油氣儲運工程論文(華東石油大學)-長輸管道基于風險的評價方法

1、.中國石油大學（華東）現(xiàn)代遠程教育畢業(yè)設計（論文）題 目： 長輸管道基于風險的評價方法 學習中心： 石油管道學習中心 年級專業(yè)： 網(wǎng)絡13秋季油氣儲運工程 學生姓名： 程慧榮 學 號：指導教師： 王學東 職 稱： 副教授 導師單位： 中國石油管道學院 中國石油大學（華東）遠程與繼續(xù)教育學院論文完成時間： 2015 年 7月 8 日中國石油大學（華東）現(xiàn)代遠程教育畢業(yè)設計（論文）任務書發(fā)給學員 程慧榮 1設計(論文)題目： 天然氣利用技術及其應用 2學生完成設計(論文)期限： 2015 年 01 月 01 日至 2015 年 08 月 20 日 3設計(論文)課題要求：

2、根據(jù)自己所學專業(yè)知識、工作內(nèi)容選擇畢業(yè)設計課題，初步確定畢業(yè)設計的題目和主要內(nèi)容；按進度要求完成論文,論文主體要符合一般學術論文的寫作規(guī)范，具備學術性、科學性和一定的創(chuàng)造性。論文應文字流暢，語言準確，層次清晰，論點清楚，論據(jù)準確，論證完整、嚴密，有獨立的觀點和見解。 4實驗（上機、調(diào)研）部分要求內(nèi)容： 調(diào)研要充分,熟悉與課題相關的技術信息。 5文獻查閱要求：參考文獻反映畢業(yè)設計(論文)的取材來源、材料的廣博程度和材料的可靠程度。參考文獻不宜過多，只列作者直接閱讀過、在正文中被引用過的中外文獻資料。 6發(fā) 出 日 期： 2015 年 01 月 01 日 7學員完成日期： 2015 年 7月 8

3、日指導教師簽名： 王學東 學 生 簽 名： 程慧榮 摘 要管道風險評價普遍采用以Kent打分法為代表的定性方法，本文提出了一種新方法，即定量風險評價(QRA)，采用基于管道失效歷史數(shù)據(jù)庫和巳有成熟的數(shù)值模型，進行管道失效概率分析和失效后果分析，并以此方法在某輸氣管道上進行了驗證，最后得到管段的絕對風險和人口密集段的個人風險，并進行了風險預剝。研究表明，QRA受人員主觀判斷影響較小，計算方法科學合理，結果量化，對進行檢測與維護維修資源的分配具有很好的指導意義。關鍵詞：管道，定量風險評價法(QRA)，個人風險，失效歷史數(shù)據(jù)庫，完整性管理目 錄第1章 前言.1第2章 管道定量風險評價(QRA)簡介.

4、1第3章 QRA的主要技術.23.1 管道失效概率分析.33.2 管道失效后果的計算.43.3 風險的計算.4第4章 QRA實例.5第5章 結論.8參考文獻.10致 謝.11;第1章 前 言管道風險評價按照最后結果的量化程度，可以分為定性方法、定量方法兩種。定性方法以W. Kent Muhlbauer于1995年著的“管道風險管理手冊”為代表，簡稱Kent打分法，至今已是第二版，仍在世界上各管道公司廣泛使用，定量方法近幾年才出現(xiàn)，以QRA(Quantitative Risk Analysis)為典型代表，國外管道公司一般也以定性方法為主，對復雜項目和重點管段才采用QRA。國內(nèi)管道風險評價基本上

5、還處于起步階段，理論研究較多，油氣場站評價較多，簡單方法采用較多，如故障樹(FAT)的定性分析、作業(yè)條件危險性評價(LEC)等。為突破傳統(tǒng)的定性評價方法，也有一些研究結合了數(shù)學方法，如模糊數(shù)學，以實現(xiàn)定量的評價，但基本還處于理論研究階段，無工業(yè)應用。油氣長輸管道是國家經(jīng)濟的大動脈，直接服務沿線工業(yè)的生產(chǎn)和城市居民的普通生活。但管道又屬于危險源，一旦發(fā)生泄漏事故，易燃易爆的高壓介質(zhì)迅速擴散，對沿線造成較大危害。如1999年美國華盛頓Beirut市一條成品油管道發(fā)生泄漏起火事故，造成2人死亡，大量油品泄漏，環(huán)境嚴重污染；2000年美國加州的CarIsbad市一條天然氣管道泄漏并爆炸，造成12人死亡

