大港油田管道風(fēng)險評價方法研究與應(yīng)用

鄒曉燕，崔 鵬，王樹好，翟會英，蔡維國

(1.大港油田采油工藝研究院 天津300280；2.大港油田勘探開發(fā)研究院 天津300280)

國家新《安全生產(chǎn)法》和《環(huán)境保護法》相繼頒布以及油田自身發(fā)展提質(zhì)降本增效的迫切需求，都對油氣田管道安全運行管理提出了更嚴(yán)格的要求。油氣集輸管道是油田開發(fā)和生產(chǎn)中不可或缺的重要組成部分，它在整個油氣運輸過程中發(fā)揮著巨大的作用，具有敷設(shè)里程長，穿越地區(qū)廣的特點。大港油田集輸管道運行時間長、腐蝕老化嚴(yán)重，發(fā)生泄露事件呈逐年增多趨勢，特別是管道沿線既經(jīng)過居民區(qū)、廠礦企業(yè)等人口密集區(qū)，還穿越鹽堿荒地、濕地、河流等環(huán)境敏感區(qū)以及第三方破壞易發(fā)區(qū)等，在這些區(qū)域一旦發(fā)生管道失效事件，將對居民生命財產(chǎn)及周邊環(huán)境構(gòu)成潛在威肋。因此，為提高油田集輸管道本質(zhì)安全，控制運行風(fēng)險，有必要對油田在役集輸管道實施風(fēng)險評價。

1 管道風(fēng)險評價發(fā)展歷程

1.1 國外發(fā)展歷程

20世紀(jì)30年代，風(fēng)險評價理論和方法誕生于美國的保險行業(yè)，到 50年代，風(fēng)險評價逐漸發(fā)展成為一門學(xué)科。20世紀(jì) 60年代以來，系統(tǒng)的風(fēng)險評價理論陸續(xù)推廣到航空、航天、石油、化工、核工業(yè)等領(lǐng)域，各種評價分析方法也不斷得到發(fā)展和完善，相應(yīng)的法律法規(guī)也應(yīng)運而生。

從20世紀(jì)70年代開始，世界主要工業(yè)發(fā)達國家在第二次世界大戰(zhàn)之后興建的大量油氣輸送管道逐漸進入了老齡期，為延長油氣管道的使用壽命，減少事故的發(fā)生頻率，美國部分管道公司開始嘗試用風(fēng)險評價技術(shù)對老管道的風(fēng)險性進行評估。1985年，美國Battelle Columbus研究院發(fā)表了《風(fēng)險調(diào)查指南》，在管道風(fēng)險分析方面首次應(yīng)用了評分法。1992年，著名油氣管道專家 W.Kent.Muhlbauer撰寫的《管道風(fēng)險管理手冊》，首次詳細(xì)描述了管道風(fēng)險評估模型及其評價方法。從20世紀(jì)80年代中后期開始，世界上其他工業(yè)發(fā)達國家也加入了對油氣管道風(fēng)險評價技術(shù)和風(fēng)險管理技術(shù)的開發(fā)研究和應(yīng)用行列，到 90年代初，各種風(fēng)險管理理論的研究得到了系統(tǒng)化，并形成了較為完善的風(fēng)險管理體系。

1.2 國內(nèi)發(fā)展歷程

在我國，有關(guān)國外的油氣管道風(fēng)險評價技術(shù)方面的介紹最早是由著名的油氣儲運專家潘家華教授提出的，1995年，潘家華教授在《油氣儲運》雜志上發(fā)表了“油氣管道的風(fēng)險分析”一文，詳細(xì)介紹了美國著名油氣管道風(fēng)險管理專家 W.Kent.Muhlbauer提出的管道風(fēng)險管理評分法，此后風(fēng)險評價在油氣管道安全性評價中的研究與應(yīng)用逐漸得到有關(guān)科技人員及部分油田企業(yè)的重視。2000年，西南石油學(xué)院與中國石油西南油氣田分公司共同開發(fā)了“輸氣管線風(fēng)險評價軟件”，并在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了較好的效果。2010年中國石油管道科技研究中心對肯特評分法的評價指標(biāo)進行了修改和完善，建立了 RiskScore管道風(fēng)險評分系統(tǒng)，使其更適用于我國油氣管道的風(fēng)險評價。

