油气长输管道的风险评价研究
时间：2023-04-08 19:20:04 来源：千叶帆 本文已影响人
朱晏萱
(克拉玛依职业技术学院，新疆 克拉玛依 833699)
管道运输现代国民经济铁路运输、公路运输、水路运输、管道运输、航空运输这五大运输方式中的一种重要运输方式，近些年来，随着油气田的开采，以及不同区域油气的调配，油气管道的运输安全问题已经成为影响我国国民经济的大事，也是全国上下普遍关注的重要事项。油气管道一旦破裂或损坏，轻的会造成管道的跑、冒、滴、漏现象，造成油气损失，严重一点的会影响到能源的供应和储备，造成企业停产停工，或者为人们生活带来不便；
更为严重的是还有可能酿成事故，有毒有害气体释放出来，为环境带来严重污染；
还会引发燃烧、爆炸等一系列可能造成人身伤亡的事故。所以，油气管道的安全问题至关重要。
国内外对油气长输管道的风险评价技术研究距今已有几十年历史，各个国家都在研究管道运输的安全问题，对油气管道的安全评价采用不同的风险评估方法，在1992年，W Kent Muhlbauert提出了管道风险评价法，通过建立风险评价基本模型，结合各项指标计算出管道的相对风险数，确定管道风险等级。Muhlbauer风险评价法[1]在国内外对于长输管道进行的风险评价工作，取得了一些成果[2]，目前国内外许多管道风险评价软件都是以这个模型为基础研制[3]，结合自己国家的实际情况，制定出相应的管道评价方法。
下面就某输油管道进行风险评价方法进行分析研究，采用管道穿孔分析、凝管风险分析、断裂风险评价等多种评价方法相结合，通过建立事故树，并按照相应指标进行评定，最后综合评价该管道总的风险情况。
1.1 管道内检测技术
管道内检测技术就是应用无损检测等一些检测技术，通过数据采集和处理，检测、记录管道的基本尺寸，例如：管道的直度、管道壁厚、管径、管道内外腐蚀状况、焊缝缺陷以及裂纹等情况[4]。内检测器按其功能可分为用于检查管道几何形状异常的变形检测器，用于检查管道金属损失的金属损失检测器，用于裂纹、应力腐蚀开裂检测的裂纹检测器等。
1.1.1 几何形状异常检测
采用测径器检测管道几何形状是否异常，在检测过程中，检测器的机械抓手压着管道内壁并会因横断面的任何变化引起偏移，若测径器有偏移信号，则有可能是因为管壁的凹陷、偏圆、褶皱或者附着在管壁上的碎屑引起。通过捕捉到的偏移信号转换为电子信号存储到机载的存储器上，用合适的软件将完整运行一次后的数据取出并加以分析和显示，可以确定这些可影响到管道完整性的异常点。
1.1.2 管道漏磁检测
管道的金属损失缺陷可以通过漏磁几乎检测出来，同时也可检测到管道的裂纹缺陷和凹痕、起皱，甚至一些不足以影响管道结构完整性的小缺陷也能检测出来。漏磁检测技术较为简单，通过常规漏磁检测器绕管道轴向方向，通过输出信号就可检测出管道存在的相应缺陷的类型、尺寸等。对于很浅、很长或很窄的金属损失缺陷，漏磁技术难以检测出来，检测精度也会受到多种因素的影响。在对管道的检测过程中，要求管壁达到磁性饱和，管壁厚度越大，检测精度越低，检测器的运行速度也会影响检测结果的准确性，在不影响正常输量的前提下提高进出速度和检测准确性。
1.1.3 管道裂纹检测
管道裂纹检测最常使用的技术是超声波检测[4]，超声波检测器在使用超声波在管壁内传播，如果超声波遇到裂纹，就会返回到传感器，能够以检测到管道内部或外部裂纹，通过测量和计算具体数值，就能确定缺陷的位置和大小。裂纹可能由管材的缺陷、材料空隙、夹杂物或凹陷、局部脆性区域及应力、疲劳、腐蚀等造成的，而裂纹类缺陷是管道中最为严重的存在缺陷，对管道的威胁极大。采取相应的检测技术，准确地检测出管道的裂纹缺陷，对管道的安全评价非常重要。
