儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

張認(rèn)認(rèn)，楊尚諭，閆相禎，張 哲，林 敏，李新宏

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) CAE技術(shù)研究中心，山東 青島 266580；4.中國(guó)石油新疆油田分公司 呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)作業(yè)區(qū)，新疆 呼圖壁 831200)

0 引言

地下儲(chǔ)氣庫(kù)是以?xún)?chǔ)存量大、調(diào)峰范圍廣和經(jīng)久耐用為特點(diǎn)的人工氣藏[1]。儲(chǔ)氣庫(kù)在注采過(guò)程中，由于溫度和壓力的不斷變化，容易引起注采管柱泄漏、變形、斷裂等失效問(wèn)題[2]；螺紋接頭處也經(jīng)常會(huì)發(fā)生疲勞斷裂、泄漏、擠毀、腐蝕等失效問(wèn)題[3]，因此需要對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱進(jìn)行大量研究：Zaki等[4]研究基于系統(tǒng)性能的理論模型和蒙特卡洛模擬方法的地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)分析方法；Mao等[5]為研究?jī)?chǔ)氣庫(kù)井中管柱的動(dòng)態(tài)特性，考慮天然氣與管柱在橫向和縱向的相互作用下，建立儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱流固耦合分析模型，并通過(guò)求解得到注采管柱的動(dòng)態(tài)特征；滑麗云等[6]、譚天斌等[7]分析油管螺紋失效的機(jī)理和影響因素，并提出預(yù)防螺紋失效的措施；任鵬飛[8]分析螺紋常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型，提出螺紋缺陷類(lèi)型的檢測(cè)方法；王寶棟等[9]建立油管接箍螺紋的有限元模型，得出其應(yīng)力分析規(guī)律，并對(duì)接箍螺紋進(jìn)行失效評(píng)估；王建軍等[10]對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱氣密封螺紋接頭進(jìn)行優(yōu)選分析。

上述研究側(cè)重于儲(chǔ)氣庫(kù)失效風(fēng)險(xiǎn)分析或螺紋失效機(jī)理分析，但為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱的研究，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)其螺紋失效進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。傳統(tǒng)蝴蝶結(jié)模型在事故場(chǎng)景量化分析中具有靜態(tài)局限性，而基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法可以捕捉螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)演變特性[11-13]。因此，本文運(yùn)用蝴蝶結(jié)模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)分析，以辨識(shí)螺紋失效的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，并計(jì)算螺紋失效及其事故后果的概率。

1 儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)分析方法

動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析的目的是利用實(shí)時(shí)先兆數(shù)據(jù)更新儲(chǔ)氣庫(kù)注采螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)，并得到螺紋失效及事故后果概率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。儲(chǔ)氣庫(kù)注采管螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)分析流程如圖1所示。具體步驟如下：1)搜集儲(chǔ)氣庫(kù)管柱螺紋失效相關(guān)資料，利用故障樹(shù)模型辨識(shí)導(dǎo)致螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)致因，采用事件樹(shù)模型識(shí)別安全屏障并分析事故后果類(lèi)型；2)基于風(fēng)險(xiǎn)致因、安全屏障及事故后果，通過(guò)蝴蝶結(jié)模型構(gòu)建螺紋失效事故演化過(guò)程；3)基于模糊集理論，依據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)計(jì)算失效致因先驗(yàn)概率，并利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)更新先驗(yàn)概率；4)通過(guò)引入實(shí)時(shí)先兆數(shù)據(jù)，評(píng)估螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)注采管柱螺紋失效動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析。

圖1 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析流程Fig.1 Flowchart of dynamic risk analysis

1.1 蝴蝶結(jié)模型

蝴蝶結(jié)分析法(Bow-tie Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)BTA) 是1種基于圖形方式表示事故原因至后果的過(guò)程，并利用防控措施之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的方法。該方法具有高度可視化和處理靈活的特點(diǎn)。在風(fēng)險(xiǎn)分析中，應(yīng)用蝴蝶結(jié)分析法可較詳細(xì)地辨識(shí)事故發(fā)生的起因和后果，直觀表示出整個(gè)事故發(fā)生的全過(guò)程，通過(guò)相關(guān)的定性和定量分析，確定事故發(fā)生前的主要致因和事故發(fā)生后的有效控制措施，可降低事故災(zāi)害發(fā)生的概率，減輕災(zāi)害后果。

