油氣長輸管道的風險評價研究

朱晏萱

(克拉瑪依職業技術學院，新疆 克拉瑪依 833699)

管道運輸現代國民經濟鐵路運輸、公路運輸、水路運輸、管道運輸、航空運輸這五大運輸方式中的一種重要運輸方式，近些年來，隨著油氣田的開采，以及不同區域油氣的調配，油氣管道的運輸安全問題已經成為影響我國國民經濟的大事，也是全國上下普遍關注的重要事項。油氣管道一旦破裂或損壞，輕的會造成管道的跑、冒、滴、漏現象，造成油氣損失，嚴重一點的會影響到能源的供應和儲備，造成企業停產停工，或者為人們生活帶來不便；更為嚴重的是還有可能釀成事故，有毒有害氣體釋放出來，為環境帶來嚴重污染；還會引發燃燒、爆炸等一系列可能造成人身傷亡的事故。所以，油氣管道的安全問題至關重要。

國內外對油氣長輸管道的風險評價技術研究距今已有幾十年歷史，各個國家都在研究管道運輸的安全問題，對油氣管道的安全評價采用不同的風險評估方法，在1992年，W Kent Muhlbauert提出了管道風險評價法，通過建立風險評價基本模型，結合各項指標計算出管道的相對風險數，確定管道風險等級。Muhlbauer風險評價法[1]在國內外對于長輸管道進行的風險評價工作，取得了一些成果[2]，目前國內外許多管道風險評價軟件都是以這個模型為基礎研制[3]，結合自己國家的實際情況，制定出相應的管道評價方法。

下面就某輸油管道進行風險評價方法進行分析研究，采用管道穿孔分析、凝管風險分析、斷裂風險評價等多種評價方法相結合，通過建立事故樹，并按照相應指標進行評定，最后綜合評價該管道總的風險情況。

1 管道腐蝕穿孔風險分析

1.1 管道內檢測技術

管道內檢測技術就是應用無損檢測等一些檢測技術，通過數據采集和處理，檢測、記錄管道的基本尺寸，例如：管道的直度、管道壁厚、管徑、管道內外腐蝕狀況、焊縫缺陷以及裂紋等情況[4]。內檢測器按其功能可分為用于檢查管道幾何形狀異常的變形檢測器，用于檢查管道金屬損失的金屬損失檢測器，用于裂紋、應力腐蝕開裂檢測的裂紋檢測器等。

1.1.1 幾何形狀異常檢測

采用測徑器檢測管道幾何形狀是否異常，在檢測過程中，檢測器的機械抓手壓著管道內壁并會因橫斷面的任何變化引起偏移，若測徑器有偏移信號，則有可能是因為管壁的凹陷、偏圓、褶皺或者附著在管壁上的碎屑引起。通過捕捉到的偏移信號轉換為電子信號存儲到機載的存儲器上，用合適的軟件將完整運行一次后的數據取出并加以分析和顯示，可以確定這些可影響到管道完整性的異常點。

1.1.2 管道漏磁檢測

管道的金屬損失缺陷可以通過漏磁幾乎檢測出來，同時也可檢測到管道的裂紋缺陷和凹痕、起皺，甚至一些不足以影響管道結構完整性的小缺陷也能檢測出來。漏磁檢測技術較為簡單，通過常規漏磁檢測器繞管道軸向方向，通過輸出信號就可檢測出管道存在的相應缺陷的類型、尺寸等。對于很淺、很長或很窄的金屬損失缺陷，漏磁技術難以檢測出來，檢測精度也會受到多種因素的影響。在對管道的檢測過程中，要求管壁達到磁性飽和，管壁厚度越大，檢測精度越低，檢測器的運行速度也會影響檢測結果的準確性，在不影響正常輸量的前提下提高進出速度和檢測準確性。