2014年，中國石油天然氣集團公司發(fā)布了管道風(fēng)險評價企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)中僅有半定量風(fēng)險評價方法，且方法是采用矩陣風(fēng)險等級評價方法，存在風(fēng)險等級評價結(jié)果缺乏量化，不便于現(xiàn)場人員操作的欠缺，同時在該標(biāo)準(zhǔn)半定量風(fēng)險評價中，針對腐蝕因素、第三方破壞、制造與施工缺陷、誤操作、地質(zhì)災(zāi)害[1]五要素的權(quán)重是按照等比考慮，沒有考慮各要素權(quán)重差異。因此，評價出的結(jié)果不能客觀真實地反映管道實際風(fēng)險等級，而且并不適應(yīng)油氣田領(lǐng)域的管道風(fēng)險評價。此后根據(jù)大港油田自身特點，通過研究適合大港油田原油物性、輸送介質(zhì)、土壤腐蝕性、地形地貌等需求的管道風(fēng)險評價實施細(xì)則，建立了適合大港油田的管道定性風(fēng)險評價方法和管道半定量風(fēng)險評價方法。該方法操作性強，簡單實用，便于現(xiàn)場操作人員實施評價，有效指導(dǎo)生產(chǎn)單位開展在役管道定性和半定量風(fēng)險評價工作，進而制定有針對性的、切實可行的、有效的風(fēng)險控制措施和對策[2]，將風(fēng)險控制在合理、可接受的范圍內(nèi)，使管道始終處于可控狀態(tài)，旨在提高地面管道的本質(zhì)安全，降低盲目更新改造管道投資，為管道的安全運行和運行維護提供科學(xué)合理的技術(shù)對策，其研究成果為大港地面管道風(fēng)險評價工作探索了新的模式。

2 在役管道定性風(fēng)險評價研究

在役管道定性風(fēng)險評價[3]的目的是識別對管道安全運行有不良影響的危險因素，評價設(shè)施失效發(fā)生的可能性和后果，綜合得到在役管道定性風(fēng)險等級，并提出相應(yīng)風(fēng)險控制措施[4-6]的分析過程。

2.1 在役管道失效可能性定性評價研究

在役管道失效可能性[7-8]定性評價，是根據(jù)大港油田的生產(chǎn)特點、地域環(huán)境和土壤性質(zhì)，管道失效可能性主要考慮腐蝕和第三方破壞2大類因素，在股份公司油田集輸管道檢測評價及修復(fù)技術(shù)導(dǎo)則(下面簡稱股份公司技術(shù)導(dǎo)則)的基礎(chǔ)上，增加了輸送介質(zhì)含水率(含水率以 25%為界限)、管道外防腐工藝(增加環(huán)氧酚醛、內(nèi)襯 PE、復(fù)合管等)、管道內(nèi)防腐工藝(增加 H87、環(huán)氧酚醛、內(nèi)襯 PE、不銹鋼、高溫環(huán)氧粉末等)、管道外防腐層等級所占比例、管道是否進行修復(fù)等多項評價指標(biāo)，使評價指標(biāo)更貼近油田生產(chǎn)實際，滿足了評價的目的(表1)。

評價指標(biāo)分為3個等級，根據(jù)風(fēng)險失效可能性指標(biāo)確定每項等級。將失效可能性各項指標(biāo)等級之和除以評價項數(shù)后向上圓整，即得到失效可能性等級，計算公式如下：

表1 失效可能性指標(biāo)等級表Tab.1 Failure probability index grade table

2.2 在役管道失效后果定性評價研究

股份公司技術(shù)導(dǎo)則在管道失效后果[9-10]定性評價上只考慮5項評價指標(biāo)，結(jié)合油田的地域特點和輸送介質(zhì)進行優(yōu)化調(diào)整，增加了自然保護區(qū)、生態(tài)用地區(qū)、海域、河流、鹽池、蝦池、排水渠等 8項評價指標(biāo)，從而使評價指標(biāo)更加科學(xué)合理(表2)。

