基于完整性管理的集輸埋地管道風(fēng)險評估

李玉閣 陳曉林 宋文明 李金瑞 林海萍 何等江

1. 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司, 甘肅 蘭州 730070;2. 機械工業(yè)上海藍亞石化設(shè)備檢測所有限公司, 上海 201518;3. 岳陽建華工程有限公司, 湖南 岳陽 414000;4. 上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司, 上海 201518

0 前言

目前,中國早期開發(fā)的油氣田集輸管道服役已達20～30 a,由于長期埋在地下,受土壤環(huán)境、地勢下沉、腐蝕介質(zhì)等因素影響,易出現(xiàn)管道防腐層破損、穿孔、泄漏等現(xiàn)象,甚至引起突發(fā)的火災(zāi)、爆炸等惡性事故,危及人身財產(chǎn)安全[1-2]。依靠經(jīng)驗和領(lǐng)導(dǎo)決策等傳統(tǒng)應(yīng)急搶險管理模式對潛在風(fēng)險缺乏預(yù)見性和針對性,很難滿足集輸系統(tǒng)風(fēng)險和可靠性等本質(zhì)安全識別日益嚴峻的需求。近年來，以預(yù)防為主的管道完整性管理模式陸續(xù)在各油田推廣應(yīng)用,深入研究制約管道完整性運行的各種基本要素,對潛在的高風(fēng)險誘因開展辨識和定位工作,不斷完善管道高風(fēng)險損傷防控體系,全面推行管道本質(zhì)安全有效性預(yù)防措施,將管道長期保持完整、受控、安全的狀態(tài),縱貫于設(shè)計、施工、運行、廢棄的全壽命周期,保障集輸系統(tǒng)管道安全平穩(wěn)運行[3-7]。

基于風(fēng)險的檢驗(Risk Based Inspection,RBI)重點保障壓力設(shè)備機械完整性以及降低因為完整性損傷導(dǎo)致內(nèi)部介質(zhì)受損失的可能性,通過對失效模式的識別與評價來提高設(shè)備的可靠性[8-10]。而管道完整性管理包含資料收集、風(fēng)險評價、完整性評價、維修維護及效能評價等內(nèi)容,以保障管道系統(tǒng)的本質(zhì)安全為終極目標。RBI的設(shè)備信息收集工作和風(fēng)險分析全過程是管道完整性管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié),二者的理念是貫穿和相通的[11-13],但現(xiàn)階段集輸系統(tǒng)管道風(fēng)險評估卻未能有效融入到風(fēng)險管理中,風(fēng)險評估并未將風(fēng)險管理確立為分析的主要影響因素考量,風(fēng)險評估對完整性管理缺乏指導(dǎo)性和實用性,應(yīng)用效果不佳。

1 風(fēng)險評估存在問題

1.1 風(fēng)險評估理念尚待改善

集輸管道完整性管理風(fēng)險評估過程中,風(fēng)險分析與風(fēng)險管理工作的開展相對獨立,評估人員與管道管理人員、工藝人員缺乏有效的溝通與交流,僅僅以損傷模式、風(fēng)險排序來完成評估的主要工作量,未實現(xiàn)基于風(fēng)險來改進日常設(shè)備管理方法以及優(yōu)化工藝控制指標等。評估過程中沒有從管理的角度出發(fā),對風(fēng)險點進行全方位可操作、易把控的風(fēng)險控制措施研究,缺少直接有效的調(diào)控手段和風(fēng)險監(jiān)控措施,未將損傷模式識別理念落實到管道日常安全管理工作中[14-15]。

1.2 管道管理數(shù)據(jù)庫維護滯后

目前，國內(nèi)集輸系統(tǒng)油氣管道普遍存在設(shè)計、制造、維修數(shù)據(jù)不完整、不精確的問題,如建設(shè)期和運營期的標段號、設(shè)計樁號、竣工樁號不匹配；管道運行多年維修改造變更較大,地理位置與樁號不匹配；管道的影像資料、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫；管道交叉多,加上土壤沉降、管道變形、地面標識缺失或不清晰,缺乏跟蹤和有效管理[16-17]。這些問題影響風(fēng)險分析和完整性評價的準確性,風(fēng)險點難以精確定位,巡線或管理人員難以對風(fēng)險點進行必要的日常管控或定期檢修。

1.3 風(fēng)險評估分段不明確、不合理

風(fēng)險評估分段一般從管道工況、規(guī)格、投用年限、內(nèi)容物易燃易爆特性、人員活動狀況等方面進行考慮,主要從管道失效后果方面進行區(qū)段界定,而這些風(fēng)險因素在管道全壽命周期是相對固定不變或可以通過現(xiàn)有技術(shù)手段準確檢測的,分段結(jié)果對管道風(fēng)險點的日常管理指導(dǎo)性不強。而失效可能性要素是風(fēng)險評估中的重要變量,尤其是內(nèi)部腐蝕,每一種失效模式都有其發(fā)生的條件和敏感環(huán)境(如層狀流腐蝕較嚴重之處主要分布在管道沿線實際傾角大于臨界傾角等腐蝕性介質(zhì)易凝聚濃縮的部位),能否精確定位主要損傷敏感部位,直接影響管道的日常安全運行。

