、0.3、0.1、0.1和0.2,同時包含相應的27個二級指標,并通過算例演示了其適用性。
管道;失效數(shù)據(jù)庫;修正;失效頻率
管道運輸是油氣資源配送的主要方式,管道一旦發(fā)生泄漏、火災及爆炸等事故,則會對人民生命財產安全、生態(tài)環(huán)境產生極其嚴重的后果。如何保證管道安全平穩(wěn)運行,始終是管道企業(yè)乃至國家安全生產監(jiān)督管理部門關心的重大問題。而對管道進行風險評估正是解決這一問題的有效手段。目前,管道風險評價使用的技術手段按結果的量化程度通常劃分為定性、半定量和定量評價3類。定性、半定量的風險評價方法由于管道危害因素多、評價方法多、標準規(guī)范較少、數(shù)據(jù)支持少而經(jīng)常出現(xiàn)評價缺少依據(jù)、過度依靠經(jīng)驗等問題[1-2]。定量風險評價通過對單個事故頻率的計算得出最終事故的發(fā)生頻率,再結合量化后的事故影響后果計算出管道的風險值,是一種較為嚴密的評價方法,其評價結果在安全、成本、效益分析中具有重要的實用價值[3-6]。
管道的失效頻率是指一段時期內管道的失效次數(shù)與這段時期內管道系統(tǒng)總長的比值,該值是開展定量風險評價的必要數(shù)據(jù)。世界多個國家和組織已建立了專門記錄管道事故的數(shù)據(jù)庫,用于指導本國油氣管道的設計、建設和風險管理,管道失效頻率即可以從中統(tǒng)計得到。當前較為知名的管道失效數(shù)據(jù)庫有美國DOT數(shù)據(jù)庫、歐洲EGIG數(shù)據(jù)庫、英國UKOPA數(shù)據(jù)庫、加拿大NEB數(shù)據(jù)庫、澳大利亞POG數(shù)據(jù)庫等,這些油氣儲運行業(yè)發(fā)達國家和組織均應用數(shù)據(jù)庫開展了大量的風險管理工作。這種從數(shù)據(jù)庫歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到管道失效頻率的方法具有來源真實可靠、切合實際等優(yōu)點,在工程安全評價、定量風險評價中起到了重要作用。然而,該失效頻率數(shù)據(jù)畢竟由歷史統(tǒng)計而來,并不能完全表達管道的當前狀況。因此,需要有一種既能夠反映管道歷史失效狀況又能夠表示管道當前安全狀況的失效頻率計算方法。本研究即是從這一需求出發(fā),利用自主建立的管道失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計基本失效頻率,應用管道風險評分體系綜合考察管道現(xiàn)狀,進而修正基本失效頻率,最終得到更加科學合理的修正的管道失效頻率。
將天然氣管道的失效原因劃分為第三方損壞、腐蝕、設計制造與施工缺陷、運行與維護誤操作、地質災害5類,按此5類失效原因分別統(tǒng)計失效頻率。
根據(jù)國際通常做法[7],采用基于管道暴露值的計算方法來表示管道基礎失效頻率,即某段時期內每千米每年的管道失效次數(shù),即
式中:Ninc—某個時間段的管道失效次數(shù);
Exposure—管道暴露值,km·y。
管道暴露值由管線長度和管線被納入數(shù)據(jù)庫的時長組成。例如,A公司被數(shù)據(jù)庫監(jiān)控5年,擁有的管線長度保持為1 000km,則其管道暴露值為5×1 000,即5 000km·y。
管道失效數(shù)據(jù)庫是將管道運行中實際發(fā)生的事故及事件集合在一起,通過統(tǒng)計學的手段對數(shù)據(jù)進行組織與分析,從而形成便于使用者掌握管道歷史狀況、預測事故發(fā)生趨勢的基礎性風險管理工具。目前,世界上多數(shù)油氣儲運業(yè)發(fā)達國家均建立了管道失效或事故數(shù)據(jù)庫,用于指導本國油氣管道的設計、建設和風險管理[8-9]。中國石油西南油氣田公司根據(jù)50余年的管道運行管理經(jīng)驗,建立了起始自1969年的管道失效數(shù)據(jù)庫,涵蓋了公司管轄川渝地區(qū)所有的集輸、長輸天然氣管道,其總里程超過20 000km。通過該數(shù)據(jù)庫,管理者可以方便地進行管道基本信息及失效信息的查詢,并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算管道失效頻率。
管道基礎失效頻率的修正采用數(shù)據(jù)庫計算結合管道現(xiàn)狀評分的方法,根據(jù)管道失效數(shù)據(jù)庫得到基礎失效頻率,再分別通過管道現(xiàn)場調查對第三方損壞、腐蝕、設計制造與施工缺陷、運行與維護誤操作、地質災害5項危害因素進行評分,得到相應的失效可能性得分。評分法得到的分數(shù)需利用轉換公式將其得分轉換為修正因子。轉換關系設置的原則是以管道在當?shù)胤笤O的一般情況為評分基準,在此基礎上根據(jù)管道現(xiàn)狀進行評分,圍繞此一般情況給出或高或低的修正系數(shù)。一般情況時,可認為基礎失效頻率不需要進行修正,修正系數(shù)為1。
