考慮生產中斷損失的天然氣站場管道風險量化評價方法

陳傳勝 羅云懷 廖柯熹 鄒 慶 王 亮

（1. 國家管網(wǎng)集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430074；2. 西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

0 引言

天然氣長輸站場完整性管理主要基于風險檢驗的方法[1]，通過對站場的設備、管道和儀器儀表進行歸類，建立對應的風險評價方法。站場設備按照工作性能可以分為三類，靜設備、動設備和儀器儀表?；诓煌C制有基于風險的檢驗（RBI）、以可靠性為中心的維護（RCM）、安全完整性分級（SIL）評價方法[2]。RBI方法用于站場不同等級的管道，以及過濾分離器等壓力容器的靜設備中，它是將站場的經濟性和安全性相互結合的風險評價方法[3,4]。該方法主要通過設備失效概率及失效后果計算失效風險。天然氣長輸站場管道風險評價基礎是識別危險源，將危險源劃分為直接危險源和間接危險源[5]，從而基于上述方法展開評價。

目前國內外眾多學者就站內不同設備展開了不同形式的評價。李賀春[6]就天然氣長輸站場SCADA系統(tǒng)運行進行風險評價；黃濤等[7]就天然氣長輸站場設備管理進行了分析；彭玉霞[8]對天然氣長輸站場計量檢定流程的事故失效概率進行了研究；梁清荃[9]對站場火災和爆炸事故危險程度進行了定量風險評價；趙永利[10]對站場壓力容器和管道作業(yè)安全控制措施進行研究；段崇偉[11]就站場的EDS閥門意外關停事故進行了分析；靳琛[12]將HAZOP方法用于天然氣長輸站場危險評價；陳松[12]等對天然氣長輸站場內部管網(wǎng)進行了完整性評價。

本文基于川氣東送站場管道，考慮站場生產中斷損失，開展天然氣長輸站場管道定量管道風險評價。基于站場工藝管道泄漏風險評價方法，考慮人員傷亡、設備損壞損失、生產中斷損失、關聯(lián)設備損失、維修維護成本等后果，建立管道風險評價模型，量化站場重點區(qū)域風險，給出管道風險可接受準則，研究結果對天然氣長輸站場安全運行具有重要指導意義。

1 天然氣長輸站場工藝管道風險量化評價方法

1.1 天然氣長輸站場工藝管道失效概率計算模型

1.1.1 站場管道單個缺陷失效概率

天然氣長輸站場工藝管道中，腐蝕是造成管道

失效的最主要影響因素之一，其造成管道失效的原因是腐蝕穿孔。站場輸氣管道失效概率與腐蝕穿孔概率關系如式（1）所示，二者并不相等，還與站場管道管理水平及復雜程度存在關系。當管理水平高時和管道復雜程度低時，管道功能失效概率小于管道穿孔失效概率。

式中：Pf為輸氣管道的失效概率；Pf1為由腐蝕穿孔失效導致的失效概率；FE為修正系數(shù)；FM為管理系數(shù)。

管道穿孔失效概率與三方面因素有關，主要為管道材質、運行工況、介質屬性。根據(jù)挪威船級社DNV標準推薦的腐蝕管道穿孔失效概率方法，其計算管道穿孔失效概率方法為式（2）至式（5）：

式中：Δt為壁厚損失值，其值為Vcorr（T-T0），其中Vcorr為腐蝕速率，mmT0為管道首次投用年限，年；T為開始評估年限，年；fσ為管道表面流變應力，MPa；t0為管道初始壁厚，mm；P為運行壓力，MPa；d為管道內徑，mm；Pσ為壓力的方差，值為0.05P；fσσ為流變應力的方差，值為0.2fσσ；σΔt為壁厚損失的均方差，值為0.1Δt；為對壓力偏導數(shù)，值為-為流變應力偏導數(shù)，值為為壁厚損失偏導數(shù)，值為為穿孔失效概率；Φ標準正態(tài)分布函數(shù)；β為可靠性指數(shù)。

腐蝕造成管道壁厚減薄，進而造成管道穿孔，其穿孔失效概率和介質的運行壓力、管道直徑、壁厚、缺陷尺寸，包括缺陷深度、長度、以及管材表面的流變應力有關。

1.1.2 站場管道及關聯(lián)設備復雜缺陷失效概率

計算復雜缺陷下管道失效概率方法先計算管道失效壓力，將失效壓力帶入小孔泄漏下極限狀態(tài)方程求得復雜缺陷的管道失效概率。復雜缺陷條件下管道失效壓力計算方法挪威船級社（DNV）DNVRP-F101標準給出的基于需用應力計算法：

