李玉閣 陳曉林 宋文明 李金瑞 林海萍 何等江

1. 甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司, 甘肅 蘭州 730070;2. 機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司, 上海 201518;3. 岳陽(yáng)建華工程有限公司, 湖南 岳陽(yáng) 414000;4. 上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司, 上海 201518

0 前言

目前,中國(guó)早期開發(fā)的油氣田集輸管道服役已達(dá)20～30 a,由于長(zhǎng)期埋在地下,受土壤環(huán)境、地勢(shì)下沉、腐蝕介質(zhì)等因素影響,易出現(xiàn)管道防腐層破損、穿孔、泄漏等現(xiàn)象,甚至引起突發(fā)的火災(zāi)、爆炸等惡性事故,危及人身財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。依靠經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)導(dǎo)決策等傳統(tǒng)應(yīng)急搶險(xiǎn)管理模式對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)缺乏預(yù)見性和針對(duì)性,很難滿足集輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和可靠性等本質(zhì)安全識(shí)別日益嚴(yán)峻的需求。近年來(lái)，以預(yù)防為主的管道完整性管理模式陸續(xù)在各油田推廣應(yīng)用,深入研究制約管道完整性運(yùn)行的各種基本要素,對(duì)潛在的高風(fēng)險(xiǎn)誘因開展辨識(shí)和定位工作,不斷完善管道高風(fēng)險(xiǎn)損傷防控體系,全面推行管道本質(zhì)安全有效性預(yù)防措施,將管道長(zhǎng)期保持完整、受控、安全的狀態(tài),縱貫于設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、廢棄的全壽命周期,保障集輸系統(tǒng)管道安全平穩(wěn)運(yùn)行[3-7]。

基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(Risk Based Inspection,RBI)重點(diǎn)保障壓力設(shè)備機(jī)械完整性以及降低因?yàn)橥暾該p傷導(dǎo)致內(nèi)部介質(zhì)受損失的可能性,通過(guò)對(duì)失效模式的識(shí)別與評(píng)價(jià)來(lái)提高設(shè)備的可靠性[8-10]。而管道完整性管理包含資料收集、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、維修維護(hù)及效能評(píng)價(jià)等內(nèi)容,以保障管道系統(tǒng)的本質(zhì)安全為終極目標(biāo)。RBI的設(shè)備信息收集工作和風(fēng)險(xiǎn)分析全過(guò)程是管道完整性管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié),二者的理念是貫穿和相通的[11-13],但現(xiàn)階段集輸系統(tǒng)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估卻未能有效融入到風(fēng)險(xiǎn)管理中,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并未將風(fēng)險(xiǎn)管理確立為分析的主要影響因素考量,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)完整性管理缺乏指導(dǎo)性和實(shí)用性,應(yīng)用效果不佳。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估存在問(wèn)題

1.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理念尚待改善

集輸管道完整性管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中,風(fēng)險(xiǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)管理工作的開展相對(duì)獨(dú)立,評(píng)估人員與管道管理人員、工藝人員缺乏有效的溝通與交流,僅僅以損傷模式、風(fēng)險(xiǎn)排序來(lái)完成評(píng)估的主要工作量,未實(shí)現(xiàn)基于風(fēng)險(xiǎn)來(lái)改進(jìn)日常設(shè)備管理方法以及優(yōu)化工藝控制指標(biāo)等。評(píng)估過(guò)程中沒(méi)有從管理的角度出發(fā),對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行全方位可操作、易把控的風(fēng)險(xiǎn)控制措施研究,缺少直接有效的調(diào)控手段和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控措施,未將損傷模式識(shí)別理念落實(shí)到管道日常安全管理工作中[14-15]。

1.2 管道管理數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)滯后

目前，國(guó)內(nèi)集輸系統(tǒng)油氣管道普遍存在設(shè)計(jì)、制造、維修數(shù)據(jù)不完整、不精確的問(wèn)題,如建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期的標(biāo)段號(hào)、設(shè)計(jì)樁號(hào)、竣工樁號(hào)不匹配；管道運(yùn)行多年維修改造變更較大,地理位置與樁號(hào)不匹配；管道的影像資料、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)；管道交叉多,加上土壤沉降、管道變形、地面標(biāo)識(shí)缺失或不清晰,缺乏跟蹤和有效管理[16-17]。這些問(wèn)題影響風(fēng)險(xiǎn)分析和完整性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性,風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)難以精確定位,巡線或管理人員難以對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行必要的日常管控或定期檢修。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分段不明確、不合理