修正系數(shù)轉換公式為
式中:Nbase—管道現(xiàn)狀得分;
Ni—各項失效可能性評分基準值。
失效頻率修正方法流程如圖1所示。
圖1 失效頻率修正方法流程圖
管道基礎失效頻率修正系數(shù)的計算首先需要通過管道現(xiàn)場調查和資料收集分析等手段對第三方損壞、腐蝕、制造設計與施工缺陷、運行與維護誤操作、地質災害5項失效因素進行評分,得到相應的失效可能性得分,再根據(jù)轉換公式將得分轉化為修正因子。
2.3.2.1 第三方損壞
第三方損壞引起的管道失效具有較強的隨機性,需要研究和分析大量的管道失效數(shù)據(jù),才能找出相應的分布規(guī)律并建立有效的失效頻率預測模型,這里可采用以下兩種方法確定失效頻率。
(1)在有大量管道失效統(tǒng)計數(shù)據(jù)且管道信息齊全時,根據(jù)不同管道直徑、埋深、壁厚條件下的失效頻率,使用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行擬合分析。通過對比不同曲線的擬合精度,選用精度較高的曲線函數(shù)建立計算模型,實現(xiàn)不同管道直徑、埋深、壁厚條件下的失效頻率定量計算。
失效頻率計算表達式為
式中:F1—第三方損壞導致管道的失效頻率(修正后);
f(x1)、f(x2)、f(x3)—分別與管道的直徑、埋深、壁厚有關的函數(shù);
α1—第三方損壞修正系數(shù)。
(2)在收集到的管道信息數(shù)據(jù)量沒有達到方法(1)的要求時,第三方損壞導致的失效頻率計算表達式為
式中:f1—第三方損壞導致管道的失效頻率;
α1—第三方損壞修正系數(shù)。
根據(jù)管道企業(yè)運營經(jīng)驗并參考石油天然氣行業(yè)標準[10],對第三方損壞、腐蝕、制造設計與施工缺陷、運行與維護誤操作、地質災害5項危害因素進行評分體系設計。將第三方損壞失效可能性評分項設置為埋深(22.5分)、地面活動水平(45分)、管道標識(30分)、巡線頻率和巡線效果(30分)、公眾及政府保護態(tài)度(22.5分),應用相應的評分指標對評分項進行評分。
以川渝油氣田為例進行管道一般情況定義。經(jīng)過資料統(tǒng)計及現(xiàn)場調查,管道平均埋深約為1m。管道經(jīng)過地區(qū)主要以農田為主,地面活動水平低,管道沿線標識保護一般,存在少量缺失和破損,巡線頻率為每周一次,效果良好,管道保護與政府公眾建立了良好的協(xié)作保護機制。因此,以上述一般情況為評分基準,第三方損壞失效可能性得分為102.7分,即可以認為在這種情況下管道第三方損壞的失效頻率不需要修正,作為管道的基礎失效頻率,建立第三方損壞修正系數(shù)計算模型為
其中,N1為第三方損壞失效可能性現(xiàn)狀得分;第三方損壞修正系數(shù)α1為0.539~2。
2.3.2.2 腐蝕
腐蝕導致的管道失效頻率計算表達式為
式中:f2—腐蝕導致管道的失效頻率;
α2—腐蝕修正系數(shù)。
將腐蝕失效可能性評分項設置為介質腐蝕性(15分)、內腐蝕防護(15分)、土壤腐蝕或大氣腐蝕(15分)、陰極保護措施(15分)、陰極保護運行(15分)、陰極保護電位(15分)、雜散電流(15分)、深根植物分布(15分)、防腐層狀況(15分)、檢測時間(15分),應用相應的評分指標對評分項進行評分。
以川渝油氣田為例進行管道一般情況定義。經(jīng)過資料統(tǒng)計及現(xiàn)場調查,在一般情況下,腐蝕失效可能性得分為102分,即可認為在這種情況下,腐蝕失效頻率不需要修正,為管道的基礎失效頻率。建立腐蝕修正系數(shù)計算模型為
其中,N2為腐蝕失效可能性現(xiàn)狀得分;腐蝕修正系數(shù)α2為0.529~2。
2.3.2.3 設計制造與施工缺陷
設計制造與施工缺陷導致失效頻率計算表達式為
式中:f3—設計制造與施工缺陷導致的管道失效頻率;
α3—設計制造與施工缺陷修正系數(shù)。
將設計制造與施工缺陷失效可能性評分項設置為運行安全裕量(7.5分)、鋼管材料選擇(10分)、施工檢驗(12.5分)、施工質量(20分),應用相應的評分指標對評分項進行評分。
以川渝油氣田為例進行管道一般情況定義。經(jīng)過資料統(tǒng)計及現(xiàn)場調查,在一般情況下,設計制造與施工缺陷失效可能性得分為33分,即可以認為在這種情況下,設計制造與施工缺陷的失效頻率不需要修正,作為管道的基礎失效頻率。建立設計制造與施工缺陷修正系數(shù)計算模型為
