蔣宏業(yè),姚安林,宋小建,楊 春,李海山

(1.西南石油大學石油工程學院,四川成都 610500;2.中國石油西南油氣田分公司,四川成都 610051)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計,目前我國在役輸氣管道中的多數(shù)屬于超齡服役,已進入了事故多發(fā)期,再加上各種主客觀因素的影響,這些管道大多處于較高的風險水平.而眾多的風險要素,或者說輸氣管道發(fā)生事故的眾多原因中,最主要的原因之一是管道腐蝕,其直接后果是管道壁厚的減薄,導致局部應力集中.由于輸氣管道的輸送壓力較高,當管道壁厚減薄到一定程度后,就會發(fā)生穿孔或開裂導致輸氣泄漏,造成環(huán)境污染甚至是人身傷亡等嚴重的后果.因此,通過對輸氣管道進行腐蝕風險評價,對于制定管道繼續(xù)使用、大修還是更換的科學決策具有重要的指導意義.

1 管道風險評價原理

1.1 風險評價的概念及步驟

風險評價(Risk Assessment)是一種基于對系統(tǒng)完整性有影響的數(shù)據(jù)資料、系統(tǒng)運行管理經(jīng)驗和直觀認識的科學方法,通過將風險量化,進行比較、分析,為風險管理的科學決策提供可靠的依據(jù),從而達到最有效減小風險的目的.

風險評價的一般步驟為:可靠性資料的收集、確定風險變量及建模、風險變量的量化處理、風險概率的計算、風險后果的計算、風險分值的計算[1].

本文所作的埋地輸氣管道腐蝕風險評價技術(shù)研究擬借鑒W.K.Muhlbauer提出的長管道風險評價方法[2],采用評分指標體系把埋地輸氣管道腐蝕失效可能性的總評分定為100分.

1.2 故障樹分析原理簡介

風險評價的方法有很多,例如,初步危險分析(PHA)、失效模式與影響分析(FMEA)、故障樹分析(FTA)等.故障樹分析因其具有簡明、直觀、靈活的特點,是風險評價諸方法中應用最為廣泛的方法之一,也是本文采用的分析方法.

故障樹分析方法是一種圖形演繹方法,一個故障樹就是一個邏輯圖,該圖描繪了一些事故的發(fā)生而使得某些故障一定按照次序發(fā)生[3].通過故障樹的定性分析,可以找出被評價系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),為腐蝕評價評分體系的制定提供理論指導,并可為評分體系中的每一個單項權(quán)重的確定和分值的分配提供參考和依據(jù).

1.3 風險要素評分權(quán)重的確定

由于不同的風險要素對于系統(tǒng)的風險所起的作用不同,因此在進行風險要素評分時,其分值應與其重要性相對應.對評價指標賦權(quán)重的方法有很多,如專家打分法、二項系數(shù)法、主要成分分析法等.本文采用由 T.L.Satty提出的層次分析法(AHP)[4]來確定各風險要素的評分權(quán)重.該方法適合處理各類煩雜問題,并能把人們主觀的直覺、經(jīng)驗與客觀的理性、規(guī)律及邏輯推理完善地結(jié)合起來.

層次分析法的基本思想是:將評價系統(tǒng)中的各個風險要素分解成若干層次,并以同一層次中的各種要素按照上一層要素為準則進行兩兩比較判斷,然后計算出各因素的權(quán)重,最后計算出各因素對于總目標的合成權(quán)重.

1.4 事故后果分析及相對風險分值的計算

風險評價過程中,很重要的一步就是事故后果的分析.本文考慮的事故后果是埋地輸氣管道發(fā)生泄漏后對社會和公眾的危害.

埋地輸氣管道腐蝕破壞后對社會與公眾的危害大多是以一種直接形式表示出來.本文采用文獻[2]提出的泄漏影響系數(shù)來描述其風險后果.

根據(jù)風險要素分值和泄漏影響系數(shù)就可以計算出相對風險分值的大小,其計算公式如下[2]:

其中,

1.5 風險可接受度

從前述可知,本文計算出的風險評價結(jié)果是一相對值,其本身很難反映出埋地輸氣管道的實際風險情況.因此,首先應根據(jù)管道運行狀況等具體情況計算可接受風險值,確定允許風險值[R],然后將計算的風險值 R與之相比較,根據(jù)二者的差異情況判斷管道的安全程度,即:

允許風險值[R]的計算過程也是一個風險評價的過程,但不是對實際情況的評分,而是對假想的可接受風險的評分.因此,允許風險值[R]是一個動態(tài)指標,它隨著評價對象的改變而改變,而且還會隨著時間的變化而變化.

2 埋地輸氣管道腐蝕風險評價

針對四川某埋地輸氣干線進行的環(huán)境調(diào)查、現(xiàn)場測試及失效規(guī)律的研究結(jié)果,我們對其進行了腐蝕風險評價.