在役管道失效后果定性評價指標(biāo)分別分為 3個等級，將失效后果各項指標(biāo)等級之和除以評價項數(shù)后向上圓整，即得到失效后果等級，計算公式如下：

2.3 風(fēng)險等級劃分

根據(jù)事故發(fā)生的失效可能性等級和失效后果等級，采用風(fēng)險矩陣法，將風(fēng)險等級分為 3級：低、中、高，如表3所示。

風(fēng)險等級與風(fēng)險消減措施要求見表4。

表2 管道失效后果等級表Tab.2 Pipe failure consequence grade table

表3 風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Risk grade standards

表4 風(fēng)險等級劃分Tab.4 Risk classification

3 在役管道半定量風(fēng)險評價方法研究

在役管道半定量風(fēng)險評價[11]是指識別對管道安全運行有不良影響的危害因素，評價失效可能性半定量和失效后果半定量的大小，綜合得到在役管道的風(fēng)險值，并提出相應(yīng)風(fēng)險控制措施的分析過程。

3.1 風(fēng)險值的計算

按照半定量風(fēng)險評價方法，采用專家打分法對管道失效可能性和失效后果進行評分，利用分值表示管道風(fēng)險的相對大小，風(fēng)險值計算公式如下：

其中：R為風(fēng)險值，P為失效可能性分值，C為失效后果分值。

3.2 在役管道失效可能性半定量評價

3.2.1 失效可能性半定量指標(biāo)等級

股份公司技術(shù)導(dǎo)則在失效可能性半定量指標(biāo)上主要考慮管道運行年限、穿孔次數(shù)、陰極保護 3個因素，但結(jié)合油田現(xiàn)場應(yīng)用情況，在管道腐蝕上增加了管道內(nèi)外防腐工藝、輸送介質(zhì)含水率、溫度、氯離子含量、土壤電阻率等12個因素(表5)；在第三方破壞主要考慮管道巡線頻率、周邊有無施工和占壓等6個因素(表6)。失效可能性半定量評價指標(biāo)分為5個等級，根據(jù)不同評價項目賦予不同等級，能夠較為客觀真實地評價管道失效風(fēng)險等級。

3.2.2 失效可能性因素權(quán)重

結(jié)合大港油田實際，確定腐蝕與第三方破壞因素的權(quán)重系數(shù)(表7)。

表5 管道腐蝕失效可能性指標(biāo)等級表Tab.5 Index grade of pipeline corrosion failure

表6 第三方破壞失效可能性指標(biāo)等級表Tab.6 Third party failure probability index grade table

表7 失效可能性因素權(quán)重系數(shù)Tab.7 Weight coefficients of failure probability factors

3.2.3 失效可能性計算

在役管道失效可能性分值P是腐蝕各項指標(biāo)等級之和與其權(quán)重的乘積加上第三方破壞各項指標(biāo)等級之和與其權(quán)重的乘積。計算公式如下：

3.3 在役管道失效后果半定量評價

3.3.1 失效后果指標(biāo)等級

失效后果考慮輸送介質(zhì)、運行壓力、敷設(shè)方式等因素，根據(jù)油田地處環(huán)境，在敷設(shè)方式和埋設(shè)地類增加了瀕臨或穿越海域、河流、鹽田、鹵池、養(yǎng)蝦池等評價因素，根據(jù)管道基本參數(shù)及所處的環(huán)境，結(jié)合評價項目賦予不同等級，使評價結(jié)果更加客觀可行。

3.3.2 失效后果因素權(quán)重

按照安全、環(huán)境第一，兼顧生產(chǎn)的原則，根據(jù)油田地域條件和生產(chǎn)現(xiàn)狀，土壤介質(zhì)對管道使用壽命影響最大，其次是管道輸送介質(zhì)、敷設(shè)方式和管道類別，因此確定各后果因子權(quán)重系數(shù)(表8)。

表8 失效后果因素權(quán)重系數(shù)Tab.8 Weight coefficient of failure consequence factors

3.3.3 失效后果計算

管道失效后果分值C是將敷設(shè)方式、埋設(shè)地類、管道規(guī)格、管道類別所得后果分值與各自權(quán)重系數(shù)相乘然后求和得到，計算公式如下：