其中,N3為設計制造與施工缺陷失效可能性現(xiàn)狀得分。設計制造與施工缺陷修正系數(shù)α3為0.485~2。
2.3.2.4 運行與維護誤操作
運行與維護誤操作導致失效頻率計算表達式為
式中:f4—運行與維護誤操作導致管道的失效頻率;
α4—運行與維護誤操作修正系數(shù)。
將運行與維護誤操作失效可能性評分項設置為員工培訓(12.5分)、數(shù)據(jù)與資料管理(12.5分)、維護計劃的執(zhí)行(12.5分)、線路保護構筑物狀況(12.5分),應用相應評分指標對評分項評分。
以川渝油氣田為例進行管道一般情況定義。經(jīng)過資料統(tǒng)計及現(xiàn)場調查,在一般情況下,運行與維護誤操作失效可能性得分為33分,即可以認為在這種情況下,運行與維護誤操作的失效頻率不需要修正,作為管道的基礎失效頻率。建立運行與維護誤操作修正系數(shù)計算模型為
其中,N4為設計制造與施工缺陷失效可能性現(xiàn)狀得分。運行與維護誤操作修正系數(shù)α4為0.507~2。
2.3.2.5 地質災害
地質災害導致失效頻率計算表達式為
式中:f5—地質災害導致管道的失效頻率;
α5—地質災害修正系數(shù)。
將地質災害失效可能性評分項設置為地形地貌(25分)、管道敷設方式(25分)、人類工程活動(25分)、地質災害防治情況(25分),應用相應的評分指標對評分項進行評分。
以川渝油氣田為例進行管道一般情況定義。經(jīng)過資料統(tǒng)計及現(xiàn)場調查,在一般情況下,管道地質災害失效可能性平均得分為75分,即可以認為在這種情況下,管道地質災害的失效頻率不需要修正,即為管道的基礎失效頻率。建立地質災害修正系數(shù)計算模型為
其中,N5為地質災害失效可能性現(xiàn)狀得分;地質災害修正系數(shù)α5為0.667~2。
根據(jù)修正系數(shù)分別對第三方損壞、腐蝕、設計制造與施工缺陷、運行與維護誤操作、地質災害導致的失效頻率進行修正,將各失效頻率相加,得到式(14)所示修正的管道失效頻率
其中,F(xiàn)i為通過第三方損壞、腐蝕、設計制造與施工缺陷、運行與維護誤操作、地質災害5項修正因子修正后的失效頻率。
選取川渝氣田某管道進行失效頻率修正系數(shù)計算應用。該管道為原料氣集氣支線,輸送含硫濕氣,2009年11月建成投產,管線全長22.7km,管線規(guī)格Φ273mm×11mm,管材為L245 NCS,三層PE防腐,設計輸氣量為116×104m3/d,設計壓力7.85MPa。假設已對該管道進行了風險管段劃分,選取其中某管段作為分析對象。
管道面臨來自第三方損壞、腐蝕、制造設計與施工缺陷、運行與維護誤操作、地質災害5方面的威脅,對應每一類危害因素進行失效頻率和修正因子的分析。由于該管道屬川渝油氣田管轄,因此可采用川渝氣田管道失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計得出的基礎失效頻率,在此基礎上通過前文所述方法進行修正。
3.1.1.1 管道直徑
根據(jù)管道失效數(shù)據(jù)庫,統(tǒng)計由于第三方損壞造成的失效事件,以確定失效頻率與不同的管徑范圍的對應關系。失效數(shù)據(jù)見表1。采用最小二乘法對表1數(shù)據(jù)進行擬合,可得不同回歸模型的管徑與事故頻率預測值,如圖2所示。不同一元線性回歸模型預測精度對比結果見表2。
表1 第三方損壞導致的事故頻率與管道直徑的關系
圖2 不同回歸方程的事故頻率與管道直徑的關系數(shù)據(jù)擬合圖
表2 不同一元線性回歸模型對事故頻率與管道直徑關預測精度對比
由表2可知,指數(shù)函數(shù)的判定系數(shù)最大,顯著性最高,故得到數(shù)學表達式為
式中:y1—與管道直徑有關的第三方損壞導致的失效頻率,10-3/(km·y);
x1—管道直徑,mm。
因此,可確定式(3)中 f(x1)的函數(shù)表達式為
3.1.1.2 管道埋深
根據(jù)管道失效數(shù)據(jù)庫,統(tǒng)計由第三方損壞引起的失效事件,以確定失效頻率與埋深的對應關系。失效數(shù)據(jù)見表3。
表3 第三方損壞事故頻率與埋深的關系
采用最小二乘法對表3數(shù)據(jù)進行擬合,可得不同回歸模型的埋深與事故頻率預測值,如圖3所示。不同一元線性回歸模型對事故模型與管道埋深關系的預測精度對比結果見表4。
圖3 不同回歸方程的事故頻率與管道埋深的關系數(shù)據(jù)擬合圖
表4 不同一元線性回歸模型對事故頻率與管道埋深關系的預測精度對比
由表4可知,多項式的判定系數(shù)最大,顯著性最高,故得到數(shù)學表達式為
式中:y2—與埋深有關的第三方損壞導致的失效頻率,10-3/(km·y);
x2—管道埋深,cm。
