海底腐蚀缺陷管道可靠性分析及风险评估

0 引 言

海底管道作为海上油气田开发关键设施设备之一，担负着海上油气集输的重要使命，被称为海上油气田的“生命线”。海底管道在运行期间，受压力[1]、应力[2]、温度、输送介质性质[3-4]等复杂荷载影响，会出现不同程度的腐蚀损伤，严重时将发生海底管道破裂、油气泄漏等事故，造成严重的海洋环境污染和重大经济损失。因此，开展海底腐蚀管道风险评估，明确管道运行中潜在的危险因素，采取积极的维护补强措施，将风险控制在可接受范围之内，对确保海底管道安全、高效运行，提升管道完整性管理水平具有重要意义。

美国从20世纪70年代开始管道风险评价技术的应用与研究工作[5]。加拿大从20世纪90年代初开始了油气管道风险评价和风险管理技术方面的研究工作[6-7]。我国管道风险评价技术起步较晚，但也取得了一定的成绩，提出了许多有效的评价方法，建立了管道风险评价的指标体系，研发了风险评价方法及软件并进行了推广应用[8-10]。2016年3月，国家标准GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》正式实施，规定管道投产后1年内应进行风险评价，且再评价周期不宜超过3年，并强制性规定对管道高后果区开展风险评价。

本文基于DNV腐蚀因素失效概率模型对海底管道可靠度进行分析评估，计算在不同腐蚀深度情况下的可靠性指数和失效概率，评定其安全等级。根据DNV-OS-F101-2007规范[11]识别海底管道风险因素和风险评分，给出海底管道风险评估流程，计算分析海底管道的风险分值和风险等级。为海底腐蚀管道输送高压天然气风险评估提供参考。

1 海底管道概况

某海管于2000年12月投产，设计寿命为25年。2013年10月对该海管进行内检测通球发现，海管内积存大量泥垢，海管内部腐蚀、结垢严重。内检测报告显示存在多处腐蚀缺陷，计算壁厚损失超过初步报告临界值。海管腐蚀情况分别如表1所示。

 

表1 海底管道的腐蚀数据表

 

Table 1 Corrosion data sheet of submarine pipeline

  

位置最小剩余壁厚/mm最大剩余壁厚/mm腐蚀深度范围/mm海管出发端(33m)5.812.50.2～6.9海底管道(2091m)——0～6.9海管接收端(46m)6.213.50～6.5

2 失效概率的可靠性分析

管道失效存在很多不确定的失效因素，可靠性概率方法是计算不确定因素的较好的方法[12]。本文着重考虑分析中的系统误差和随机误差。

2.1 DNV腐蚀因素失效概率模型

DNV推荐的计算腐蚀管道失效概率[11]公式如下：

 

(1)

 

(2)

 

(3)

Pf=φ(-β)，

(4)

式中： σf为材料流变应力，为材料屈服极限和强度极限平均值的1.1倍，值为： Δt为壁厚损失，其值为CR(T-T0), CR为腐蚀速率，mm； T为开始评估年限，a； T0为管道首次投用年限，a； t0为管道原始壁厚，mm； d为管道直径，mm； P为操作压力，MPa； σP为压力的均方差，值为0.05P； σσf为流变应力的均方差，值为0.2σf； σΔ t为壁厚损失的均方差，值为0.1Δt； 为对压力的偏导数，值为 为对流变应力的偏导数， 为对壁厚损失的偏导数，值为 β为可靠性指数； Pf为失效概率，可由标准正态分布函数获得。

从DNV腐蚀因素失效概率模型可以发现[11， 13]，对于有腐蚀缺陷的管道，其失效概率与管道内介质的运行压力、管道外径与壁厚、缺陷深度与长度以及管材的流变应力相关。

2.2 海底管道可靠性分析计算

本次评估采用DNV模型对海底管道可靠度进行分析计算。根据DNV-OS-F101-2007规范，海底管道可接受的概率与安全等级划分结果如表2所示。

“人文”二字最早出现在《周易》中，“观乎天文，以察时变，观乎人文，以化成天下”。其意是说，圣人通过观察天象，来了解时序的变化，通过观察人类社会的各种现象，可以用教育感化的手段来治理天下。“人文精神是一种普遍的人类自我关怀，是对人的尊严、价值、命运的维护、追求和关切，是对人类遗留下来的各种精神财富的高度珍视，它肯定和塑造了人的全面发展的人格；而人文学科是集中表现人文精神的知识教育体系，它关注的是人类价值和精神表现。从某种意义上说，人之所以是万物之灵，就在于它有人文，有自己独特的精神文化。”[1]

针对该条管道，其已知的数据如表3所示，计算在不同腐蚀深度情况下的失效概率，评定其安全等级。

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国有林场半专业森林消防队要加强与周边林业单位和林农合作、沟通，开展场村、场社开展共建联防，合作演练，建立起共建联防机制，把森林防火办成全社会的共同事业。

 

表2 海底管道可接受的概率与安全等级

 

Table 2 Acceptable probability and safety level for submarine pipelines

  