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)是1種用于在不確定條件下進(jìn)行概率推理的有效方法，其是由節(jié)點(diǎn)及連接相關(guān)節(jié)點(diǎn)的有向邊所構(gòu)成的有向無(wú)環(huán)圖。節(jié)點(diǎn)代表模型中的隨機(jī)變量；節(jié)點(diǎn)間有向邊代表變量間的相關(guān)關(guān)系，原則是父節(jié)點(diǎn)指向子節(jié)點(diǎn)；變量間的相互影響程度(節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系強(qiáng)度)由子節(jié)點(diǎn)處的條件概率表達(dá)。每個(gè)條件概率分布表均可以用來(lái)描述相關(guān)變量之間局部聯(lián)合概率分布集，代表子節(jié)點(diǎn)同其父節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性。利用聯(lián)合概率分布可直接計(jì)算事故(頂事件)的發(fā)生概率P(T=1)，如式(1)所示：

(1)

式中：Xi表示子節(jié)點(diǎn)；F(Xi)表示父節(jié)點(diǎn)；n為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

貝葉斯公式給出的條件概率如式(2)所示：

(2)

式中：P(A)為在無(wú)訓(xùn)練數(shù)據(jù)前假設(shè)A擁有的先驗(yàn)概率；P(B)為訓(xùn)練數(shù)據(jù)后得到B的先驗(yàn)概率；P(B|A)為假設(shè)A成立時(shí)B發(fā)生的概率；P(A|B)為假設(shè)B成立時(shí)A發(fā)生的概率。

2 螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)

2.1 失效致因

通過(guò)實(shí)例和文獻(xiàn)調(diào)研得知，儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效是由投產(chǎn)前螺紋質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或投產(chǎn)后外界因素干擾所致。

1)投產(chǎn)前螺紋質(zhì)量不達(dá)標(biāo)產(chǎn)生的原因包括螺紋自身缺陷和第三方破壞。其中，螺紋自身缺陷包括材質(zhì)問(wèn)題(力學(xué)性能差和抗腐性差)和螺紋參數(shù)不優(yōu)(如幾何參數(shù)不優(yōu)和物理參數(shù)不優(yōu))；第三方破壞包括注采管柱在裝卸、運(yùn)輸和施工過(guò)程中造成的損壞。

2)投產(chǎn)后的外界因素干擾主要包括螺紋承受應(yīng)力變化和腐蝕的影響。其中，螺紋承受應(yīng)力變化包括熱應(yīng)力的產(chǎn)生(如氣體中攜帶顆粒、上螺紋速度快和注采溫度高)、地應(yīng)力的變化(如地震、斷層)和接觸應(yīng)力的變化(如夾緊力和上螺紋扭矩大)；螺紋腐蝕是由腐蝕條件和防腐措施共同作用產(chǎn)生，腐蝕條件主要包括腐蝕介質(zhì)、注采溫度和注采壓力等。

基于事故樹(shù)的構(gòu)建原則，對(duì)上述致因進(jìn)行逐級(jí)歸納與分析，建立儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效的故障樹(shù)模型(FTA)，如圖2所示。辨識(shí)出17個(gè)間接變量M1～M17和26個(gè)基本變量，基本變量X1～X26代表含義詳見(jiàn)表1。

表1 基本風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率Table 1 Probabilities of basic risk factors

圖2 儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效事故樹(shù)模型Fig.2 FTA model of thread failure of injection-production tubular string in gas storage depot