1.4 風(fēng)險評估損傷模式不完整

集輸管道完整性管理風(fēng)險評估損傷模式中內(nèi)部腐蝕模塊,主要考慮H2S、CO2等有害介質(zhì)導(dǎo)致的減薄或開裂,缺少對集輸管道運行工藝波動引發(fā)的兩相流對腐蝕影響的考慮[18]?，F(xiàn)場檢驗中發(fā)現(xiàn)相似工況時靜態(tài)下的腐蝕速率為0.05 mm/a,層流下的腐蝕速率為0.1 mm/a,段塞流下的腐蝕速率達1.8 mm/a,兩相流可顯著地加劇腐蝕速率,是許多管道短期腐蝕穿孔泄漏的主要原因。輸油管道中較常見的段塞流,在介質(zhì)流動過程中會不斷產(chǎn)生渦流,段塞流體中液體混入氣體,將轉(zhuǎn)化成大小不一的空泡,這些空泡受壓破裂對管道內(nèi)壁造成非常大的沖擊,反復(fù)破壞管道內(nèi)壁的保護性腐蝕產(chǎn)物膜,導(dǎo)致其局部厚度嚴重地減薄。

1.5 風(fēng)險后果計算評估軟件的滯后

以挪威船級社(中國)有限公司(DNV GL)的Synergi Plant RBI Onshore軟件為例,后果計算主要通過介質(zhì)、材質(zhì)、規(guī)格、成本、人員密度、影響范圍等要素，確定人員受傷、業(yè)務(wù)影響、易燃易爆特性及環(huán)境破壞性作為后果判定的主要依據(jù),敷設(shè)方式、埋設(shè)地類未納入計算程序,不能準確體現(xiàn)管道占壓、穿越等常見因素的后果影響。

1.6 高風(fēng)險點未實現(xiàn)精準定位管理

埋地管道與工業(yè)管道相比風(fēng)險管理存在天然的劣勢,風(fēng)險點難以精確定位,可預(yù)防的風(fēng)險、風(fēng)險點不能實現(xiàn)可視化監(jiān)管,評估結(jié)果對設(shè)備管理者指導(dǎo)性不強,缺少埋地管道風(fēng)險點與日常地面上風(fēng)險管理的聯(lián)系紐帶,未實現(xiàn)對基于損傷機理確定的高風(fēng)險點精準定位管理,定期的檢維修也主要依據(jù)法規(guī)采取抽查的方式進行,缺乏針對性和有效性。

2 基于管道完整性管理風(fēng)險評估目標

基于管道完整性管理理念,管道風(fēng)險評估的執(zhí)行要把為管道日常管理服務(wù)作為出發(fā)點,明確主要損傷誘因(外部損傷、內(nèi)部損傷、第三方破壞)，量化管道完整性失效的可能性、后果及其嚴重程度,評估結(jié)果要便于對高風(fēng)險點精確定位、易開展針對性檢驗檢測,明確日常風(fēng)險巡查維護重點,并提出有效手段改進風(fēng)險要素的主要操控變量。將完整性管理理念縱貫于管道風(fēng)險評估的整個流程,辨識和掌控風(fēng)險的要素,在當(dāng)前時空維度內(nèi)徹底改變引發(fā)風(fēng)險的失效可能性環(huán)境,制定行之有效的風(fēng)險管理和防控措施,并持續(xù)改進,確保管道安全運行。

為提高管道日常管理的有效性和針對性,應(yīng)對管道材質(zhì)、操作溫度、操作壓力、有害組分含量、介質(zhì)流速、土壤環(huán)境以及其他因素進行綜合分析,判定管道在當(dāng)前環(huán)境因素影響下可能存在的所有敏感腐蝕機理、對應(yīng)失效模式及其影響區(qū)域,結(jié)合在日常檢驗或定期檢驗中發(fā)現(xiàn)的重大問題及對應(yīng)腐蝕狀況,制定針對性的防控手段(包括檢驗策略、工藝控制和監(jiān)測、開停車注意事項、注入混合點管理、巡查重點部位等)。在日常管理中要依據(jù)影響潛在腐蝕敏感性的材質(zhì)(管道選材與現(xiàn)役材料腐蝕敏感環(huán)境)、溫度(防控管道失效的操作溫度范圍)、壓力(防控管道失效的操作壓力范圍)、介質(zhì)(防控管道失效的有害組分濃度范圍以及日常分析化驗部位、方法、化驗類別)、流速(防控管道失效的介質(zhì)流量范圍)、土壤(防控管道失效的土壤電阻率、氧化還原電位、pH值、管地電位、含水量、含鹽量范圍)等關(guān)鍵因素的敏感區(qū)間制定針對性的控制措施。

