渤海油田海洋管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方案及實(shí)例分析

詹燕民 倪玲英 李 毅 白 莉 文 瀟

(1.中海油天津分公司；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

自1985年渤海埕北油田鋪設(shè)第一根用于海洋油氣開采海底管道起，我國(guó)海洋油氣開采不斷向縱深發(fā)展，形成了縱橫交錯(cuò)的海底管網(wǎng)。這些管道有的新投產(chǎn)，有的運(yùn)行多年，還有的已達(dá)到或超出設(shè)計(jì)壽命，延期服役。連續(xù)運(yùn)行多年的海洋管道處于復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，實(shí)施海洋管道的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)顯得十分重要。海洋工程領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)分析研究始于20世紀(jì)70年代后期，由英國(guó)石油工程師率先在北海油田引入了風(fēng)險(xiǎn)分析。之后各種風(fēng)險(xiǎn)分析方法被引入到海洋管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理中[1～6],圍繞北海油田積累了海洋管道事故數(shù)據(jù)庫(kù)PARLOC[7]，Kent根據(jù)美國(guó)運(yùn)輸部總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)編寫的《風(fēng)險(xiǎn)管理手冊(cè)》有重要指導(dǎo)作用[8]。我國(guó)在海底管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、完整性管理方面做了一些研究和實(shí)踐工作[9，10]。挪威DNV組織圍繞海洋管道腐蝕、外力干擾提出了與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有關(guān)的規(guī)范和推薦做法[11～13]。美國(guó)API針對(duì)陸上埋地管道的腐蝕問題有一些推薦做法[14]。隨著實(shí)踐和理論研究的深入，這些規(guī)范和準(zhǔn)則在不斷更新和擴(kuò)展。

1 渤海海洋管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的任務(wù)主要有3項(xiàng)：危險(xiǎn)(源)識(shí)別/災(zāi)害識(shí)別、估算導(dǎo)致失效主要風(fēng)險(xiǎn)因子的發(fā)生概率Pi和估算失效的后果概率Ci。海洋管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得分R為：

(1)

式中Pi——單個(gè)事件的發(fā)生概率；

Ci——該事件產(chǎn)生的預(yù)期后果。

由于各根海洋管道的運(yùn)行時(shí)間不同、內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)詳細(xì)情況有別，加上渤海油田海洋管道第一根建成至今不到30年，其事故記錄資料不足以建立數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，單一的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法不能夠滿足實(shí)際需求。筆者設(shè)計(jì)了結(jié)合定性和定量方法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，能夠?qū)Y料較缺乏的海洋管道進(jìn)行定性評(píng)價(jià)(故障樹法)或半定量評(píng)價(jià)(專家評(píng)分法、事故數(shù)據(jù)庫(kù)法)，也能夠?qū)χ攸c(diǎn)關(guān)注的管道(內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)比較詳盡)進(jìn)行專項(xiàng)評(píng)估，比如腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和懸空評(píng)估(圖1)。后3種方案的評(píng)估結(jié)果統(tǒng)一按風(fēng)險(xiǎn)矩陣法的原則劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。用Matlab7.0進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)算，用C#編制軟件界面，以交互式界面調(diào)入數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果，方便直觀。

圖1 渤海油田海洋管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基于故障樹法。半定量分析結(jié)合了層次分析法(AHP)和專家評(píng)分法。用層次分析法可以篩選出海洋管道的主要風(fēng)險(xiǎn)因子[1,4]，結(jié)合英國(guó)北海海底管道事故數(shù)據(jù)庫(kù)PARLOC2001的對(duì)事故類型的分類，筆者確定渤海海洋管道風(fēng)險(xiǎn)因子層次結(jié)構(gòu)和后果層次結(jié)構(gòu)如圖2，3所示。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)因子層次結(jié)構(gòu)

圖3 風(fēng)險(xiǎn)后果層次結(jié)構(gòu)

1.1 規(guī)范法(方案一)

規(guī)范法是指利用現(xiàn)有的規(guī)范計(jì)算腐蝕管道的許用壓力等參數(shù)[14]。目前國(guó)內(nèi)外沒有專門針對(duì)海洋管道腐蝕失效的規(guī)范，API 570規(guī)范7.1.1中規(guī)定了在計(jì)劃以內(nèi)的檢測(cè)中允許的最大工作壓力。設(shè)在下一次的計(jì)劃?rùn)z測(cè)時(shí)間內(nèi)，管壁金屬的損失是腐蝕速率的兩倍，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中D——管道外徑，mm；

