天然氣海管半定量風(fēng)險評價方法研究與應(yīng)用

景 紅，陳 磊，耿 耿，翟明增

（中國石油化工股份有限公司 上海海洋油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

東海天然氣海底管道距離長，途徑水道、航道、漁業(yè)區(qū)，容易遭受拋錨、拖網(wǎng)、墜物（航運(yùn)集裝箱、船舶施工重物）等第三方破壞。同時，受自然環(huán)境影響，管道還可能發(fā)生懸空、移位，存在疲勞斷裂的風(fēng)險[1]。而管道一旦發(fā)生失效，不僅影響油氣田安全生產(chǎn)和下游用戶正常用氣，還會對海洋生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。

風(fēng)險評價可以識別出管道風(fēng)險因素，通過定性法、半定量法或定量法判斷管道風(fēng)險高低，提出相應(yīng)的風(fēng)險管控措施，實(shí)現(xiàn)海底管道風(fēng)險分級管理，節(jié)約檢維修資源，保證管道安全運(yùn)行。

1 海底管道風(fēng)險評價現(xiàn)狀

上世紀(jì)70年代，國外油氣管道公司提出了風(fēng)險管理的概念。1985年，美國Battelle Columbus的《風(fēng)險調(diào)查指南》，首次將評分法應(yīng)用在了管道風(fēng)險分析中[2]。1992年，肯特的《管道風(fēng)險管理手冊》，詳細(xì)介紹了管道風(fēng)險評估模型和評價方法，并提出了肯特打分法[3]。1995年，加拿大NeoCorr公司開發(fā)了一款管道風(fēng)險評價軟件，并為加拿大多家大型石油公司和管道輸送公司的油氣集輸及長輸管道提供了風(fēng)險評價服務(wù)[4]。21世紀(jì)初期，美國運(yùn)輸部管道安全辦公室開發(fā)了基于全球地理信息系統(tǒng)（GIS）的全美管道繪圖系統(tǒng)，成功應(yīng)用于在役設(shè)施管理、壽命周期檢測、風(fēng)險分析、應(yīng)對突發(fā)事件、確保協(xié)調(diào)管理、改進(jìn)運(yùn)營效率等方面。英國Advantica公司對輸氣管道風(fēng)險因素進(jìn)行了概率分析，對管道失效后果進(jìn)行了量化描述，建立了輸氣管道定量風(fēng)險評價技術(shù)[5]。

我國于上世紀(jì)90年代中期開始油氣管道風(fēng)險評價技術(shù)的研究。1995年，潘家華教授首先將 《管道風(fēng)險管理手冊》引入國內(nèi)[6]。2009年，中石油管道公司發(fā)布了《管道完整性管理規(guī)范》，進(jìn)一步推動了我國油氣管道風(fēng)險評價研究工作。

風(fēng)險評價方法有很多，可概括分為定性法、半定量法和定量法。定性法需要高度依賴評價人員經(jīng)驗(yàn)；定量法需要大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)、管道失效概率和失效后果統(tǒng)計數(shù)據(jù)；而半定量法則結(jié)合了定性法和定量法的特點(diǎn)，是國內(nèi)外油氣管道公司及風(fēng)險評價軟件公司主要采用的風(fēng)險評價方法。經(jīng)過幾十年發(fā)展，國外管道風(fēng)險評價技術(shù)已經(jīng)從定性法過渡到半定量法、定量法。而我國管道風(fēng)險評價技術(shù)研究起步較晚，目前基本上處于半定量分析水平。主要原因是我國缺乏可信的管道信息數(shù)據(jù)庫，不能收集到大量的管道失效樣本，影響了管道失效概率、失效后果模型的建立，進(jìn)而影響定量風(fēng)險分析的可靠性。隨著科技的發(fā)展和數(shù)據(jù)庫的完善，定量法將是我國管道風(fēng)險評價的發(fā)展趨勢。

在此次天然氣海管風(fēng)險評價方法研究和實(shí)踐過程中，為減少人為主觀因素的過多干擾，以及對繁多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管道失效數(shù)據(jù)的過度依賴，風(fēng)險評價技術(shù)手段采用的是半定量法。

2 半定量風(fēng)險評價方法研究

2.1 風(fēng)險因素識別

對于陸地管道，其主要風(fēng)險因素主要包括第三方破壞、腐蝕、設(shè)計和誤操作等四類。由于海底管道在環(huán)境條件、設(shè)計理念、運(yùn)營管理等方面與陸地管道存在著一些差異，主要體現(xiàn)在自然環(huán)境方面，如臺風(fēng)、潮汐、波浪、海床穩(wěn)定性等，因此海底管道風(fēng)險因素除了包括陸地管道的四類主要風(fēng)險因素，還包括自然環(huán)境這一項。

英國PARLOC數(shù)據(jù)庫按照失效類型對該數(shù)據(jù)庫中的海管失效事故進(jìn)行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)第三方破壞和腐蝕是導(dǎo)致海底管線失效的主要原因[7]。