式中 bσ為材料抗拉強度，MPa；M為長度校正系數(shù)。

求得復雜缺陷管道失效壓力，按照腐蝕管道小孔泄漏下極限狀態(tài)方程，如式（8）和式（9）所示：可以求出對應的μg。

求得μg后，按照式（4）和式（5）即可求得復雜缺陷下管道失效概率。

1.1.3 管道及關聯(lián)設備修正系數(shù)和管理修正系數(shù)

（1）管道及關聯(lián)設備的修正系數(shù)FE

設備修正系數(shù)FE取值在0.1～20之間。參數(shù)FE=1反映設施設計和作業(yè)情況能夠達到國際平均水平。FE影響因素包括設備設計情況和復雜程度、腐蝕速率、維修保養(yǎng)等。設備修正系數(shù)由機械因子、損傷因子、工藝因子、通用因子組成，通過因子可辨別可能對設備失效概率有影響的特定情況。換算才能得到設備修正系數(shù)，換算如表1所示。

表1 設備修正系數(shù)換算表

（2）管理修正系數(shù)FM

輸氣站場管理水平評價使用管理系統(tǒng)修正系數(shù)，對站場中同一個裝置內的設備項，其管理系數(shù)數(shù)值相同。當對整個裝置的風險水平進行比較或對不同裝置或裝置之間的類似設備項的風險值比較時，其影響相當大。

在管理系統(tǒng)評估中，總分為100分，滿分意味著總體單元的風險等級降低。管理修正系數(shù)計算如式（10）所示。

式中：S為管理系統(tǒng)評估分數(shù)；FM為管理修正系數(shù)。

1.2 天然氣長輸站場工藝管道失效后果計算模型

天然氣工藝管道一旦發(fā)生事故，其造成的后果主要包括功能性損失后果和經濟性損失后果。功能性損失后果包括人員傷亡情況、關聯(lián)設備損失失效后果。經濟性損失后果包括營業(yè)中斷后果損失、設備損壞后果經濟損失和人員傷亡損失后果。

（1）人員傷亡損失后果

本文在計算失效后果時，不考慮爆炸后果，只考慮燃燒熱輻射和缺氧窒息影響面積。在天然氣發(fā)生泄漏后，造成的失效后果是組合形式的，需要考慮二者組合面積。其中燃燒面積又可分為設備損傷面積和人員損傷面積，組合燃燒影響面積Aflam的計算方法如式（11）所示，Aflam包括人員損傷影響面積和燃燒設備損傷影響面積兩種。在計算設備燃燒損傷影響面積時，由設備損傷熱輻射閾值確定；在計算人員燃燒損傷影響面積時，由人員損傷熱輻射閾值確定。

式中：Af,i為泄漏孔徑i的可燃致死面積，m2；Aflammable為總可燃致死面積，與Aflam有關，m2；Cinjury為人員賠償損失，元；n為人口密度，人/m2；

（2）管道及關聯(lián)設備損壞損失

管道及關聯(lián)設備損失的后果主要為經濟風險損失，通過計算得到失效后果的影響范圍后，從而計算其失效后果的經濟損失，管道及關聯(lián)設備的損失后果轉換為以金錢表征的后果。管道及關聯(lián)設備損壞損失包括失效管道本身損失和關聯(lián)設備損失。

管道及關聯(lián)設備破壞后果經濟損失的計算方法如式（14）～式（16）所示：

式中：Ae,i為泄漏孔徑i的設備破壞面積；Aequipment為管道及關聯(lián)設備總破壞面積，m2；LOFgeneric為設備四種泄漏孔失效頻率之和；fi為泄漏孔徑i的同類失效頻率；Requipment,i為孔徑i泄漏時的設備破壞成本，元；requipment為設備單位面積修理成本，元/m2；m為設備成本系數(shù)。

（3）生產中斷損失

由于管道失效破壞，造成營業(yè)中斷后果Coutsge計算方法如式（17）和（18）所示。

式中：toutage為生產停工時間，天；coutage為每天營業(yè)中斷損失；ti為泄漏孔徑i相應設備估計停工時間，天。

（4）總失效后果COF計算

1.3 天然氣長輸站場工藝管道風險量化計算模型

由各種形式、單一風險每一危害程度綜合而成的系統(tǒng)整體風險就是系統(tǒng)的總風險，即綜合站場管道及關聯(lián)設備各個單項風險就是站場管道及關聯(lián)設備系統(tǒng)總風險。