因此,可確定式(3)中 f(x2)的函數(shù)表達式為
3.1.1.3 管道壁厚
根據(jù)管道失效數(shù)據(jù)庫,統(tǒng)計由第三方損壞引起的失效事件,以確定失效頻率與管道壁厚的對應關系。失效數(shù)據(jù)見表5。
表5 第三方損壞事故頻率與壁厚的關系
采用最小二乘法對表5數(shù)據(jù)進行擬合,可得不同回歸模型的壁厚與事故頻率預測值,如圖4所示。不同一元線性回歸模型對事故頻率與管道壁厚關系的預測精度對比結果見表6。
圖4 不同回歸方程的事故頻率與管道壁厚的關系數(shù)據(jù)擬合圖對比
表6 不同一元線性回歸模型對事故頻率與管道壁厚關系的預測精度對比
由表6可知,多項式的判定系數(shù)最大,顯著性最高,故得到數(shù)學表達式為
式中:y3—與壁厚有關的第三方損壞導致的失效頻率,10-3/(km·y);
x3—管道壁厚,mm。
因此,可確定式(3)中 f(x3)的函數(shù)表達式為
由式(16)、(18)、(20)可得出,利用管道失效數(shù)據(jù)庫得到第三方損壞導致的管道失效頻率為
3.1.1.4 修正因子計算
根據(jù)該管道相關資料及現(xiàn)場情況,依據(jù)修正系數(shù)計算模型,其得分情況為:①埋深18.65分;②地面活動水平(低活動水平)36分;③管道標識(一般)15分;④巡線頻率(每周一次)12分;⑤巡線效果(優(yōu))1分;⑥公眾及政府保護態(tài)度(積極)22.5分。
綜上,第三方損壞得分為105.15分。根據(jù)式(5)計算修正因子 α1=0.98。
(1)基礎失效頻率。利用管道失效數(shù)據(jù)庫,計算管道投運至今由腐蝕導致的失效頻率f2=3.01×10-3次/(km·y)。
(2)修正因子計算。根據(jù)該管道相關資料及現(xiàn)場調查情況,依據(jù)修正系數(shù)計算模型,其得分情況為:①介質腐蝕性(濕含硫天然氣)0分;②內腐蝕防護(定期清管3分、內腐蝕監(jiān)測3分、內涂層6分);③土壤腐蝕或大氣腐蝕(中等腐蝕性)10分;④陰極保護措施(有陰極保護)15分;⑤陰極保護運行(運行率大于98%且管道有效保護率為100%)15分;⑥陰極保護電位(-0.85~-1.2V)15分;⑦雜散電流(有排流措施且運行良好)12分;⑧深根植物分布(管道兩側5m范圍內無可能損壞管道防腐層的深根植物)15分;⑨防腐層狀況(一般)9分;⑩檢測時間(2012年7月進行過漏磁檢測)0分。
綜上,腐蝕得分為103分。根據(jù)式(7)計算修正因子α2=0.99。
(1)基礎失效頻率。利用管道失效數(shù)據(jù)庫,計算管道投運至今由設計制造與施工缺陷導致的管道失效頻率 f3=1.94×10-4次/(km·y)。
(2)修正因子計算。根據(jù)該管道相關資料及現(xiàn)場調查情況,依據(jù)修正系數(shù)計算模型,其得分情況為:①運行安全裕量5.7分;②鋼管材料選擇(符合設計材料原則)10分;③施工檢驗(施工全過程均有完整的檢驗記錄)12.5分;④施工質量(工藝合理、施工規(guī)范)20分。
綜上,設計制造與施工缺陷得分為48.2分。根據(jù)式(9)計算修正因子α3=0.54。
(1)基礎失效頻率。利用管道失效數(shù)據(jù)庫,計算管道投運至今由運行與維護誤操作導致的管道失效頻率 f4=3.53×10-5次/(km·y)。
(2)修正因子計算。根據(jù)該管道相關資料及現(xiàn)場調查情況,依據(jù)修正系數(shù)計算模型,其得分情況為:①員工培訓(通用科目-產品特性3.5分、維護維修3分、崗位操作規(guī)程6分等);②數(shù)據(jù)與資料管理(有)7分;③維護計劃執(zhí)行(有計劃但部分未執(zhí)行)7分;④線路保護構筑物狀況(狀況良好)12.5分。
綜上,運行與維護誤操作得分為39分。根據(jù)式(11)計算修正因子α4=0.82。
(1)基礎失效頻率。利用管道失效數(shù)據(jù)庫,計算管道投運至今由地質災害導致的失效頻率f5=0.795×10-5次/(km·y)。
(2)修正因子計算。根據(jù)該管道相關資料及現(xiàn)場調查情況,依據(jù)修正系數(shù)計算模型,其得分情況為:①地形地貌(黃土地、臺田地)15分;②管道敷設方式(在臺田地敷設)20分;③人類工程活動(農田)20分;④自然與地質災害防治情況(已識別且已治理)22分。
綜上,自然與地質災害得分為77分。根據(jù)公式(13)計算修正因子α5=0.97。
分別計算不同危害因素下的管道失效頻率,然后計算修正后的管道失效頻率,計算過程如下。
第三方損壞:F1=(f(x1)+f(x2)+f(x3))α2=8.01×10-5×0.98=7.85×10-5;
腐蝕:F2=α2f2=2.98×10-3;