极限状态概率基础安全等级低中高非常高操作极限状态SLS每条管道每年110-210-310-310-4临界极限状态ULS每条管道每年2疲劳极限状态FLS每条管道每年3偶然极限状态ALS每条管道每年10-310-410-510-6—压力容器 10-4～10-510-5～10-610-6～10-710-7～10-8

注: 1或者是临时阶段；2按照行业惯例和ISO要求，(压力容器)爆炸失效的概率应比表中ULS标准低一个等级；3根据操作的最后一年或检查之前采用的检查原理，可以有效控制破坏概率。

 

表3 海底管道数据表

 

Table 3 Submarine pipeline data sheet

  

数值项符号数值屈服极限σs320MPa强度极限σb490MPa材料流变应力σf445.5MPa壁厚损失Δt1～12mm开始评估年限T2013管道首次投用年限T02000管道原始壁厚t012.7mm管道直径d323.9mm操作压力P4750kPa压力的均方差σP0.2375流变应力的均方差σσf89.1壁厚损失的均方差σΔt0.1Δt对压力偏导数∂g∂P-12.752对流变应力偏导数∂g∂σf1-Δt12.7对壁厚损失偏导数∂g∂Δt-35.079可靠性指数β—失效概率Pf—

在不同壁厚损失情况下的可靠性指数和失效概率以及管道的安全等级如表4所示。

满足下列情况之一均应划分为高后果区： ①管道全部损失。大量重度污染介质泄漏，不能被除掉，并需要很长时间被空气和海水分解。②失效引起无限期的管道关断、重要的设施失效和经济损失。③失效引起超出计划的设备或系统损失和较高的修复费用。④管道中心线200m内有水上游览区域。⑤管道中心线200m内存在正常航道。⑥管道中心线200m内存在商业捕鱼区。⑦管道中心线200m内存在港口、码头。⑧管道中心线200m内存在海洋生态保护区。⑨管道中心线500m内存在平台。⑩管道附近有其他重要区域。

 

表4 不同壁厚损失情况下的可靠性指数、失效概率、安全等级

 

Table 4 Reliability index, failure probability and safety grade for different wall thickness losses

  

壁厚损失Δt/mm最小剩余壁厚/mm可靠性指数β失效概率Pf安全等级111.74.260非常高210.74.170非常高39.74.060非常高48.73.900非常高57.73.682×10-4非常高66.73.383×10-4非常高75.72.961.5×10-3中84.72.408.2×10-3中93.71.694.55×10-2低102.70.851.98×10-1低111.7-0.025.08×10-1低120.7-0.858.02×10-1低

3 风险评估

3.1 高后果区识别

付出终有回报。社会各界也给予华南公司众多的支持和荣誉，公司获得了中国驰名商标企业、中国病患护理示范单位、全国百强家庭服务业企业、国家一级资质企业、全国家庭服务行业先进单位、中国家庭服务业协会病患护理专业委员会基地、中国物业服务十大优秀品牌企业、长三角健康服务业示范企业、中国物业管理协会标准化委员会委员、AAA级重合同守信用企业、物业行业AAA级诚信企业、江苏省文明单位、江苏省服务业名牌企业、江苏省就业先进集体、扬州市百强重点企业等，并通过了ISO9001质量体系、ISO14001环境体系、OHSAS18001职业健康安全体系等三大国际权威体系认证。

高后果区分值等级划分： 高后果，≥50分；较高后果，37.5～50分；中等后果，25～37.5分；较低后果，12.5～25分；低后果，<12.5分。

风险分值=9类风险因素评分总和×输送介质扩散系数÷输送介质危害性指标

 

表5 海底管道高后果区评分表

 

Table 5 Submarine pipeline high consequence scoring sheet

  

因素高后果区评分依据4分3分2分1分指标评分1管道中心线200m内存在水上游览区域<50m50～100m100～150m150～200m12管道中心线200m内存在正常航道<50m50～100m100～150m150～200m13管道中心线200m内存在商业捕鱼区<50m50～100m100～150m150～200m14管道中心线200m内存在港口、码头<50m50～100m100～150m150～200m15管道中心线500m内存在平台<200m200～300m300～400m400～500m16管道中心线200m内存在海洋生态保护区<50m50～100m100～150m150～200m17管道附近有其他重要区域<50m50～100m100～150m150～200m18输送介质原油管道,或设计介质发生很大变化(如水管道改油管道,气管道改油管道)油气混输管道天然气管道水管道29介质有害性H2S分压值较高(≥1MPa)H2S分压值低[0.1MPa, 1MPa)H2S分压值较低(<0.1MPa)不含H2S210输送压力高(>6MPa)中(3～6MPa)较低(1～3MPa)低(<1MPa)311管径大(>32英寸)中(32～16英寸)较小(8～16英寸)小(<8英寸)212对平台的影响严重中轻微无413安全后果多人死亡一人死亡或永久性伤害重大伤害轻微伤害或无314环境影响(10min泄漏量)液体管道≥10m3[5m3, 10m3)[0.5m3, 5m3)<0.5m3天然气管道≥1000m3[100m3, 1000m3)[100m3, 10m3)<10m3415财产损失(千万元)>101～100.1～1<0.13说明总分值为15项评分相加,最高分值为60分。30