3 基于管道完整性管理風(fēng)險評估流程

3.1 埋地管道區(qū)段的劃分

現(xiàn)有集輸管道劃分大多基于集輸系統(tǒng)整體管道的分段條件進行劃分,包括管道工況、規(guī)格、投用年限、內(nèi)容物易燃易爆性、人員活動狀況、外防腐狀況、土壤特性、雜散電流影響、陰極保護狀況、土壤工程地質(zhì)條件、附近建筑物等要素[19-20],而對單條管道來說,其中多個要素各個分段都一樣,分段各自的特點不突出,不便于對各分段的相對風(fēng)險進行有效的分析和管理,因此埋地管道風(fēng)險分段應(yīng)該以單條管道為分析單元,并兼顧失效可能性,按要素依次判定分段,單條管道區(qū)段劃分原則見圖1。

圖1 單條管道區(qū)段劃分原則圖Fig.1 Section division principle of single pipeline

3.2 埋地管道失效可能性評價原則

可采用挪威船級社(中國)有限公司(DNV GL)的Synergi Plant RBI Onshore、合肥通用機械研究院的通用石化裝置工程風(fēng)險分析系統(tǒng)等風(fēng)險評估軟件對埋地管道的失效可能性進行評價,失效可能性應(yīng)對內(nèi)、外部腐蝕分別進行考慮。

3.2.1 外部腐蝕

外部腐蝕以土壤腐蝕為主,依據(jù)API RP 581—2016 Part 2[21]土壤腐蝕的規(guī)定進行評價。采集管道相關(guān)的土壤類型、土壤電阻率、陰極保護、設(shè)備溫度、涂層、設(shè)備運行時間、基本設(shè)計參數(shù)等信息,進行定量計算。

3.2.2 內(nèi)部腐蝕

內(nèi)部腐蝕分別以集油管道、注水管道、氣舉管道進行考慮。

集油管道以兩相流腐蝕為主,流型主要有層流和塞狀流,流型的劃分受管道尺寸、傾斜角度、介質(zhì)物性及流體流量等多種因素的影響,采集管道相關(guān)的流量、傾角、密度、腐蝕性組分含量、操作運行工況、pH值以及基本設(shè)計參數(shù)等信息,進行定量計算。

注水管道以冷卻水腐蝕和沖刷為主,采集管道相關(guān)的固含量、堿度、硬度、pH值、溫度、流量、氯根、溶解氧以及基本設(shè)計參數(shù)等信息,進行定量計算。

氣舉管道以局部冷凝腐蝕為主,采集管道相關(guān)的運行工況、水含量、腐蝕性組分含量以及基本設(shè)計參數(shù)等信息,進行定量計算。

3.3 埋地管道失效后果評價原則

失效后果評價主要考慮輸送介質(zhì)、敷設(shè)方式、埋設(shè)地類、管道類別、管徑規(guī)格等因素,其中敷設(shè)方式、埋設(shè)地類將根據(jù)輸送介質(zhì)分別從安全和環(huán)境影響方面評價失效后果,管道類別、管徑規(guī)格主要從對生產(chǎn)的影響角度評估失效后果。輸送介質(zhì)安全環(huán)境影響因子構(gòu)成基礎(chǔ)安全等級,敷設(shè)方式失效后果等級為安全等級×安全因子+環(huán)境等級×環(huán)境因子,埋設(shè)地類失效后果等級為安全等級×安全因子+環(huán)境等級×環(huán)境因子,統(tǒng)籌安全、環(huán)境、生產(chǎn)三要素,各后果因子按照權(quán)重系數(shù)計算便可得到埋地管道失效后果等級。失效后果評價見表1。

表1 失效后果評價原則表Tab.1 Failure consequence evaluation principles

4 風(fēng)險評估案例

采用PCM探測管道定位、RTK確定三維坐標的檢測方法，可得到埋地管道完整的走向圖和管頂標高圖,可將現(xiàn)場標識樁、拐點、穿越端點等關(guān)鍵點在三維地圖上精確定位,標定各個關(guān)鍵點GPS坐標、管段長度、高程,通過對比確認獲得精準的管道走向定位圖,見圖2。圖2為某油田集油管道,流型為層流,以局部酸性水腐蝕為主,風(fēng)險評估的高風(fēng)險點主要集中在管道沿線實際傾角大于臨界傾角的積液位置,也是管道運行管理的危險段。通過把管道的相對低點和大傾角區(qū)塊標注在管道走向定位圖中,并在現(xiàn)場安裝相對低點標志樁(大傾角部位通常在相對低點附近),便于進一步開展埋地集輸管道完整性管理評價、日常巡查、檢維修等風(fēng)險管理工作。

圖2 埋地集輸管道走向定位圖Fig.2 Orientation map of gathering and transmission pipeline

5 結(jié)論

集輸埋地管道風(fēng)險評估作為完整性管理的核心要素,應(yīng)該與管道的經(jīng)營策略和安全管理活動聯(lián)系在一起,識別和分析管道運行中的風(fēng)險因素,預(yù)測危險的可能性及嚴重程度,明確管道的管理重點,將主要資源應(yīng)用到高后果和高風(fēng)險段中,優(yōu)化風(fēng)險控制,開展針對性的完整性評價管理,制定有效的風(fēng)險防控措施,保證管道的安全運行。