美國國家石油委員會（MMS）對墨西哥灣1967～1987年間的海底管道失效原因進(jìn)行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)腐蝕和第三方破壞是引起海底管道失效的主要原因，分別占總失效事件的50%和20%[8]。

歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)組織（EGIG）記錄了1970～2010年間管道失效事件，從第三方破壞、腐蝕、自然環(huán)境、機(jī)械損傷以及誤操作因素等五個方面對海底管道失效原因作了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)第三方破壞、腐蝕和自然環(huán)境是海底管道失效的主要原因[9]。

王紅紅[10]等從腐蝕、第三方破壞、自然與地質(zhì)災(zāi)害和工程質(zhì)量等四個方面，對中國海油在中國海域鋪設(shè)的315條海底管道在1986～2016年間發(fā)生的事故及其原因進(jìn)行了統(tǒng)計。就天然氣海管而言，其主要事故原因是第三方破壞，其次是腐蝕。

2.2 半定量風(fēng)險評價指標(biāo)體系建立

肯特打分法是目前油氣管道行業(yè)應(yīng)用最為成熟的半定量風(fēng)險評價方法。在肯特打分法中，管道相對風(fēng)險值等于風(fēng)險指數(shù)和乘以泄露影響指數(shù)，相對風(fēng)險值得分越高，表示管道失效風(fēng)險概率和失效后果越大。其中，風(fēng)險指數(shù)和的大小表征的是管道發(fā)生失效可能性的高低，需要構(gòu)建失效可能性評價指標(biāo)體系；泄漏影響指數(shù)的大小表征的是管道失效后對環(huán)境、人員、經(jīng)濟(jì)造成損失的嚴(yán)重程度，需要構(gòu)建失效后果評價指標(biāo)體系。

借鑒肯特打分法基本原理，東海天然氣海道風(fēng)險評價指標(biāo)體系見圖1。

圖1 海底管道風(fēng)險評價指標(biāo)體系Fig.1 The index system of risk assessment for submarine pipelines

（1）失效可能性評價指標(biāo)

在失效可能性評價指標(biāo)體系中，共設(shè)置了5個大類、67個細(xì)項。其中，大類包括第三方破壞、腐蝕、設(shè)計、誤操作和自然環(huán)境等5個指標(biāo)，每個大項分別為100分。根據(jù)5個評價指標(biāo)對管道失效影響重要度進(jìn)行評價，對它們分別賦予不同的權(quán)重，通過加權(quán)求和得到風(fēng)險指數(shù)和，風(fēng)險指數(shù)和滿分為100分。風(fēng)險指數(shù)和分值越高，代表管道失效可能性越高。

某一管段失效的風(fēng)險指數(shù)和計算公式如下：

式中：POFsegment為某管段的風(fēng)險指數(shù)和得分；為第k類風(fēng)險因素第i個評價細(xì)項的得分，其中k=1～5，n為第k類風(fēng)險因素評價細(xì)項的個數(shù)；fk為第k類風(fēng)險因素的權(quán)重。根據(jù)國內(nèi)外海底管道事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，fk的取值見表1。

表1 fk取值Table 1 The value of fk

（ 2）失效后果評價指標(biāo)

在失效后果評價指標(biāo)體系中，管道失效后果的嚴(yán)重性用泄漏影響指數(shù)的大小來描述。泄漏影響指數(shù)為產(chǎn)品危害與輸送介質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)之比。其中，產(chǎn)品危害考慮了輸送介質(zhì)的短期急劇性，如輸送介質(zhì)的燃燒性、反應(yīng)性、有毒性等，同時還考慮了輸送介質(zhì)長期慢性危害；擴(kuò)散系數(shù)考慮了海底管道10 min泄漏量和海域重要程度。

失效后果評價打分表具體見表2，某一管段的泄漏影響指數(shù)計算公式如下：

表2 基于肯特打分法的海底管道失效后果評價指標(biāo)Table 2 The evaluation indexes of submarine pipeline failure consequences based on Kent scoring method

式中：COFsegment為某管段的泄漏影響指數(shù)得分；Ci為產(chǎn)品危害評價指標(biāo)，其中i=1～4；C5、C6分別擴(kuò)散系數(shù)指標(biāo)中的泄漏分?jǐn)?shù)、海域重要程度。

（ 3）相對風(fēng)險值計算

根據(jù)某管段失效可能性評價指標(biāo)和失效后果評價指標(biāo)，其相對風(fēng)險值大小的計算公式如下：

式中：Rsegment為某管段相對風(fēng)險值。

由于POFsegment的得分在0～1 00之間，COFsegment的得分在0.25～32之間，因此Rsegment的得分在0～3200之間，并且分值越大代表管道相對風(fēng)險越大。

（ 4）風(fēng)險等級確定

將POFsegment按照0～20、20～40、40～60、60～80和80～100分成五檔，分別代表某管段失效可能性極低、較低、一般、較高和極高；將COFsegment按照0～2、2～4、4～8、8～16和16～32分成五檔，分別代表某管段失效后果輕微、較輕、一般、較重和嚴(yán)重。因此，將Rsegment也分成五檔，劃分分值為0～40、40～160、160～480、480～1 280和1 280～3 200，分別代表管道相對風(fēng)險極小、較小、中等、較高、極高。