1.1.3 管道裂紋檢測

管道裂紋檢測最常使用的技術是超聲波檢測[4]，超聲波檢測器在使用超聲波在管壁內傳播，如果超聲波遇到裂紋，就會返回到傳感器，能夠以檢測到管道內部或外部裂紋，通過測量和計算具體數值，就能確定缺陷的位置和大小。裂紋可能由管材的缺陷、材料空隙、夾雜物或凹陷、局部脆性區域及應力、疲勞、腐蝕等造成的，而裂紋類缺陷是管道中最為嚴重的存在缺陷，對管道的威脅極大。采取相應的檢測技術，準確地檢測出管道的裂紋缺陷，對管道的安全評價非常重要。

1.2 管道外檢測技術

管道外檢測技術主要是對管道外防腐層質量的檢測分析[5]，工程上通常以非破壞性的電性能檢測來控制和檢查管道外防腐層質量，本文主要介紹以下三種方法。

1.2.1 泄漏電阻測量法

單位面積防腐層涂層和大地的電阻，用負偏移電位和泄漏電路密度比值表示，稱為泄漏電阻。具體計算可參照標準SY/T0023。

通過外加電流法來測量泄漏電阻，測量示意圖見圖1。

圖1 外加電流法測泄漏電阻Fig.1 Leakage resistance measured by the applied current method

在管道上選擇4個通電點，a、b、c、d，通電前，先測試a、c兩點自然電位和陰極保護供電后的保護電位值，計算a、c兩點的負偏移電位，采用電壓降法或補償法測試ab和cd兩管段電流，按式(1)計算該管段外防腐涂層漏電阻ρA(Ω·m2)：

(1)

1.2.2 防腐層絕緣電阻率測量

運用電流-電位法測量絕緣電阻率。測量時，選擇3個點測試通電電位和斷點電位的電位差，取3個電位差的平均值E(V)，再根據被測管道長度、直徑計算出管道表面積S(m2)，用式(2)求出覆蓋層電阻R(Ω·m2)：

R=ES/I

(2)

1.2.3 涂層破損點檢漏技術

在地面上通過向管線輸入直流或交流電、磁等信號，然后檢測這些信號沿管線的變化，獲得涂層漏點的信息。當直流電信號按周期向管道輸送時，在涂層缺陷處有電流流入或流出管道，對應的管線正上方的地表及離管線一定距離處會產生電位差。

電位差的大小和電流大小相關，由此可以推斷出涂層缺陷的大小；電位差的方向代表電流流出或流入管道。在陰極保護通電河段的下可以分別檢測涂層漏點性質，有以下四種漏點類型：

(1)陽極-陽極型

這類漏點不能被陰極保護系統所保護，和陰極保護系統無關。這類漏點正在發生腐蝕的熱點，不能確定是否消耗保護電流，所以是管道外檢測評價中最關心的漏點，必須開挖直接檢查才能確定。

(2)陰極-陽極型

這類漏點在陰極保護系統下處于被保護狀態，在陰極保護系統斷開時處于陽極腐蝕狀態。

(3)陰極-中性型

這類漏點在陰極保護系統下處于被保護狀態，在陰極保護系統斷開時處于自然腐蝕狀態。所以這類漏點可能發生腐蝕也可能不發生腐蝕，與管道所處自然環境有關，不需要特別關注。

(4)陰極-陰極型

在陰極保護系統下漏點處于被保護狀態，陰極保護系統斷開后，漏點能繼續保持極化，所以這類漏點消耗保護電流，只有在陰極保護系統不正常工作時才會發生腐蝕。

1.3 管道外部腐蝕的直接評價法

管道完整性評價的重要組成部分是直接評價法，這些直接評價方法一般采用常規手段，數據容易獲得，評價結果有參考價值，而且成本低、易實施。

2002年美國腐蝕工程師協會提出ECDA直接評價法較為成熟，應用較廣泛。

ECDA直接評價法包括以下四個步驟：

(1)預評價

需要收集被評價部分管道歷史數據、當前數據和基本物性，按照數據需求確定關鍵數據。通過預評價確定ECDA可行性，劃分ECDA評價區和選擇間接檢測工具。

(2)間接檢測

以地面檢測為主，在測量前，對確定的每個ECDA評價區邊界進行確認并標記清楚，所選距離要選用足夠小距離間隔來實現詳細評價，能夠使檢測工具發現和定位涂層上的可疑缺陷，并且確定涂層缺陷的嚴重程度和管道上已發生或可能發生的腐蝕。