1.2 管道外检测技术
管道外检测技术主要是对管道外防腐层质量的检测分析[5]，工程上通常以非破坏性的电性能检测来控制和检查管道外防腐层质量，本文主要介绍以下三种方法。
1.2.1 泄漏电阻测量法
单位面积防腐层涂层和大地的电阻，用负偏移电位和泄漏电路密度比值表示，称为泄漏电阻。具体计算可参照标准SY/T0023。
通过外加电流法来测量泄漏电阻，测量示意图见图1。
图1 外加电流法测泄漏电阻Fig.1 Leakage resistance measured by the applied current method
在管道上选择4个通电点，a、b、c、d，通电前，先测试a、c两点自然电位和阴极保护供电后的保护电位值，计算a、c两点的负偏移电位，采用电压降法或补偿法测试ab和cd两管段电流，按式(1)计算该管段外防腐涂层漏电阻ρA(Ω·m2)：
(1)
1.2.2 防腐层绝缘电阻率测量
运用电流-电位法测量绝缘电阻率。测量时，选择3个点测试通电电位和断点电位的电位差，取3个电位差的平均值E(V)，再根据被测管道长度、直径计算出管道表面积S(m2)，用式(2)求出覆盖层电阻R(Ω·m2)：
R=ES/I
(2)
1.2.3 涂层破损点检漏技术
在地面上通过向管线输入直流或交流电、磁等信号，然后检测这些信号沿管线的变化，获得涂层漏点的信息。当直流电信号按周期向管道输送时，在涂层缺陷处有电流流入或流出管道，对应的管线正上方的地表及离管线一定距离处会产生电位差。
电位差的大小和电流大小相关，由此可以推断出涂层缺陷的大小；
电位差的方向代表电流流出或流入管道。在阴极保护通电河段的下可以分别检测涂层漏点性质，有以下四种漏点类型：
(1)阳极-阳极型
这类漏点不能被阴极保护系统所保护，和阴极保护系统无关。这类漏点正在发生腐蚀的热点，不能确定是否消耗保护电流，所以是管道外检测评价中最关心的漏点，必须开挖直接检查才能确定。
(2)阴极-阳极型
这类漏点在阴极保护系统下处于被保护状态，在阴极保护系统断开时处于阳极腐蚀状态。
(3)阴极-中性型
这类漏点在阴极保护系统下处于被保护状态，在阴极保护系统断开时处于自然腐蚀状态。所以这类漏点可能发生腐蚀也可能不发生腐蚀，与管道所处自然环境有关，不需要特别关注。
(4)阴极-阴极型
在阴极保护系统下漏点处于被保护状态，阴极保护系统断开后，漏点能继续保持极化，所以这类漏点消耗保护电流，只有在阴极保护系统不正常工作时才会发生腐蚀。
1.3 管道外部腐蚀的直接评价法
管道完整性评价的重要组成部分是直接评价法，这些直接评价方法一般采用常规手段，数据容易获得，评价结果有参考价值，而且成本低、易实施。
2002年美国腐蚀工程师协会提出ECDA直接评价法较为成熟，应用较广泛。
ECDA直接评价法包括以下四个步骤：
(1)预评价
需要收集被评价部分管道历史数据、当前数据和基本物性，按照数据需求确定关键数据。通过预评价确定ECDA可行性，划分ECDA评价区和选择间接检测工具。
(2)间接检测
以地面检测为主，在测量前，对确定的每个ECDA评价区边界进行确认并标记清楚，所选距离要选用足够小距离间隔来实现详细评价，能够使检测工具发现和定位涂层上的可疑缺陷，并且确定涂层缺陷的严重程度和管道上已发生或可能发生的腐蚀。
(3)直接检查