6、；2004年，陜西榆林境內(nèi)某輸氣管道發(fā)生泄漏，緊急疏散方圓10km內(nèi)人員，造成惡劣影響。管道完整性管理是一種主動預防的管道管理方法，是先進管道公司管理經(jīng)驗的總結提煉，以被國際上眾多管道公司所采用，如著名的Enbridge管道公司、加拿大彩虹管道公司等。目前，美國法規(guī)已經(jīng)強制要求各管道公司必須對管道實行完整性管理，而完整性管理的基礎是管道的風險評價，其主要目的是識別危害和管段風險排序，以完成對管道檢測、維護維修資源的科學決策。所以進行風險評價的研究，開發(fā)有效的風險評價實施方法，對保證管道完整性管理的實施，保障油氣管道的安全運行，具有重大的意義。第2章 管道定量風險評價(QRA)簡介量化風險分析(

7、QRA)是運用數(shù)學手段預測工程建設項目發(fā)生事故的風險，同時提出降低風險的方法。該方法最早起源于上世紀40年代中期，用于核工業(yè)的量化風險分析。石油化工行業(yè)于上世紀60年代開始運用該方法進行安全風險管理。近年來，隨著國內(nèi)大型獨資、合資石油化工項目的建設，QRA作為安全風險控制方法之一，已開始應用于國內(nèi)石油化工建設項目的安全管理。地對系統(tǒng)現(xiàn)有安全措施的有效性進行分析。通過量化的數(shù)據(jù)對現(xiàn)有設計中的平面布置、工藝過程及各項安全措施等對項目風險計算結果的影響進行分析，從而確定現(xiàn)有安全措施的有效性。QRA是一種管道風險評價的最新方法，其主要有以下幾點特點：1)QRA計算推導過程充分借鑒了之前的管道失效歷史數(shù)

8、據(jù)，和已有成熟的經(jīng)驗模型，相比一些定性打分法，更顯科學合理。2)分析過程主要是定量的數(shù)值計算，受評價人員的主觀判斷影響較小，結果統(tǒng)一性好。3)QRA最后的結果以定量的形式給出，結果有明確的實際意義，便于制定風險可接受標準，判定風險的可接受性。4)QRA便于進行情景分析和風險預測，實現(xiàn)真正的風險管理，推進管道完整性管理的實施，保障管道的安全運行。QRA是一種純定量的方法，是目前管道風險評價的最新成果，其結果一般是具體的數(shù)值，且有量綱。QRA主要基于管道歷史失效數(shù)據(jù)庫進行，通過將實際管道與失效數(shù)據(jù)庫中的抽象管道對比，并通過一些經(jīng)驗模型進行公式推導，從而得到相應結果，如絕對失效概率，管段年千米經(jīng)濟損

9、失等。QRA主要流程如圖1所示。圖1 QRA流程第3章 QRA的主要技術QRA的主要技術有管道失效概率分析，失效后果分析，以及最后風險值的計算，這幾個過程與傳統(tǒng)的Kent打分法不同的是，不需要管道專家進行主觀的定級判斷，基本是基于歷史數(shù)據(jù)庫和數(shù)值模型推導。下面將一一介紹。3.1 管道失效概率分析影響管道安全的因素大抵可分為以下幾類：1)腐蝕，包括內(nèi)腐蝕、外腐蝕和應力腐蝕開裂(SCC)。2)管體缺陷，包括制管缺陷和施工期間造成的缺陷。3)第三方破壞。4)誤操作。5)設備缺陷。6)自然與地質(zhì)災害，包括滑坡、泥石流、崩塌、地表沉陷等。7)疲勞。有些管道應力腐蝕開裂和疲勞等問題并不存在或不嚴重，可不考

10、慮。QRA中在計算管道失效概率時，將各類因素分別考慮，以下式來計算： （3-1）式中，F(xiàn)p各原因引起管道失效的概率；Fg通用失效概率。統(tǒng)計大量事故案例得到的管道平均失效概率；Ft每種失效模式所占的比例，各失效模式有管道小泄漏、大泄漏和破裂；Fa修正系數(shù)。其中，F(xiàn)g和Ft是根據(jù)歷史失效數(shù)據(jù)庫得到的，F(xiàn)a是將管道的實際情況與歷史庫中管道實際情況對比得到的修正系數(shù)。歐洲和北美很多國家的一些組織和協(xié)會早在30年前，就開始收集和統(tǒng)計工業(yè)事故失效案例，并建立大型的歷史失效數(shù)據(jù)庫，其中有名的管道失效數(shù)據(jù)庫有AGA，EGIG等，一些公司也建有自己的歷史失效數(shù)據(jù)庫。由于積累了大量的管道失效案例，各個歷史失效數(shù)據(jù)