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分段一般從管道工況、規(guī)格、投用年限、內(nèi)容物易燃易爆特性、人員活動(dòng)狀況等方面進(jìn)行考慮,主要從管道失效后果方面進(jìn)行區(qū)段界定,而這些風(fēng)險(xiǎn)因素在管道全壽命周期是相對(duì)固定不變或可以通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)手段準(zhǔn)確檢測(cè)的,分段結(jié)果對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的日常管理指導(dǎo)性不強(qiáng)。而失效可能性要素是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的重要變量,尤其是內(nèi)部腐蝕,每一種失效模式都有其發(fā)生的條件和敏感環(huán)境(如層狀流腐蝕較嚴(yán)重之處主要分布在管道沿線實(shí)際傾角大于臨界傾角等腐蝕性介質(zhì)易凝聚濃縮的部位),能否精確定位主要損傷敏感部位,直接影響管道的日常安全運(yùn)行。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估損傷模式不完整

集輸管道完整性管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估損傷模式中內(nèi)部腐蝕模塊,主要考慮H2S、CO2等有害介質(zhì)導(dǎo)致的減薄或開裂,缺少對(duì)集輸管道運(yùn)行工藝波動(dòng)引發(fā)的兩相流對(duì)腐蝕影響的考慮[18]?，F(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)相似工況時(shí)靜態(tài)下的腐蝕速率為0.05 mm/a,層流下的腐蝕速率為0.1 mm/a,段塞流下的腐蝕速率達(dá)1.8 mm/a,兩相流可顯著地加劇腐蝕速率,是許多管道短期腐蝕穿孔泄漏的主要原因。輸油管道中較常見的段塞流,在介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn)生渦流,段塞流體中液體混入氣體,將轉(zhuǎn)化成大小不一的空泡,這些空泡受壓破裂對(duì)管道內(nèi)壁造成非常大的沖擊,反復(fù)破壞管道內(nèi)壁的保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜,導(dǎo)致其局部厚度嚴(yán)重地減薄。

1.5 風(fēng)險(xiǎn)后果計(jì)算評(píng)估軟件的滯后

以挪威船級(jí)社(中國(guó))有限公司(DNV GL)的Synergi Plant RBI Onshore軟件為例,后果計(jì)算主要通過(guò)介質(zhì)、材質(zhì)、規(guī)格、成本、人員密度、影響范圍等要素，確定人員受傷、業(yè)務(wù)影響、易燃易爆特性及環(huán)境破壞性作為后果判定的主要依據(jù),敷設(shè)方式、埋設(shè)地類未納入計(jì)算程序,不能準(zhǔn)確體現(xiàn)管道占?jí)?、穿越等常見因素的后果影響?/p>

1.6 高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)未實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位管理

埋地管道與工業(yè)管道相比風(fēng)險(xiǎn)管理存在天然的劣勢(shì),風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)難以精確定位,可預(yù)防的風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)管,評(píng)估結(jié)果對(duì)設(shè)備管理者指導(dǎo)性不強(qiáng),缺少埋地管道風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與日常地面上風(fēng)險(xiǎn)管理的聯(lián)系紐帶,未實(shí)現(xiàn)對(duì)基于損傷機(jī)理確定的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)精準(zhǔn)定位管理,定期的檢維修也主要依據(jù)法規(guī)采取抽查的方式進(jìn)行,缺乏針對(duì)性和有效性。

2 基于管道完整性管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目標(biāo)