该管道总长为2.17km，将其分成两段(立管段和海底管段)，分别对其进行高后果区识别，得总分均为30分，介于25～37.5分之间，为中等后果区。

3.2 风险评估

海底油气管道风险因素识别与评分项[14-17]主要包括九个方面： 埋设条件，环境状况/自然灾害，工况条件，机械损伤，腐蚀、冲蚀，结构，误操作，检测与维护，其他。本次风险评价采用半定量评分方法。根据识别出的风险因素和风险评分，按照管道风险评价国际通用指标体系评分法确定海底管道的风险分值、风险等级。风险评估流程如图1所示。

按照表5进行海底管道高后果区分项评分，根据总分值大小进行重要程度排序，见表5，根据评分高低优先制订和实施针对性的完整性管理措施。

输送介质扩散系数=10min管输介质泄漏量÷海域重要程度指标

根据确定的风险分值确定相应的风险等级。

根据DNV腐蚀因素失效概率模型计算管道局部腐蚀失效概率。根据公式(1)～(4)计算管道的可靠性指数β和失效概率Pf。本次评估采用DNV模型对海底管道可靠度进行分析计算。在管道壁厚损失Δt为5mm，即管壁剩余厚度为7.7mm的情况下，计算得到管道的可靠性指数β为3.68，失效概率Pf为2×10-4。根据DNV-OS-F101-2007规范海底管道可接受的概率与安全等级划分结果，操作极限状态SLS在安全等级为非常高时可接受的概率为10-4，现在管道失效概率为2×10-4，根据此失效概率判定在特定输送条件或工况下管道允许所处的安全等级区域。当壁厚损失为12mm时，管道只能处于安全等级为低的区域，不能处于安全等级为中或更高的区域，否则管道的运行不满足规范规定，或需采取相应的维修或补强措施，使失效概率满足管道实际所处区域的安全等级。

区内地表主要矿化蚀变为黄铁矿化和褐铁矿化，局部见有角岩化、矽卡岩化和大理岩化。黄铁矿化和褐铁矿化在破碎带中呈团块状分布，在花岗闪长斑岩脉中呈浸染状分布。角岩化、矽卡岩化、大理岩化主要见于花岗闪长斑岩脉的外接触带，其中角岩化主要分布于浅变质岩中，矽卡岩化和大理岩化主要分布于黄龙组碳酸盐岩地层中。

较高风险： 150～200分；

中等风险： 100～150分；

较低风险： 50～100分；

低风险： <50分。

针对该海底管道进行风险评估，并划分其风险等级。计算得出9类风险因素评分总和=232分

输送介质扩散系数=10min管输介质泄漏量÷海域重要程度指标=4/1=4

高风险： ≥200分；

后果系数=输送介质扩散系数÷输送介质危害性指标=4/9=0.44

风险分值=9类风险因素评分总和×后果系数=232*0.44=102.08

改革开放40年来，我国磷复肥行业走过从小到大，技术由弱渐强，产品从单一到多元、从低浓度到高浓度，贸易从净进口到净出口的跨越式发展历程。在这个进程中，一批企业发愤图强、锐意进取，坚持引进消化吸收与自主创新相结合，研发推广了众多对标国际一流、引领行业进步的技术和产品，为中国农业现代化做出重大贡献。

由此可得，此条管道的风险等级为中等风险。

2016年12月22日，国家旅游局和国家体育总局联合发布的《关于大力发展体育旅游的指导意见》提出，到2020年实现体育旅游总消费规模突破1万亿元。巨大的潜在市场对我国体育旅游专业人才的培养提出了迫切需求，我国体育旅游类专业人才的培养将迎来黄金期。培养单位在关注人才培养数量发展的同时，更要着眼于人才培养的质量，做到质量和数量的双重保障。培养的核心应该是复合型的应用型人才，培养模式应由单一性模式向多元化、复合型、可持续性模式发展转变。

  

图1 风险评估流程图Fig.1 Risk assessment flow chart

4 结 语

(1) 该海管腐蚀最严重的位置深度为6.9mm，其失效概率小于1.5×10-3，安全等级介于“中”和“非常高”之间。对该管道进行了高后果区识别和风险评估，处于中等后果区，管道的风险等级为中等风险。

2014年发布的186号文件推动了相关省市I/M制度实施的试点工作，但由于在用车检测与维护独立存在并分属不同部门管理，涉及较多部门，而实际工作中缺少部门协作和相关配套制度政策支撑。经梳理发现，I/M制度实施过程中主要存在缺少法律法规支撑、部门协作不畅、行业市场不成熟、数据共享不畅通、相关技术不规范等问题。

(2) 该海管内部腐蚀相对严重，建议进行检测以确定腐蚀较为严重的部位，进行适当补强。

(3) 应加强对该海管工况条件变化的参数记录，及时掌握管道运行状态。管道中存在部分悬空段，且存在腐蚀严重情况，应进行及时治理，避免风险事故的发生。需定期对管道进行清管并对清管产物进行组分分析。

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