2.2 安全屏障

事故發(fā)生后，若能及時(shí)采取一定的控制措施，可有效減輕事故后果。即當(dāng)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效后，采取可靠的控制措施(安全屏障)，則可將螺紋失效后果影響降低到最小。通過(guò)實(shí)例調(diào)研可知，注采管柱螺紋失效后可采取的安全屏障包括關(guān)井檢查、井筒排空和維修作業(yè)。基于事件樹(shù)的構(gòu)建原則，依次分析3個(gè)安全屏障成功與否造成的螺紋失效后果，建立儲(chǔ)氣庫(kù)螺紋失效的事件樹(shù)模型(ETA)，如圖3所示。由圖3可知，共識(shí)別出3個(gè)安全屏障(B1～B3)和4個(gè)不同的螺紋失效后果(C1～C4)。

圖3 儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效事件樹(shù)模型Fig.3 ETA model of thread failure of injection-production tubular string in gas storage depot

3 螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)分析模型

3.1 螺紋失效BT模型

在儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)因素分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用蝴蝶結(jié)分析法構(gòu)建注采管柱螺紋失效的BT模型，該模型直觀詳細(xì)地展現(xiàn)螺紋失效的風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程，如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效蝴蝶結(jié)模型Fig.4 Bow-tie model of thread failure of injection-production tubular string in gas storage depot

3.2 螺紋失效BN模型

基于貝葉斯方法的轉(zhuǎn)化原則，結(jié)合儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)因素，將螺紋失效BT模型中的原因事件轉(zhuǎn)化為BN模型的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將BT中的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)化為子節(jié)點(diǎn)中的條件概率分布表，構(gòu)建螺紋失效的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Bayesian network model of thread failure of injection-production tubular string in gas storage depot

表1(續(xù))

4 案例研究

根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)資料統(tǒng)計(jì)[14]表明，由螺紋失效引發(fā)注采管柱失效的事故占由注采管柱失效引起事故的30%。

因此，本文以我國(guó)某儲(chǔ)氣庫(kù)的注采井為研究對(duì)象，對(duì)其注采管柱螺紋進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素與風(fēng)險(xiǎn)后果分析。

4.1 螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)因素分析

采用模糊集理論和專(zhuān)家評(píng)判方法獲取螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)致因的發(fā)生概率，將事件發(fā)生的概率分為5個(gè)等級(jí)[15]，即非常低、低、中等、高、非常高，每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的概率區(qū)間及說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 失效可能性分類(lèi)Table 2 Classification of failure possibility

具體步驟如下：1)邀請(qǐng)多位專(zhuān)家對(duì)標(biāo)變量發(fā)生的可能性進(jìn)行評(píng)判，并綜合考慮學(xué)歷、專(zhuān)業(yè)和資歷等信息對(duì)專(zhuān)家分配權(quán)重，以降低專(zhuān)家評(píng)判的不確定性；2)確定變量X1～X26的可能性等級(jí)；3)利用三角模糊數(shù)進(jìn)行概率計(jì)算，得到變量X1～X26的發(fā)生概率，即貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中父節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率；4)將基本變量的先驗(yàn)概率輸入儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效的BN模型中；5)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)條件概率分布表進(jìn)行非(0,1)修正，得到基本事件的后驗(yàn)概率，并對(duì)發(fā)生概率等級(jí)比較高的基本變量X1～X26進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)注，見(jiàn)表1；6)計(jì)算基本變量X1～X26的后先驗(yàn)概率比值，確定變化較大的基本變量，即敏感性較高的影響因素。

根據(jù)失效概率可能性等級(jí)(見(jiàn)表1)對(duì)變量X1～X26進(jìn)行分析可知：

1)變量X1，X3，X5，X11，X13，X14，X16，X22發(fā)生可能性等級(jí)為高及以上，預(yù)計(jì)會(huì)在觀測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)的生命周期內(nèi)發(fā)生。因此需要對(duì)觀測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行仔細(xì)診斷，并在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取措施降低上述基本變量的發(fā)生概率，對(duì)于上述不可控制因素應(yīng)做好實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作。