3 應(yīng)用

3.1 管道概況

東海TWT-CEP至寧波終端天然氣海底管道位于浙江省寧波市春曉鎮(zhèn)以東海域，全長約345 km，路由水深0～103 m，于2005年建成投產(chǎn)。該管道的基礎(chǔ)參數(shù)見表3。

表3 TWT-CEP至寧波終端海底管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 3 The basic data of the submarine pipeline from TWTCEP to Ningbo terminal

3.2 相對風(fēng)險值計算

根據(jù)2.2節(jié)中的半定量評價方法，以1 km為單位，對TWT-CEP至寧波終端天然氣海底管道開展了半定量風(fēng)險評價。風(fēng)險評價結(jié)果見圖2。

3.3 風(fēng)險分析

由圖2可知，TWT-CEP至寧波終端海底管道近平臺段和中間段相對風(fēng)險值得分在60分左右 （除平臺附近KP0～KP1管段相對風(fēng)險值得分為165.2分）。近岸段KP250～KP346相對風(fēng)險值較大，最高得分為177.8分，分別位于KP282、KP334～KP336，次高得分為177.2分，分別位于KP256～KP258管段。整條管道沒有發(fā)現(xiàn)風(fēng)險等級處于較高或極高的管段。該管道整體風(fēng)險水平較??；其中KP0～KP1、KP256～KP260、KP282～KP287、KP328～ KP329、KP334～ KP336的相對風(fēng)險值超過160，相對風(fēng)險等級為中等。

圖2 TWT-CEP至寧波終端海底管道半定量風(fēng)險評價結(jié)果Fig.2 The semi-quantitative risk assessment results of the submarine pipeline from TWT-CEP to Ningbo terminal

相對風(fēng)險值中等的管段集中在KP250～KP346的近岸段。這主要是因?yàn)榻抖喂艿罎O業(yè)、航運(yùn)相對繁忙，管道受到錨擊、墜物等第三方破壞的可能性更大，管道一旦發(fā)生泄漏對漁業(yè)、航運(yùn)、岸上居民的影響也更大，因此相對風(fēng)險值較高。

該管道五類風(fēng)險因素的單項平均得分見圖3。從圖中可以看出，腐蝕和自然環(huán)境是最容易引發(fā)TWT-CEP至寧波終端海底管道失效的原因，其次是第三方破壞，再次是設(shè)計，暫未發(fā)現(xiàn)誤操作的可能性。這主要是因?yàn)門WT-CEP至寧波終端海底管道投產(chǎn)至今未進(jìn)行過清管作業(yè)，管道內(nèi)腐蝕情況不明，涉及管道內(nèi)腐蝕的細(xì)項打分相對保守，所以腐蝕因素得分較大；此外，該海管位于東海海域，部分管段或常年受到洋流沖刷，或受到夏季臺風(fēng)擾襲，這些自然因素引起了管道懸空，使得管道發(fā)生斷裂的可能性大大提高；管道誤操作是基于收集的規(guī)章制度，從管道安全運(yùn)行的角度出發(fā)，暫未考慮因誤操作帶來的管道安全事故。

圖3 五類因素單項平均得分統(tǒng)計Fig.3 The average scores of five risk factors

3.4 風(fēng)險管控措施建議

根據(jù)海底管段風(fēng)險等級的不同，對TWT-CEP至寧波終端天然氣海底管道提出了相應(yīng)的風(fēng)險管控措施。建議KP250～KP346近岸段每年開展海管路由調(diào)查，并且重點(diǎn)關(guān)注KP256～KP260、KP282～KP287、KP328～KP329、KP334～ KP336管段的路由調(diào)查結(jié)果；同時，應(yīng)加密相對風(fēng)險等級為 “中等”的管段守護(hù)船巡邏頻次。而其余風(fēng)險等級為“較小”的管段可2～3年定期開展海底管段路由調(diào)查。

4 結(jié)論

基于肯特打分法基本原理，構(gòu)建了適用于天然氣海管的半定量風(fēng)險評價體系。其中，表征管道失效可能性的指標(biāo)：風(fēng)險指數(shù)和，包含第三方破壞、腐蝕、設(shè)計、誤操作和自然環(huán)境等五個方面；表征管道失效后果的指標(biāo)：泄漏影響指數(shù)，包含輸送介質(zhì)危害性和擴(kuò)散性兩個方面；二者乘積即為管道相對風(fēng)險大小。該評價方法邏輯清晰，打分細(xì)則詳盡，操作性強(qiáng)。應(yīng)用該半定量風(fēng)險評價方法，對東海TWT-CEP至寧波終端天然氣海底管道進(jìn)行了風(fēng)險評價，篩選出了該海管風(fēng)險相對較高的管段，并根據(jù)管道相對風(fēng)險大小提出針對性的風(fēng)險管控措施與建議，可推動該海管實(shí)現(xiàn)風(fēng)險分級管理。