11、庫的統(tǒng)計值相差不大，一般不會超過一個數(shù)量級。各失效原因引起的管道失效模式所占比例Ft是不一樣的，例如：腐蝕引起的絕大部分失效為小泄漏；而地質(zhì)災害則有一半為管道破裂。美國聯(lián)邦應急管理中心(FEMA)1999年公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，地震引起的管道失效模式為：80%的管道破裂，20%的管道泄漏。歷史失效數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)計得到的各失效概率是針對代表性的管道的，如統(tǒng)計標明，應力腐蝕開裂引起的管道失效概率為3×10-5，其針對的代表性管道的屬性如下：管道年齡：20年；管徑：914mm：壓力：6.895MPa；是否易于形成局部腐蝕環(huán)境：一般；管體對應力腐蝕開裂的敏感性：一般；壁厚：9.14mm；SMYS：

12、448MPa。如果被評價管道與上述屬性有較大差異，則通過Fa來修正。3.2 管道失效后果的計算管道泄漏后果大小影響因素眾多，有泄漏介質(zhì)屬性、泄漏量大小及泄漏點環(huán)境等，泄漏之后的事態(tài)發(fā)展可用事件樹來進行分析，圖2所示的事件樹以天然氣管道為例。圖2 天然氣管道泄漏事件樹如圖2所示，天然氣管道泄漏后，有4種后果模式。各種后果模式所導致的后果大小是不一樣的，以VCE+VC模式為最。各后果模式所占比例也是變化的，主要與管道失效模式及管道周圍的土地用途有關，風向及風速也有一定影響。最后的比例也是可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的。各后果模式最后的影響可以分為人員傷亡和經(jīng)濟損失，危險液體管道還需要考慮環(huán)境破壞影響，

13、每種后果模式造成的各類影響需要分別估算，并在最后都可以折算為經(jīng)濟損失大小(單位為元或美元)。例如：計算人員傷亡影響，首先要考慮泄漏量。天然氣的泄漏量與泄漏速率、流速、截斷閥位置和緊急響應時間有關。已有一些經(jīng)驗公式可以采用。然后根據(jù)圖2中事件相對的4種后果模式分別作用于人體產(chǎn)生的影響，主要是火災、爆炸、熱輻射、中毒和窒息等對人體的影響，結合各影響因素作用于人體導致死亡的下限值，計算得到最后的人員傷亡情況。3.3 風險的計算由于管道各屬性沿管道一直是變化的，如壁厚、壓力、高程、土地用途等，所以需要將管道分為多個管段，各相鄰的兩個管段必有一個屬性不同。根據(jù)上面的計算，可以得到每個管段的失效概率和失效

14、后果，最后用下式進行綜合，可以得到管段的風險值。 （3-2）式中，R風險；F失效概率：C失效后果；J各管段；K失效模式(k=1為小泄漏，k=2為大泄漏，k=3為破裂)：L失效原因(內(nèi)腐蝕、外腐蝕、第三方破壞等，L為總數(shù))；M后果類別(人員傷亡、經(jīng)濟損失、環(huán)境影響等)。風險值的單位為元/km·a(元每千米每年)，表示管道每年每千米可能的經(jīng)濟損失大小。由于管道泄漏造成的人員傷亡所產(chǎn)生的影響最為惡劣。對于單點的風險絕對風險計算，QRA還專門提供表征人員傷亡影響大小的指標個人風險值(Individual Risk)，表示人員在管道周圍某一點死亡的概率。在英國、荷蘭等國家還制定了個人風險值的可

15、接受標準，這樣就可以很方便地衡量管道的安全性，管道管理者也可以確定是否需要采取措施來降低風險。第4章 QRA實例對某天然氣長輸管道中一段進行QRA分析，此段管道長210km，運行壓力6.4MPa，管徑711mm，前期收集管道屬性77個，涉及管道本體、運行、環(huán)境和維護措施等多個方面。每個屬性整理為隨著管道里程而變化的格式，根據(jù)管道各個屬性將此段管道最后分成241個管段。計算得到各管段的風險值后，以管道中間的兩個站場處為分隔點，將241個管段算術平均，合并為3個管段。以站場所在點為分隔是因為站場處有收發(fā)球筒，方便下一步完整性評價工作(內(nèi)檢測、壓力試驗等)的進行。合并后，對管段排序，如圖3所示。圖3

16、 管段風險排序圖各管段風險值的意義為每年每公里可能的經(jīng)濟損失大小，可與歷史狀況對比，也可與其他管道對比。管道檢測與評價工作應先在高風險段實施，所以建議將來安排檢測與完整性評價工作時，優(yōu)先順序應分別是管段1、管段2，然后才是管段3。個人風險值是指個人的年死亡概率，常被用來衡量風險的絕對大小。對管道人口最密集處計算個人風險值，以衡量管道的安全性，如圖4所示。從圖4可以看到，在管道正上方，風險最大，具體值為9.8×10-8/a，參照國外風險可接受標準，最嚴格的為英國安全衛(wèi)生部規(guī)定的1×10-6/a，所以此天然氣管道的風險應是可以接受的。此外，QRA提供的社會風險值(FN Curv

