埋地輸氣管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究

蔣宏業(yè),姚安林,宋小建,楊 春,李海山

(1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院,四川成都 610500;2.中國(guó)石油西南油氣田分公司,四川成都 610051)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)在役輸氣管道中的多數(shù)屬于超齡服役,已進(jìn)入了事故多發(fā)期,再加上各種主客觀因素的影響,這些管道大多處于較高的風(fēng)險(xiǎn)水平.而眾多的風(fēng)險(xiǎn)要素,或者說輸氣管道發(fā)生事故的眾多原因中,最主要的原因之一是管道腐蝕,其直接后果是管道壁厚的減薄,導(dǎo)致局部應(yīng)力集中.由于輸氣管道的輸送壓力較高,當(dāng)管道壁厚減薄到一定程度后,就會(huì)發(fā)生穿孔或開裂導(dǎo)致輸氣泄漏,造成環(huán)境污染甚至是人身傷亡等嚴(yán)重的后果.因此,通過對(duì)輸氣管道進(jìn)行腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),對(duì)于制定管道繼續(xù)使用、大修還是更換的科學(xué)決策具有重要的指導(dǎo)意義.

1 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)原理

1.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的概念及步驟

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(Risk Assessment)是一種基于對(duì)系統(tǒng)完整性有影響的數(shù)據(jù)資料、系統(tǒng)運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)和直觀認(rèn)識(shí)的科學(xué)方法,通過將風(fēng)險(xiǎn)量化,進(jìn)行比較、分析,為風(fēng)險(xiǎn)管理的科學(xué)決策提供可靠的依據(jù),從而達(dá)到最有效減小風(fēng)險(xiǎn)的目的.

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一般步驟為:可靠性資料的收集、確定風(fēng)險(xiǎn)變量及建模、風(fēng)險(xiǎn)變量的量化處理、風(fēng)險(xiǎn)概率的計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)后果的計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)分值的計(jì)算[1].

本文所作的埋地輸氣管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究擬借鑒W.K.Muhlbauer提出的長(zhǎng)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法[2],采用評(píng)分指標(biāo)體系把埋地輸氣管道腐蝕失效可能性的總評(píng)分定為100分.

1.2 故障樹分析原理簡(jiǎn)介

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法有很多,例如,初步危險(xiǎn)分析(PHA)、失效模式與影響分析(FMEA)、故障樹分析(FTA)等.故障樹分析因其具有簡(jiǎn)明、直觀、靈活的特點(diǎn),是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)諸方法中應(yīng)用最為廣泛的方法之一,也是本文采用的分析方法.

故障樹分析方法是一種圖形演繹方法,一個(gè)故障樹就是一個(gè)邏輯圖,該圖描繪了一些事故的發(fā)生而使得某些故障一定按照次序發(fā)生[3].通過故障樹的定性分析,可以找出被評(píng)價(jià)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),為腐蝕評(píng)價(jià)評(píng)分體系的制定提供理論指導(dǎo),并可為評(píng)分體系中的每一個(gè)單項(xiàng)權(quán)重的確定和分值的分配提供參考和依據(jù).

1.3 風(fēng)險(xiǎn)要素評(píng)分權(quán)重的確定

由于不同的風(fēng)險(xiǎn)要素對(duì)于系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)所起的作用不同,因此在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)要素評(píng)分時(shí),其分值應(yīng)與其重要性相對(duì)應(yīng).對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)重的方法有很多,如專家打分法、二項(xiàng)系數(shù)法、主要成分分析法等.本文采用由 T.L.Satty提出的層次分析法(AHP)[4]來確定各風(fēng)險(xiǎn)要素的評(píng)分權(quán)重.該方法適合處理各類煩雜問題,并能把人們主觀的直覺、經(jīng)驗(yàn)與客觀的理性、規(guī)律及邏輯推理完善地結(jié)合起來.

層次分析法的基本思想是:將評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)要素分解成若干層次,并以同一層次中的各種要素按照上一層要素為準(zhǔn)則進(jìn)行兩兩比較判斷,然后計(jì)算出各因素的權(quán)重,最后計(jì)算出各因素對(duì)于總目標(biāo)的合成權(quán)重.

1.4 事故后果分析及相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分值的計(jì)算

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中,很重要的一步就是事故后果的分析.本文考慮的事故后果是埋地輸氣管道發(fā)生泄漏后對(duì)社會(huì)和公眾的危害.

埋地輸氣管道腐蝕破壞后對(duì)社會(huì)與公眾的危害大多是以一種直接形式表示出來.本文采用文獻(xiàn)[2]提出的泄漏影響系數(shù)來描述其風(fēng)險(xiǎn)后果.

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)要素分值和泄漏影響系數(shù)就可以計(jì)算出相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分值的大小,其計(jì)算公式如下[2]:

其中,

1.5 風(fēng)險(xiǎn)可接受度

從前述可知,本文計(jì)算出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果是一相對(duì)值,其本身很難反映出埋地輸氣管道的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)情況.因此,首先應(yīng)根據(jù)管道運(yùn)行狀況等具體情況計(jì)算可接受風(fēng)險(xiǎn)值,確定允許風(fēng)險(xiǎn)值[R],然后將計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)值 R與之相比較,根據(jù)二者的差異情況判斷管道的安全程度,即:

允許風(fēng)險(xiǎn)值[R]的計(jì)算過程也是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的過程,但不是對(duì)實(shí)際情況的評(píng)分,而是對(duì)假想的可接受風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)分.因此,允許風(fēng)險(xiǎn)值[R]是一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo),它隨著評(píng)價(jià)對(duì)象的改變而改變,而且還會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化.