(3)直接檢查

直接檢查就是根據間接檢測結果指示的缺陷位置確定開挖優先權，分為立即開挖、計劃開挖和監控暫不開挖等等。對于間接檢測結構所指示最嚴重等級部位進行直接開挖，開挖后的管道表面要進行直接檢查，測量和采集數據，確定每個ECDA評價區需收集的必需量數據，并且在開挖暴露管道表面后對管道和環境進行檢查，收集數據包括涂層性能，腐蝕缺陷修復和防腐措施的采用等等。

(4)再評價

通過分析預評價、間接檢測和直接檢查三個步驟所得的數據來驗證ECDA直接評價法的有效性，包括：

剩余壽命計算，對于沒有發生腐蝕缺陷的管道，不需要進行剩余壽命計算，對于有缺陷的，需要采取剩余壽命的評估方法進行計算。

再評價時間間隔，直接檢查中如發生腐蝕缺陷，每個ECDA評價區的最大再評價加個應取計算剩余壽命的一半。

ECDA有效性評價，ECDA直接評價法是一個連續提高的過程，根據數據的可靠性、重復性、應用程度、結果等內容，需要通過長期跟蹤來評價。

信息反饋，通過反饋信息來改善ECDA直接評價法的應用。

1.4 管道腐蝕穿孔失效概率及失效后果計算

按照風險分段，將待評價管線分為幾段，對每段的腐蝕缺陷進行統計分析，以此得出每段管道的腐蝕穿孔概率。

埋地管道發生腐蝕穿孔引起泄漏，對環境產生污染主要是對土壤的污染和跨越處對河流造成的污染，可通過具體風險評估模型計算腐蝕穿孔后原有的泄漏量和所帶來的損失。最終獲得腐蝕穿孔風險值計算公式(3)：

Risk=FC

(3)

式中:Risk為風險值；F為失效概率；C為失效后果。

2 打孔盜油風險分析

輸油管道打孔盜油是長輸管道安全運行的重大安全隱患，打孔盜油時間的發生與管道所處位置以及環境有較大關系，通常是容易發生打孔盜油的部位[6]及風險情況如圖2所示。

圖2 打孔盜油風險分析圖Fig.2 Risk analysis of oil theft by drilling

可以通過模糊影像圖計算出風險變化百分比X，再根據公式(4)計算出打孔盜油的風險值。

R打孔=F·CoF=(1+X)F0·CoF

(4)

式中:F0為打孔盜油在該管道以往發生的頻率；CoF為估計一次損失值，萬元。

3 凝管風險分析

管道停輸時間過長或者流量過低、違反操作規程等，都會造成管道凝管、蠟堵等事故，凝管后會造成巨大的經濟損失。國內曾有輸油管線因流量過低引起結蠟或操作不當造成管道初凝等，造成了嚴重不良影響。

根據凝管失效概率和凝管后果計算，凝管風險值如式(5)計算:

Risk=FC

(5)

式中:Risk為風險；C為后果；F為概率。

4 斷裂風險評價

埋地輸油管線在役期間不容易發生斷裂事故，曾有輸油管線斷裂是因遇到地震造成的，斷裂事故可對環境造成污染以及產生大的經濟損失。

斷裂風險由式(6)計算：

R斷裂=F·CoF斷裂=(1+X)F0·CoF斷裂

(6)

式中:F為事故發生概率；X由模糊影響圖計算得出的風險變化的百分比；F0為該風險因素過去在改管道上的發生的頻率；CoF為估計斷裂損失值,萬元。

5 風險結果評價

通過對某輸油管道的風險分析，穿孔、斷裂和凝管為各自獨立的風險因素，可以將直接相加計算其總風險。

表1 某輸油管線風險結果評價表Table 1 Risk result evaluation table of an oil pipeline

6 結 語

根據油氣長輸管道的風險評價法，對影響管道風險的四個因素進行分析，確定風險等級后，根據該管道的風險水平建立相應的完整性維護決策系統，判斷哪類風險是造成總風險超過標準的主要因素，重點采取措施控制該類風險。