2)變量X1～X10，X24～X26的概率比值較高，即上述事件一旦發(fā)生，會(huì)對(duì)螺紋失效產(chǎn)生巨大的影響。其中，對(duì)于上述可控事件，生產(chǎn)中要做好監(jiān)測(cè)和診斷工作，及時(shí)控制此類(lèi)突發(fā)事件；對(duì)于上述不可控事件，需要在生產(chǎn)和使用前嚴(yán)格檢查，將其發(fā)生概率降到最低水平。

4.2 螺紋失效動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)對(duì)失效誘因的分析，結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際可控可監(jiān)測(cè)情況，選取X1，X3～X6，X7，X11～X16作為螺紋失效的動(dòng)態(tài)分析要素。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄可得所選基本事件在觀測(cè)周期內(nèi)的發(fā)生次數(shù)，見(jiàn)表3。

根據(jù)表3計(jì)算出所選變量的動(dòng)態(tài)概率變化，并將其帶入儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效BN模型中，得到螺紋失效及其不同失效后果的動(dòng)態(tài)概率，其概率變化曲線如圖6～8所示。

表3 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素隨時(shí)間增長(zhǎng)發(fā)生次數(shù)Table 3 Occurrence numbers of critical risk factors over time

對(duì)圖6～8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到螺紋失效及其4種失效后果的動(dòng)態(tài)變化方程。其相關(guān)系數(shù)和擬合方差詳見(jiàn)表4。

圖6 儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效動(dòng)態(tài)概率曲線Fig.6 Dynamic probability curve of thread failure of injection-production tubular string in gas storage depot

圖7 儲(chǔ)氣庫(kù)繼續(xù)安全運(yùn)行的動(dòng)態(tài)概率曲線Fig.7 Dynamic probability curve for continuous safe operation of gas storage depot

圖8 儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)生安全事故的動(dòng)態(tài)概率曲線Fig.8 Dynamic probability curves of safety accident in gas storage depot

根據(jù)表4的擬合參數(shù)R和方差SD可知，擬合效果較好，進(jìn)一步分析可知：隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，螺紋的失效概率逐漸增大，且失效概率增速也在增大。螺紋失效并經(jīng)過(guò)修整后，儲(chǔ)氣庫(kù)還可繼續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行的概率隨服役時(shí)間增長(zhǎng)而降低，且減小速率越來(lái)越快；螺紋失效并經(jīng)過(guò)修整后，儲(chǔ)氣庫(kù)發(fā)生經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡事故的概率逐漸增大，且增長(zhǎng)速率逐漸變大；儲(chǔ)氣庫(kù)在生產(chǎn)作業(yè)中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或控制關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)生概率，并預(yù)測(cè)螺紋失效的概率，以控制隨服役時(shí)間增長(zhǎng)而造成的螺紋失效以及失效后果的發(fā)生概率，確保人員安全，減少財(cái)產(chǎn)損失。

表4 擬合曲線及其參數(shù)Table 4 Fitting curves and related parameters

5 結(jié)論

1)提出1種基于蝴蝶結(jié)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)，建立儲(chǔ)氣庫(kù)注采管柱螺紋失效的風(fēng)險(xiǎn)分析模型，計(jì)算得到螺紋失效的主要致因和螺紋失效及失效后果的動(dòng)態(tài)概率變化。

2)以我國(guó)某儲(chǔ)氣庫(kù)的注采管柱為例，研究其螺紋失效動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，分析得到：注采管柱螺紋的關(guān)鍵失效風(fēng)險(xiǎn)因素包括氣體中攜帶固體顆粒(X1)、上螺紋速度過(guò)快(X2)、注采溫度高(X3)、地層斷裂(X4)、地殼運(yùn)動(dòng)(X5)等13個(gè)因素。螺紋失效概率逐漸增加，螺紋失效導(dǎo)致惡劣后果的概率也逐漸增大，需要采取措施控制關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)致因的發(fā)生。

3)基于蝴蝶結(jié)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法具有較好的應(yīng)用效果，可為其他注采管柱螺紋失效風(fēng)險(xiǎn)分析提供一定的理論支撐，并可對(duì)螺紋失效概率和風(fēng)險(xiǎn)后果進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)。