2.1 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹建立與定性分析

2.1.1 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹的建立.

根據(jù)頂事件確定原則,選取“埋地輸氣管道腐蝕失效”作為頂事件.頂事件確定后,首先,要尋找引起頂事件發(fā)生的最直接、必要的、充分的原因.一般情況下,引起埋地輸氣管道腐蝕失效的原因為腐蝕穿孔和腐蝕裂紋2種.然后,把引起頂事件發(fā)生的各原因分別看作頂事件,采用類似的方法繼續(xù)往下深入分析,建立以邏輯門符號表示的埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹(見圖1).圖1中各符號代表的事件如表1所示.

圖1 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹

表1 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹基本事件表

2.1.2 埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹定性分析.

將埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹轉(zhuǎn)換為等效的布爾代數(shù)方程,即:

從布爾代數(shù)方程可知,埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹由40個2階最小割集、6個3階最小割集、9個4階最小割集組成.其中,40個2階最小割集直接影響系統(tǒng)的可靠性,為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié).

確定了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)之后,通過對故障樹的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)進行計算,就可以鑒別底事件的薄弱環(huán)節(jié).底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)可用下式進行計算[5]:

式中:kj為第j個最小割集;Nj(j∈kj)為底事件i位于kj的底事件數(shù);xi∈kj為第i個底事件屬于第j個最小割集;IΦ(i)為第 i個底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù).

利用(4)式求得各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)如表2所示.

表2 埋地輸氣管道腐蝕失效因素結(jié)構(gòu)重要度結(jié)果表

由計算結(jié)果可知,IΦ(x6)、…、IΦ(x10)是最大值,其次是 IΦ(x14)、…、IΦ(x21),它們在結(jié)構(gòu)重要度排列中數(shù)值所占比例大,其對頂事件影響也最大.

2.2 腐蝕風險要素及其權(quán)重的調(diào)整

由故障樹分析可以得到埋地輸氣管道腐蝕風險要素及其層次關(guān)系(見圖2).

圖2 埋地輸氣管道腐蝕風險評分體系層次模型結(jié)構(gòu)圖

下面以準則層B為例說明AHP法對腐蝕風險要素權(quán)重的調(diào)整過程.

把目標層A作為準則,對B層4個因素進行兩兩對比,得到判斷矩陣如下:

據(jù)此求得:

即,內(nèi)腐蝕、外腐蝕、應力腐蝕、管道材質(zhì)的權(quán)重分別為0.1775、0.6985、0.0401、0.0830.同理,可以分別求得內(nèi)腐蝕環(huán)境中4個子因素、內(nèi)腐蝕措施中2個子因素、外腐蝕中5個子因素和土壤腐蝕中4個子因素的權(quán)重.

2.3 相對風險分值的計算

由于本文研究的是輸氣管道,根據(jù)文獻[2]中介紹的輸送介質(zhì)危害性計算方法和相關(guān)參數(shù),得到本研究對象輸送介質(zhì)的危害性評分為7分(確定值).而由管輸氣體泄漏擴散和人口密度2項決定的擴散系數(shù)的得分為2分,所以泄漏影響系數(shù)的得分為3.5分.該埋地輸氣管道腐蝕風險因素之和為78分,則:

這說明本文所研究的埋地輸氣管道腐蝕相對風險分值為22.59分.

據(jù)實際測算,該埋地輸氣管道的允許風險值[R]為30.因此,該輸氣管道腐蝕風險在可接受范圍內(nèi),處于安全狀態(tài).

3 結(jié) 論

本文根據(jù)管道風險評價的一般原理提出埋地輸氣管道腐蝕風險評價技術(shù),并詳細介紹了整個評價過程.同時,結(jié)合管道腐蝕破壞機理,我們建立了埋地輸氣管道腐蝕失效故障樹,該故障樹共考慮了23個基本事件.通過對故障樹最小割集的求解和結(jié)構(gòu)重要度的計算,定性確定了引起埋地輸氣管道腐蝕失效的薄弱環(huán)節(jié),即主要失效因素.

我們提出的評價方法在借鑒W.K.Muhlbauer的評分指標體系法的基礎(chǔ)之上,綜合運用故障樹分析法和層次分析法,使得評分體系的建立具有更嚴格的科學依據(jù),評價結(jié)果的合理性更強.

[1]姚安林.論我國管道風險評價技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略[J].天然氣工業(yè),1999,19(4):79-82.

[2]Muhlbauer W K.Pipeline Risk Management Manual[M].Houston:Gulf Publishing Company,1996.

[3]蔣宏業(yè),姚安林,鄭興華,等.天然氣球罐失效故障樹分析[J].天然氣工業(yè),2003,23(6):163-165.

[4]魏世孝,周獻中.多屬性決策理論方法及其在C3I系統(tǒng)中的應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.

[5]沈斐敏.安全系統(tǒng)工程基礎(chǔ)與實踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1991.