2 埋地輸氣管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

針對(duì)四川某埋地輸氣干線進(jìn)行的環(huán)境調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及失效規(guī)律的研究結(jié)果,我們對(duì)其進(jìn)行了腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).

2.1 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹建立與定性分析

2.1.1 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹的建立.

根據(jù)頂事件確定原則,選取“埋地輸氣管道腐蝕失效”作為頂事件.頂事件確定后,首先,要尋找引起頂事件發(fā)生的最直接、必要的、充分的原因.一般情況下,引起埋地輸氣管道腐蝕失效的原因?yàn)楦g穿孔和腐蝕裂紋2種.然后,把引起頂事件發(fā)生的各原因分別看作頂事件,采用類似的方法繼續(xù)往下深入分析,建立以邏輯門符號(hào)表示的埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹(見圖1).圖1中各符號(hào)代表的事件如表1所示.

圖1 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹

表1 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹基本事件表

2.1.2 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹定性分析.

將埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹轉(zhuǎn)換為等效的布爾代數(shù)方程,即:

從布爾代數(shù)方程可知,埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹由40個(gè)2階最小割集、6個(gè)3階最小割集、9個(gè)4階最小割集組成.其中,40個(gè)2階最小割集直接影響系統(tǒng)的可靠性,為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié).

確定了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)之后,通過對(duì)故障樹的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,就可以鑒別底事件的薄弱環(huán)節(jié).底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)可用下式進(jìn)行計(jì)算[5]:

式中:kj為第j個(gè)最小割集;Nj(j∈kj)為底事件i位于kj的底事件數(shù);xi∈kj為第i個(gè)底事件屬于第j個(gè)最小割集;IΦ(i)為第 i個(gè)底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù).

利用(4)式求得各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)如表2所示.

表2 埋地輸氣管道腐蝕失效因素結(jié)構(gòu)重要度結(jié)果表

由計(jì)算結(jié)果可知,IΦ(x6)、…、IΦ(x10)是最大值,其次是 IΦ(x14)、…、IΦ(x21),它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)重要度排列中數(shù)值所占比例大,其對(duì)頂事件影響也最大.

2.2 腐蝕風(fēng)險(xiǎn)要素及其權(quán)重的調(diào)整

由故障樹分析可以得到埋地輸氣管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)要素及其層次關(guān)系(見圖2).

圖2 埋地輸氣管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分體系層次模型結(jié)構(gòu)圖

下面以準(zhǔn)則層B為例說明AHP法對(duì)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)要素權(quán)重的調(diào)整過程.

把目標(biāo)層A作為準(zhǔn)則,對(duì)B層4個(gè)因素進(jìn)行兩兩對(duì)比,得到判斷矩陣如下:

據(jù)此求得:

即,內(nèi)腐蝕、外腐蝕、應(yīng)力腐蝕、管道材質(zhì)的權(quán)重分別為0.1775、0.6985、0.0401、0.0830.同理,可以分別求得內(nèi)腐蝕環(huán)境中4個(gè)子因素、內(nèi)腐蝕措施中2個(gè)子因素、外腐蝕中5個(gè)子因素和土壤腐蝕中4個(gè)子因素的權(quán)重.

2.3 相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分值的計(jì)算

由于本文研究的是輸氣管道,根據(jù)文獻(xiàn)[2]中介紹的輸送介質(zhì)危害性計(jì)算方法和相關(guān)參數(shù),得到本研究對(duì)象輸送介質(zhì)的危害性評(píng)分為7分(確定值).而由管輸氣體泄漏擴(kuò)散和人口密度2項(xiàng)決定的擴(kuò)散系數(shù)的得分為2分,所以泄漏影響系數(shù)的得分為3.5分.該埋地輸氣管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)因素之和為78分,則:

這說明本文所研究的埋地輸氣管道腐蝕相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分值為22.59分.

據(jù)實(shí)際測(cè)算,該埋地輸氣管道的允許風(fēng)險(xiǎn)值[R]為30.因此,該輸氣管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍內(nèi),處于安全狀態(tài).

3 結(jié) 論

本文根據(jù)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一般原理提出埋地輸氣管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù),并詳細(xì)介紹了整個(gè)評(píng)價(jià)過程.同時(shí),結(jié)合管道腐蝕破壞機(jī)理,我們建立了埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹,該故障樹共考慮了23個(gè)基本事件.通過對(duì)故障樹最小割集的求解和結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算,定性確定了引起埋地輸氣管道腐蝕失效的薄弱環(huán)節(jié),即主要失效因素.

我們提出的評(píng)價(jià)方法在借鑒W.K.Muhlbauer的評(píng)分指標(biāo)體系法的基礎(chǔ)之上,綜合運(yùn)用故障樹分析法和層次分析法,使得評(píng)分體系的建立具有更嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù),評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性更強(qiáng).

[1]姚安林.論我國(guó)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略[J].天然氣工業(yè),1999,19(4):79-82.

[2]Muhlbauer W K.Pipeline Risk Management Manual[M].Houston:Gulf Publishing Company,1996.

[3]蔣宏業(yè),姚安林,鄭興華,等.天然氣球罐失效故障樹分析[J].天然氣工業(yè),2003,23(6):163-165.

[4]魏世孝,周獻(xiàn)中.多屬性決策理論方法及其在C3I系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998.

[5]沈斐敏.安全系統(tǒng)工程基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1991.