在計算得到站場管道及關聯(lián)設備失效概率與站場失效后果后，站場管道風險計算如式（20）所示：

式中：R為風險；Pf,i為站場內不同工藝管道的失效概率。Ctotal,i為站場內不同工藝管道的失效后果總和。

其中：

站場管道及其關聯(lián)設備主要包括工藝管道、收發(fā)球筒、匯管、放空管道，所以站場管道及關聯(lián)設備總的風險如式（22）所示：

因此，站場管道及關聯(lián)設備總體風險計算公式：

2 天然氣長輸站場工藝管道風險計算應用

普光首站功能為接收普光凈化廠來氣，經組份及硫化氫含量分析、過濾分離、計量、增壓后外輸至川氣東送干線。普光首站基本功能區(qū)域包括氣質檢測分析、過濾沉降、計量、調壓、放空、收發(fā)球以及分輸?shù)葏^(qū)域。因此基于上述模型計算各類管道失效概率及風險，進而判斷站場管道風險等級。普光首站有工藝管道、干線收發(fā)球筒、聯(lián)絡線收發(fā)球筒、匯管、放空管。

2.1 站場工藝管道失效概率計算

根據(jù)失效概率計算方法計算普光站各類工藝管道腐蝕穿孔失效概率。根據(jù)表2中普光首站站內工藝管道基本參數(shù)計算對應腐蝕速率，該腐蝕速率下失效概率采用蒙特卡羅法計算。

表2 普光首站站內工藝管道基本參數(shù)及腐蝕速率

2.2 站場工藝管道失效后果計算

對于壓力容器的天然氣泄漏的流動速度為音速，基于相關標準計算氣體的泄漏量。普光輸氣站天然氣密度為0.619kg/m3，Cd=1。以工藝管道為例，計算管道腐蝕穿孔失效后的關聯(lián)設備破壞后果、營業(yè)中斷后果、人員傷亡后果、總失效后果。

（1）關聯(lián)設備破壞后果計算

普光輸氣站各個設備單位面積修理成本價格為requipment=4600元，設備穿孔失效破壞成本Requipment，營業(yè)中斷天數(shù)ti。

總設備破壞面積計算如式（24）所示：

設備破壞后果Cequipment=36.9萬元。

（2）營業(yè)中斷后果如式（25）所示

已知普光首站2021年平均小時輸氣量6.59×105Nm3/h，天然氣價格采用0.95元/ Nm3，則coutage=62.6萬元/天，toutage=4.408天。

則Coutage=coutage×toutage=62.6×4.408=275.9萬元。

（4）人員傷亡后果計算

已知普光輸氣站人員密度為0.00067人/m2，人員賠償損失為34萬元/人，計算可得：

故得到人員傷亡成本：Cinjury=Aflamable×n×cinjury=4.3萬元。

（5）總失效后果COF計算

計算Cequipment+Coutage+Cinjury=317.1元，0.5（Cequipment+Coutage+Cinjury）1.05=211.5萬元，所以COF=317.1萬元。

2.3 站場工藝管道風險計算

基于公式計算管道及關聯(lián)設備的風險值總風險。按照普光輸氣站場管道風險接受準則，各個設備風險等級如表3所示。

表3 普光輸氣站管道及聯(lián)系風險等級

通過對站場管道及關聯(lián)設備分析，計算總體風險，得到站場管道及關聯(lián)總體風險評價結果，如圖1所示。評價的管道及關聯(lián)設備風險具體情況為：當前沒有高風險管道，有1個中高風險管道，4個中風險的管道，6個低風險管道。通過分析管道所在區(qū)域得到，站場壓縮機區(qū)域工藝管道和過濾區(qū)工藝管道為中高風險管道，日常工作中，應加強對中高風險地區(qū)的監(jiān)測。

圖1 站場管道及關聯(lián)設備風險等級圖

3 結語

（1）建立了站場工藝管道及關聯(lián)設備失效概率模型，失效后果計算模型。計算了工藝管道及關聯(lián)設備失效風險。失效后果主要考慮了單缺陷工況和復雜缺陷工況情況下的設備失效經濟損失、人員傷亡經濟損失和生產中斷造成的經濟損失；

（2）對站場主要工藝管道及關聯(lián)設備進行了風險計算，將其換算為失效經濟損失的形式，對站場主要工藝區(qū)的管道及關聯(lián)設備進行計算，得到總后果損失在70～422萬元。沒有管道處于高風險，其中屬于中高風險管道為1處，中風險管道4處，低風險管道6處。站場壓縮機區(qū)域工藝管道和過濾區(qū)工藝管道為中高風險管道，其它區(qū)域為低風險管道。日常應加強中高風險管道監(jiān)測，適時開展壁厚檢測。