基于管道完整性管理理念,管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的執(zhí)行要把為管道日常管理服務(wù)作為出發(fā)點(diǎn),明確主要損傷誘因(外部損傷、內(nèi)部損傷、第三方破壞)，量化管道完整性失效的可能性、后果及其嚴(yán)重程度,評(píng)估結(jié)果要便于對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)精確定位、易開展針對(duì)性檢驗(yàn)檢測(cè),明確日常風(fēng)險(xiǎn)巡查維護(hù)重點(diǎn),并提出有效手段改進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)要素的主要操控變量。將完整性管理理念縱貫于管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的整個(gè)流程,辨識(shí)和掌控風(fēng)險(xiǎn)的要素,在當(dāng)前時(shí)空維度內(nèi)徹底改變引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的失效可能性環(huán)境,制定行之有效的風(fēng)險(xiǎn)管理和防控措施,并持續(xù)改進(jìn),確保管道安全運(yùn)行。

為提高管道日常管理的有效性和針對(duì)性,應(yīng)對(duì)管道材質(zhì)、操作溫度、操作壓力、有害組分含量、介質(zhì)流速、土壤環(huán)境以及其他因素進(jìn)行綜合分析,判定管道在當(dāng)前環(huán)境因素影響下可能存在的所有敏感腐蝕機(jī)理、對(duì)應(yīng)失效模式及其影響區(qū)域,結(jié)合在日常檢驗(yàn)或定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的重大問(wèn)題及對(duì)應(yīng)腐蝕狀況,制定針對(duì)性的防控手段(包括檢驗(yàn)策略、工藝控制和監(jiān)測(cè)、開停車注意事項(xiàng)、注入混合點(diǎn)管理、巡查重點(diǎn)部位等)。在日常管理中要依據(jù)影響潛在腐蝕敏感性的材質(zhì)(管道選材與現(xiàn)役材料腐蝕敏感環(huán)境)、溫度(防控管道失效的操作溫度范圍)、壓力(防控管道失效的操作壓力范圍)、介質(zhì)(防控管道失效的有害組分濃度范圍以及日常分析化驗(yàn)部位、方法、化驗(yàn)類別)、流速(防控管道失效的介質(zhì)流量范圍)、土壤(防控管道失效的土壤電阻率、氧化還原電位、pH值、管地電位、含水量、含鹽量范圍)等關(guān)鍵因素的敏感區(qū)間制定針對(duì)性的控制措施。

3 基于管道完整性管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

3.1 埋地管道區(qū)段的劃分

現(xiàn)有集輸管道劃分大多基于集輸系統(tǒng)整體管道的分段條件進(jìn)行劃分,包括管道工況、規(guī)格、投用年限、內(nèi)容物易燃易爆性、人員活動(dòng)狀況、外防腐狀況、土壤特性、雜散電流影響、陰極保護(hù)狀況、土壤工程地質(zhì)條件、附近建筑物等要素[19-20],而對(duì)單條管道來(lái)說(shuō),其中多個(gè)要素各個(gè)分段都一樣,分段各自的特點(diǎn)不突出,不便于對(duì)各分段的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的分析和管理,因此埋地管道風(fēng)險(xiǎn)分段應(yīng)該以單條管道為分析單元,并兼顧失效可能性,按要素依次判定分段,單條管道區(qū)段劃分原則見圖1。

圖1 單條管道區(qū)段劃分原則圖Fig.1 Section division principle of single pipeline

3.2 埋地管道失效可能性評(píng)價(jià)原則

可采用挪威船級(jí)社(中國(guó))有限公司(DNV GL)的Synergi Plant RBI Onshore、合肥通用機(jī)械研究院的通用石化裝置工程風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件對(duì)埋地管道的失效可能性進(jìn)行評(píng)價(jià),失效可能性應(yīng)對(duì)內(nèi)、外部腐蝕分別進(jìn)行考慮。

3.2.1 外部腐蝕

外部腐蝕以土壤腐蝕為主,依據(jù)API RP 581—2016 Part 2[21]土壤腐蝕的規(guī)定進(jìn)行評(píng)價(jià)。采集管道相關(guān)的土壤類型、土壤電阻率、陰極保護(hù)、設(shè)備溫度、涂層、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、基本設(shè)計(jì)參數(shù)等信息,進(jìn)行定量計(jì)算。