直接检查就是根据间接检测结果指示的缺陷位置确定开挖优先权，分为立即开挖、计划开挖和监控暂不开挖等等。对于间接检测结构所指示最严重等级部位进行直接开挖，开挖后的管道表面要进行直接检查，测量和采集数据，确定每个ECDA评价区需收集的必需量数据，并且在开挖暴露管道表面后对管道和环境进行检查，收集数据包括涂层性能，腐蚀缺陷修复和防腐措施的采用等等。
(4)再评价
通过分析预评价、间接检测和直接检查三个步骤所得的数据来验证ECDA直接评价法的有效性，包括：
剩余寿命计算，对于没有发生腐蚀缺陷的管道，不需要进行剩余寿命计算，对于有缺陷的，需要采取剩余寿命的评估方法进行计算。
再评价时间间隔，直接检查中如发生腐蚀缺陷，每个ECDA评价区的最大再评价加个应取计算剩余寿命的一半。
ECDA有效性评价，ECDA直接评价法是一个连续提高的过程，根据数据的可靠性、重复性、应用程度、结果等内容，需要通过长期跟踪来评价。
信息反馈，通过反馈信息来改善ECDA直接评价法的应用。
1.4 管道腐蚀穿孔失效概率及失效后果计算
按照风险分段，将待评价管线分为几段，对每段的腐蚀缺陷进行统计分析，以此得出每段管道的腐蚀穿孔概率。
埋地管道发生腐蚀穿孔引起泄漏，对环境产生污染主要是对土壤的污染和跨越处对河流造成的污染，可通过具体风险评估模型计算腐蚀穿孔后原有的泄漏量和所带来的损失。最终获得腐蚀穿孔风险值计算公式(3)：
Risk=FC
(3)
式中:Risk为风险值；
F为失效概率；
C为失效后果。
输油管道打孔盗油是长输管道安全运行的重大安全隐患，打孔盗油时间的发生与管道所处位置以及环境有较大关系，通常是容易发生打孔盗油的部位[6]及风险情况如图2所示。
图2 打孔盗油风险分析图Fig.2 Risk analysis of oil theft by drilling
可以通过模糊影像图计算出风险变化百分比X，再根据公式(4)计算出打孔盗油的风险值。
R打孔=F·CoF=(1+X)F0·CoF
(4)
式中:F0为打孔盗油在该管道以往发生的频率；
CoF为估计一次损失值，万元。
管道停输时间过长或者流量过低、违反操作规程等，都会造成管道凝管、蜡堵等事故，凝管后会造成巨大的经济损失。国内曾有输油管线因流量过低引起结蜡或操作不当造成管道初凝等，造成了严重不良影响。
根据凝管失效概率和凝管后果计算，凝管风险值如式(5)计算:
Risk=FC
(5)
式中:Risk为风险；
C为后果；
F为概率。
埋地输油管线在役期间不容易发生断裂事故，曾有输油管线断裂是因遇到地震造成的，断裂事故可对环境造成污染以及产生大的经济损失。
断裂风险由式(6)计算：
R断裂=F·CoF断裂=(1+X)F0·CoF断裂
(6)
式中:F为事故发生概率；
X由模糊影响图计算得出的风险变化的百分比；
F0为该风险因素过去在改管道上的发生的频率；
CoF为估计断裂损失值,万元。
通过对某输油管道的风险分析，穿孔、断裂和凝管为各自独立的风险因素，可以将直接相加计算其总风险。
表1 某输油管线风险结果评价表Table 1 Risk result evaluation table of an oil pipeline
根据油气长输管道的风险评价法，对影响管道风险的四个因素进行分析，确定风险等级后，根据该管道的风险水平建立相应的完整性维护决策系统，判断哪类风险是造成总风险超过标准的主要因素，重点采取措施控制该类风险。
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