E——縱向焊縫有效值；

pmax,ΔT——下一次的計(jì)劃?rùn)z測(cè)時(shí)間內(nèi)允許的最大工作壓力，MPa；

r——腐蝕速率，mm/y；

S——管道許用應(yīng)力，MPa；

t——管壁檢測(cè)厚度，mm；

ΔT——檢測(cè)間隔時(shí)間，y。

然后對(duì)比管道的原始(設(shè)計(jì))壓力p和pmax,ΔT：如果pmax,ΔT≥p，下一次檢測(cè)時(shí)間合適；如果pmax,ΔT

(3)

式(2)、(3)適用于腐蝕速率已知、管道采取了內(nèi)外防腐措施的情況。

1.2 層次分析法+PARLOC數(shù)據(jù)庫(kù)/專家評(píng)分法+風(fēng)險(xiǎn)矩陣(方案二/三)

基于層次分析結(jié)構(gòu)(圖2、3)，依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)信息或者Kent評(píng)分系統(tǒng)估算各風(fēng)險(xiǎn)因子的發(fā)生概率和后果概率。然后由式(1)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)分值，用風(fēng)險(xiǎn)矩陣定義風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分采用表1的方式，分6級(jí)。

表1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣等級(jí)劃分

1.3 懸空模型(方案四)

懸空長(zhǎng)度的校核一般依據(jù)靜態(tài)臨界懸跨長(zhǎng)度理論或者依據(jù)為避免懸跨段出現(xiàn)渦激共振的理論估計(jì)臨界懸跨長(zhǎng)度。具體參考DNV RP F105和F109，筆者通過調(diào)用渤海海洋管道安全模塊，得到臨界懸跨長(zhǎng)度L1。將計(jì)算的臨界懸跨長(zhǎng)度L1與管道外部調(diào)查發(fā)現(xiàn)的實(shí)際懸跨Ls對(duì)比。將L1與Ls的差距，與管道因懸跨段失效的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高低相對(duì)應(yīng)。如果沒有外檢測(cè)數(shù)據(jù)，由DNV RP F105 推薦標(biāo)準(zhǔn)粗略估計(jì)懸跨段的失效概率等級(jí)和后果等級(jí)。最后參照風(fēng)險(xiǎn)矩陣的方式確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(表1)。

2 渤海海洋管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)例

2.1 海洋管道的懸空風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

遼東灣作業(yè)區(qū)水下調(diào)查發(fā)現(xiàn)多條海管(全長(zhǎng)14.3 km)有懸跨現(xiàn)象。計(jì)算的臨界跨長(zhǎng)約為33.7m。用定量方案四，估計(jì)該混輸海管3處懸跨的風(fēng)險(xiǎn)得分和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見表2。結(jié)合方案二和方案三，可知懸空屬于發(fā)生概率較低但后果概率較高的風(fēng)險(xiǎn)因子。因此建議對(duì)評(píng)為H(高風(fēng)險(xiǎn))的懸跨段盡快治理，并提高聲學(xué)掃描檢測(cè)、取樣和巡航的頻率。對(duì)評(píng)為L(zhǎng)M(中低風(fēng)險(xiǎn))和L(低風(fēng)險(xiǎn))的懸跨段，按原定計(jì)劃保持路由勘察和/或聲學(xué)掃描。

表2 遼東作業(yè)區(qū)海底管道懸跨段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.2 海洋管道腐蝕的規(guī)范法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

以渤中29-4 WHPA平臺(tái)至渤中28-2S BOP平臺(tái)段海底管道為例進(jìn)行腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，該海管的立管段腐蝕裕量為6.00mm，平管段內(nèi)腐蝕裕量約為4.36mm(表3)。輸送管(內(nèi)管)無內(nèi)防腐涂層，平管段外部為3.20mm厚的低密度聚乙烯涂層。鋼管接頭處有熱縮帶纏繞。平管段為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)，陽(yáng)極材料為Al-Zn合金。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告可知，凹坑深度大部分在管道壁厚的10%～20%之間，平均為13%，即平均腐蝕深度約1.08mm。根據(jù)以上信息，可以選擇定量方案一進(jìn)行腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

表3 渤海海底管道的內(nèi)檢測(cè)基本信息

通過檢測(cè)壁厚可知腐蝕速率，然后預(yù)估下一次檢測(cè)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)間：

(4)

式中δ——檢測(cè)壁厚的精度，如采用漏磁檢測(cè)可取為10%；

ΔT——下一次檢測(cè)時(shí)間，y。

根據(jù)式(2)估算腐蝕海管的允許最大工作壓力以及最大檢測(cè)間隔時(shí)間的校核見表4。

表4 渤海海底管道腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(規(guī)范法)