設計制造與施工缺陷: F3=α3f3=1.05×10-4;
運行與維護誤操作: F4=α4f4=2.98×10-5;
自然與地質災害: F5=α5f5=0.77×10-5。
因此,計算該管段失效頻率為
基于管道失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計數(shù)據(jù)與管道現(xiàn)狀評分,建立了一個管道失效頻率的計算方法,并通過算例演示了其適用性。該方法綜合歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的客觀性及管道現(xiàn)狀評分的合理性,有效地將管道失效頻率的定量計算與定性評價結合了起來,為管道風險評價中的失效頻率計算提供了一個新的途徑。
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A Calculation Method of Pipeline Failure Frequency Based on Statistical Data and Status Analysis
ZHU Yong1,LIN Dong2,LIU Yakun3,CHEN Jing4,QIN Lin2
(1.Gas Company,China Petroleum&Chemical Corporation,Beijing 100120,China;2.Institute of Safety,Environment Protection and Technical Supervision,Petrochina Southwest Oil and Gasfield Company,Chengdu 610041,China;3.Sichuan Shudian Group Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China;4.Lanzhou Oil and Gas Transportation Branch Company,Petrochina Southwest Pipeline Company,Lanzhou 730070,China)
In order to effectively assess operation pipeline integrity,the basic failure frequency for pipeline was carried out statistics by using Independent establishment pipeline failure database,and applied the pipeline risk scoring system to investigate the current situation of the pipeline,and then modified the basic failure frequency.Based on statistical data and current situation analysis,the calculation method of pipeline failure frequency was proposed,and the correction factor formula of five kinds of pipeline hazard factor was given.The pipeline risk scoring system was established.The system included the third party damage,corrosion,design and manufacture,construction defects,operation and maintenance misoperation,geological disasters in five weights respectively 0.3,0.3,0.1,0.1,0.2 level indicators and corresponding 27 second level indicators.The example demonstrated its applicability.
pipeline;failure database;correction;failure frequency
TE88
B
10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.011
朱 勇(1964—),高級工程師,1987年畢業(yè)于西南石油學院油氣儲運專業(yè),現(xiàn)主要從事長輸天然氣管道生產運行與安全管理工作。
2016-04-20
李 超