17、e)也可作為衡量風險是否可以接受的第二指標。定量風險的最大好處之一是可以進行風險預測，結合情景分析(What-If分析)，實現(xiàn)合理的制定風險控制計劃。對此天然氣管道風險預測如圖5所示，從圖中可明顯看出風險隨著時間變化的增長過程。圖4 個人風險圖圖5 多情景風險預測從圖5可以看出，此管道在6年內(nèi)風險增長迅速，此后較為平穩(wěn)。通過仔細分析，發(fā)現(xiàn)這是因為這6年是管道上次檢測的受益期，所以建議此管道在6年后開始實施下一次檢測。另外，情景分析考慮量化后的經(jīng)濟投入，可以為多方案進行經(jīng)濟性比較，在保障管道安全的前提下，做到最大的投入產(chǎn)出。量化風險分析(QRA)最主要的手段是將風險量化，對影響風險的因素進行分析

18、，從而達到在確保項目經(jīng)濟合理的前提下最大限度的降低風險。目前，量化風險分析(QRA)在石油化工建設項目中主要用于以下幾個方面:(1)平面布置和廠址選擇。目前，國內(nèi)建設項目主要依據(jù)國家法律法規(guī)和標準規(guī)范的要求進行平面布置和廠址選擇，確定廠界與周邊的距離及項目內(nèi)部裝置設施的間距。而在國外石油化工建設項目中多運用QRA的方法計算爆炸事故沖擊波的影響范圍、火災事故的熱輻射范圍及有毒物質(zhì)泄漏的擴散范圍，從而確定項目與周邊及項目內(nèi)部裝置、設施的安全間距。(2)確定導致風險的主要因素。通過采用QRA的方法對項目裝置、設施的風險進行計算，從而確定影響項目整體風險的最主要的因素，進而在設計過程中針對主要危險有害

19、因素采取相應措施，以降低項目整體風險。(3)分析安全措施的有效性。QRA可以量化2典型量化風險分析(QRA)的主要步驟量化風險分析(QRA)通常分為以下幾個階段:1明確分析范圍量化風險分析(QRA)首先要對項目進行分析，明確QRA工作的范圍。通常情況下，進行QftA分析可以根據(jù)項目內(nèi)裝置、設施或單元作為劃分依據(jù)進行風險分析，也可以根據(jù)分析目的確定分析的范圍，例如項目對周邊居民的影響、項目內(nèi)部的爆炸超壓或火災熱輻射影響及有毒物質(zhì)的泄漏擴散影響等。2進行危險辨識危險辨識是進行量化風險分析(QRA)的基礎，如果不能有效辨識項目的危險有害因素，QRA計算的結果將不能有效指導項目風險控制。目前，常用的危

20、險辨識的方法有檢查表、危險及可操作性分析(HAZOP)、危險性預分析(PHA)。第5章 結論(1)在長輸竹線風險評價中，影響安全的風險因素較多，通常難以給出準確數(shù)學模型，專家打分法可信度相對較低。(2)利用隨淚L方法，對容易引起安全隱患的因素分析，不同于對構件的單純力學可靠性分析，而是在整個設計安全期內(nèi)，對系統(tǒng)失效概率的分析，也是風險識別、安全評價所要達到的日的。(3)隨淚L方法能夠有效解決is輸竹線隨機事件難以建立精確計算模型的問題，而目可信度較高?？梢灾滥骋浑S機因素對系統(tǒng)不同性能指標的影響，并進一步確定容易造成安全隱患、引起安全事故的卞要因素及其作用大小，做出準確的判斷，及時采取安全措施。(4)進入塑性狀態(tài)，內(nèi)力反向卸載，結構的整體岡J度發(fā)生相應改變。對于理想彈塑性單元組成的結構系統(tǒng)，失效模式構成單元內(nèi)力反向局部卸載，使結構系統(tǒng)從完全失效狀態(tài)中部分恢復，使結構整體依然具有繼續(xù)承受額外荷載的能力。參考文獻【1】劉武，張鵬，劉祎等. 天然氣管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法研究J. 西南石油大學學報(自然科學版)，2009，(03) . 【2】潘海源.輸油管線優(yōu)化運行技術研究D. 中國石油大學，2007【3】劉恩斌,彭善碧,李長俊,寥柯熹. 基于遺傳算法的天然氣集輸管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化設計J. 管道技術與設備 ,