按API規(guī)范計(jì)算的前提是海洋管道已采取足夠的防腐措施，包括注入緩蝕劑、敷設(shè)內(nèi)防腐涂層和管外陰極保護(hù)。實(shí)際上限于加工和施工的困難，渤海油田不少海洋管道未采取內(nèi)防腐涂層保護(hù)，而主要使用緩蝕劑和外加陰極保護(hù)。這也是管內(nèi)腐蝕速率相當(dāng)高的原因之一。管內(nèi)腐蝕屬于發(fā)生概率較高，后果概率較低的風(fēng)險(xiǎn)因子，結(jié)合以上分析，筆者提出該海管的檢測(cè)和維護(hù)建議如下：進(jìn)行常規(guī)的腐蝕掛片取樣監(jiān)測(cè)；降低管內(nèi)輸送物流速，增加緩蝕劑或更換緩蝕劑類型以減緩管內(nèi)腐蝕速率；兩年內(nèi)可按當(dāng)前工作壓力運(yùn)行；兩年后進(jìn)行智能清管器內(nèi)檢測(cè)；從而達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的目的；該海管運(yùn)行兩年，內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)十多處點(diǎn)蝕或環(huán)向腐蝕，有可能存在管材缺陷，應(yīng)該進(jìn)行深入的腐蝕機(jī)理分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)渤海油田的海洋管道建立了一套風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)方法，將多種定量方案有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋管道全面而重點(diǎn)兼顧的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)一為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)得分。用Matlab和C#混合編程編制了渤海油田風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模塊。以懸空管道和腐蝕管道為例，闡述其中方案一、四的主要原理和應(yīng)用，并針對(duì)性提出了內(nèi)外檢測(cè)的重點(diǎn)和維護(hù)建議。方案一適用于有內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)，特別是檢測(cè)壁厚或者檢測(cè)腐蝕速率的管道。方案四適用于有外檢測(cè)數(shù)據(jù)或者已發(fā)現(xiàn)懸空的管道。

[1] Dey P K, Ogunlana S O, Naksuksakul S.Risk-based Maintenance Model for Offshore Oil and Gas Pipelines:A Case Study[J].Journal of Quality in Maintenance Engineering, 2004, 10(3):169～183.

[2] White C B, Ekawati D, Kartika R.ExxonMobil oil Indonesia Inc.Risk Based Management of Hydrocarbon Sub-Sea Pipeline Free Spans[C].SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition, Indonesia：Jakarta, 2011：20～22.

[3] John G, Stokes P, Mclntosh P.Risk Assessments as Part of Pipeline Integrity Determination for Subsea oil & Gas Pipelines[C].NACE International Corrosion 2003.San Diego：NACE International Corrosion：2003.

[4] Dey P K.Decison Support for Inspection and Maintenance: A Case Study of Oil Pipelines [J].IEEE Transactions on Engineering Management, 2004,51(1):47～56.

[5] Bea R G, Ramos R, Hernandez R, et al.Risk Assessment & Management Based Criteria for Design and Requalification of Pipelines and Risers in the Bay of Campeche[C].Offshore Technology Conference 1998, Texas：Offshore Technology Conference ，1998：4～7.

[6] Petrone A, Scataglini L, Fabio F.B.A.R.T (Baseline Risk Assessment Tool) A Step Change in Traditional Risk Assessment Techniques for Process Safety and Asset Integrity Management[C].SPE International.Colorado：Annual Technical Conference and Exhibition, 2011.

[7] PARLOC 2001：The Update of the Loss of Containment Data for Offshore Pipelines[M].Croydon：Mott MacDonald Ltd，2003.

[8] Kent Muhlbauer W.Pipeline Risk Management Manual, Second Edition[M].Texas：Gulf Publishing Company, ,1996.

[9] 趙冬巖，余建星，王琮，等，基于風(fēng)險(xiǎn)的海底管道安全評(píng)估方法研究[J]，海洋技術(shù)，2010, 29(1):56～59.

[10] 何世亮.定量風(fēng)險(xiǎn)分析(QRA)及其在海底管道完整性管理方面的應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010：18～27.

[11] DNV-RP-G101, Risk Based Inspection of Offshore Topsides Static Mechanical Equipment[S].Norway: Det Norsk Veritas,2002.

[12] DNV-RP-F105, Free Spanning Pipeline[S] .Norway: Det Norsk Veritas,2002.

[13] DNV-RP-F107, Risk Assessment of Pipeline Protection[S] .Norway: Det Norsk Veritas,2010.

[14] API 570,Piping Inspection Code-Inspection, Repair, Alteration an Derating of In-Service Piping Systems[S].New York:American Petroleum Institute ,2006.