3.4 風(fēng)險等級劃分

根據(jù)風(fēng)險分布的特征規(guī)律，以風(fēng)險值從高到低的區(qū)間為依據(jù)，將風(fēng)險區(qū)間的前 10%、10%～20%對應(yīng)的風(fēng)險值作為各等級風(fēng)險界限，分為高、中、低 3個風(fēng)險等級。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

例如板橋油田某原油外輸管道于 2003年投產(chǎn)，規(guī)格為Ф159×6，全長 16.3km，管道防腐采用環(huán)氧煤瀝青、硅酸鹽保溫。2016年對該管道進行部分更新改造，管道規(guī)格 DN150，更新管道 10.89km，管道防腐采用三層PE，聚氨酯泡沫塑料保溫。由于管道是由不同投產(chǎn)年限的管道組成，對該管道不同投產(chǎn)時期的管段分別進行半定量風(fēng)險評價。

該管道失效可能性從管道腐蝕可能性和第三方破壞可能性2方面進行打分評價，則老管道腐蝕可能性得 32分，第三方破壞失效可能性得 16分；新管道腐蝕可能性得22分，第三方破壞失效可能性得12分。老管道、新管道失效可能性得分具體如下：

老管道失效可能性＝

32×80%+16×20%＝28.8

新管道失效可能性＝

22×80%+12×20%＝20

管道失效后果從敷設(shè)方式、埋設(shè)地類、管道規(guī)格、管道類別 4個方面分別打分評價，則老管道、新管道失效后果得分具體如下：

老管道失效后果＝24×20%+

26×35%+2×20%+4×25%＝15.3

新管道失效后果＝24×20%+

32×35%+2×20%+4×25%＝17.4

則老管道風(fēng)險值＝老管道失效可能性×

老管道失效后果＝28.8×15.3＝440.6

新管道風(fēng)險值＝新管道失效可能性×

新管道失效后果＝20×17.4＝348

根據(jù)管道風(fēng)險評價結(jié)果，板橋油田某外輸管道老管道屬于高風(fēng)險管道，新管道屬于中等風(fēng)險管道，經(jīng)過分析對比，識別出的高風(fēng)險管道運行年限達到16年，平均土壤電阻率 3.9Ω·m，管道周邊存在第三方施工情況，同時這些管道大多埋設(shè)在城鎮(zhèn)居民區(qū)、樓區(qū)或瀕臨、穿越河流等區(qū)域。因此，管道風(fēng)險評價方法較好地反映了管道的真實風(fēng)險狀況。

目前，研究成果已在大港油田全面推廣應(yīng)用，共計完成 2635km管道的風(fēng)險評價，識別出高風(fēng)險管道 187km。通過風(fēng)險評價工作，明確了管道管理重點，僅對高風(fēng)險管道采取進一步措施，實施有針對性的檢測評價，與全部管道均開展檢測評價相比，節(jié)省運行成本 980萬元。同時開展管道風(fēng)險評價，為管道的更新改造提供科學(xué)客觀的技術(shù)依據(jù)，大幅降低了地面管道改造資金，年可降低工程改造資金 2000萬元以上，節(jié)約污染賠償費用 500萬元，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

5 結(jié) 論

研究建立了適應(yīng)于大港油田管道輸送介質(zhì)、復(fù)雜地表環(huán)境的定性和半定量管道風(fēng)險評價方法，解決了制約管道風(fēng)險評價技術(shù)在油氣田領(lǐng)域的應(yīng)用瓶頸，并形成了《大港油田油氣生產(chǎn)管道風(fēng)險評價實施細(xì)則》，填補了油田在管道風(fēng)險評價方面的技術(shù)空白。該成果已在大港油田全面推廣應(yīng)用，能夠快速判定管道的風(fēng)險程度和等級，評價結(jié)果較好地反映了管道的真實風(fēng)險狀況，為管道的維護和更新改造提供科學(xué)依據(jù)，并大幅降低地面管道更新改造投資，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場工程的實施。