3.2.2 內(nèi)部腐蝕

內(nèi)部腐蝕分別以集油管道、注水管道、氣舉管道進(jìn)行考慮。

集油管道以兩相流腐蝕為主,流型主要有層流和塞狀流,流型的劃分受管道尺寸、傾斜角度、介質(zhì)物性及流體流量等多種因素的影響,采集管道相關(guān)的流量、傾角、密度、腐蝕性組分含量、操作運(yùn)行工況、pH值以及基本設(shè)計(jì)參數(shù)等信息,進(jìn)行定量計(jì)算。

注水管道以冷卻水腐蝕和沖刷為主,采集管道相關(guān)的固含量、堿度、硬度、pH值、溫度、流量、氯根、溶解氧以及基本設(shè)計(jì)參數(shù)等信息,進(jìn)行定量計(jì)算。

氣舉管道以局部冷凝腐蝕為主,采集管道相關(guān)的運(yùn)行工況、水含量、腐蝕性組分含量以及基本設(shè)計(jì)參數(shù)等信息,進(jìn)行定量計(jì)算。

3.3 埋地管道失效后果評(píng)價(jià)原則

失效后果評(píng)價(jià)主要考慮輸送介質(zhì)、敷設(shè)方式、埋設(shè)地類、管道類別、管徑規(guī)格等因素,其中敷設(shè)方式、埋設(shè)地類將根據(jù)輸送介質(zhì)分別從安全和環(huán)境影響方面評(píng)價(jià)失效后果,管道類別、管徑規(guī)格主要從對(duì)生產(chǎn)的影響角度評(píng)估失效后果。輸送介質(zhì)安全環(huán)境影響因子構(gòu)成基礎(chǔ)安全等級(jí),敷設(shè)方式失效后果等級(jí)為安全等級(jí)×安全因子+環(huán)境等級(jí)×環(huán)境因子,埋設(shè)地類失效后果等級(jí)為安全等級(jí)×安全因子+環(huán)境等級(jí)×環(huán)境因子,統(tǒng)籌安全、環(huán)境、生產(chǎn)三要素,各后果因子按照權(quán)重系數(shù)計(jì)算便可得到埋地管道失效后果等級(jí)。失效后果評(píng)價(jià)見表1。

表1 失效后果評(píng)價(jià)原則表Tab.1 Failure consequence evaluation principles

4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估案例

采用PCM探測(cè)管道定位、RTK確定三維坐標(biāo)的檢測(cè)方法，可得到埋地管道完整的走向圖和管頂標(biāo)高圖,可將現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)樁、拐點(diǎn)、穿越端點(diǎn)等關(guān)鍵點(diǎn)在三維地圖上精確定位,標(biāo)定各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)GPS坐標(biāo)、管段長(zhǎng)度、高程,通過(guò)對(duì)比確認(rèn)獲得精準(zhǔn)的管道走向定位圖,見圖2。圖2為某油田集油管道,流型為層流,以局部酸性水腐蝕為主,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要集中在管道沿線實(shí)際傾角大于臨界傾角的積液位置,也是管道運(yùn)行管理的危險(xiǎn)段。通過(guò)把管道的相對(duì)低點(diǎn)和大傾角區(qū)塊標(biāo)注在管道走向定位圖中,并在現(xiàn)場(chǎng)安裝相對(duì)低點(diǎn)標(biāo)志樁(大傾角部位通常在相對(duì)低點(diǎn)附近),便于進(jìn)一步開展埋地集輸管道完整性管理評(píng)價(jià)、日常巡查、檢維修等風(fēng)險(xiǎn)管理工作。

圖2 埋地集輸管道走向定位圖Fig.2 Orientation map of gathering and transmission pipeline

5 結(jié)論

集輸埋地管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為完整性管理的核心要素,應(yīng)該與管道的經(jīng)營(yíng)策略和安全管理活動(dòng)聯(lián)系在一起,識(shí)別和分析管道運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)因素,預(yù)測(cè)危險(xiǎn)的可能性及嚴(yán)重程度,明確管道的管理重點(diǎn),將主要資源應(yīng)用到高后果和高風(fēng)險(xiǎn)段中,優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)控制,開展針對(duì)性的完整性評(píng)價(jià)管理,制定有效的風(fēng)險(xiǎn)防控措施,保證管道的安全運(yùn)行。