海洋石油工程股份有限公司,天津 300451
中图分类号: TE973.92
文献标识码: A
文章编号: 2095-7297(2014)03-0195-05
收稿日期: 2014-08-29
网络出版日期: 2014-09-20
版权声明: 2014 海洋工程装备与技术编辑部 版权所有
作者简介:
作者简介:周子鹏(1983--),男,硕士,工程师,主要从事海底管道工程设计方面的研究.
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摘要
为了保证海底油气管道安全运营,实现海底油气田安全生产和可持续发展,需要对海底油气管道进行风险评估.根据国外标准规范和工程经验,阐述了评估海底油气管道稳定性风险的技术思路,就危险辨识,后果评估,频率分析和风险矩阵等4个因素探讨了管道风险的评估方法,重点研究了影响海底油气管道稳定性的风险情况和相应的评估准则.最后结合海底管道的特点总结了影响海底油气管道稳定性的危险因素,使用半定量评估法和定性评估法对海底油气管道稳定性风险进行了评估,给出了稳定性风险评估的主要项目和相应的推荐权重值.研究结果对推进我国海底油气管道风险评估技术进步具有一定的参考意义.
关键词：
Abstract
Pipeline stability is an important parameter of subsea pipeline service. In order to ensure the safe operation of the subsea oil and gas pipeline, so as to a chieve the safe production and sustainable development of subsea oil and gas field, risk evaluation of the subsea pipeline is required. research the technical methodology of subsea pipeline stability risk evaluation based on the worldwide standard and engineering experience. Firstly, four objects are described regarding to the risk evaluation, i.e., risk recognition, result evaluation, frequency analysis and risk matrix. Then the risk condition and evaluation methodology of subsea oil and gas pipeline stability are researched. Finally, the risk factors of subsea oil and gas pipeline stability are summarized based on the particularity of subsea pipeline. The semiquantitative evaluation method and qualitative evaluation method are used for subsea oil and gas pipeline stability risk evaluation. The results can be used for improving the accuracy of oil and gas pipeline risk assessment and promoting the related technical progress in.
Keywords：
海底管道是通过密闭的管道在海底连续地输送大量油气的管道,是海上油气田开发生产系统的主要组成部分[1].海底管道运行风险大,一旦失效将产生恶劣影响.这主要与其工作环境条件恶劣密切相关.在各种海洋环境因素和人为因素中,由于海底管道对海床有直接的依附关系,因此海床对管道的影响最为直接.
海床的性质,演变及海床与海洋管道的相互作用都对管道的稳定性和安全性产生重要的影响.由于海床不平整,会引起海底管道在波流作用下的稳定性问题:一种是当海底管道悬空时卡尔曼涡流震动与管线产生共振现象,引起关系失稳;另一种是海底管道支撑海床的稳定性问题,海底管道从凹凸不平的海床上通过时,将在管道中引起悬空和弯曲应力,导致管线产生过大的集中应力而损坏.由于海床的地质特点,在沙坡,沙脊等地形中的海底管道更容易产生悬空从而导致管线受损破坏.
长期以来由于海底管道的特殊性和专业性,国内对于其完整性管理的专业评估技术较为缺乏,主要集中在海底管道工程设计及操作运行期的完整性管理,如海管稳定性工程计算,海管通球风险评估和海管腐蚀检测评估等,而针对海底管道工程建设中最重要的稳定性风险并未形成系统的评估方法[2-9].因此,从海底管道稳定性的专业角度进行风险状况研究是非常必要的.
评估管道系统的风险状况即是对管道系统进行危险辨识和风险评估,评估范围应包括管道及管道附属件整个寿命期.其中管道的稳定性风险评估可使用定性,半定量或定量的方法进行.设计数据和管道运行数据应作为评估的基础数据.
风险评估是进行检测,监控和完整性管理的基础.因此,对管道系统稳定性进行风险等级划分可建立在对管道稳定性进行风险状况评估的基础上.换言之,在完成运行期管道稳定性风险状况评估后,给出一个风险划分的标准,把风险状况不同的管道进行归类,完成对管道系统的风险划分[10-11].
危险辨识即是对海底油气管道在运行期间存在的潜在危险进行分析.根据国内外经验,海底油气管道稳定性的危险主要来自于海底波流冲刷作用和海床运动.
后果的估计应该根据研究目标和研究范围确定.通常,后果表述为人员受伤亡的数量和介质泄漏的程度.这些估计要考虑到地理和人口分布状况,以及可能的减轻后果的因素.一般情况下,简单的考虑介质泄漏可以作为评估决策的标准.
风险对管道造成的潜在的破坏后果需要从经济损失,人员安全和环境影响三个方面考虑.主要的后果形式与介质的关系如表1所示.
表1 海底管道介质与后果
Table 1 Consequences of medium leakage in subsea pipeline
| 管道介质 | 人员安全 | 环境影响 | 材料破坏 |
|---|---|---|---|
| 气 | 有影响 | 一般无影响 | 有影响 |
| 油 | 有影响 | 有影响 | 有影响 |
| 水 | 一般无影响 | 一般无影响 | 有影响 |
| 混输 | 有影响 | 有影响 | 有影响 |
2.2.1 经济损失
管道破坏引起的直接或间接的经济损失均可考虑成对管道生产延误造成的经济损失.管道运行期间,稳定性风险事故发生后,经济损失后果的严重程度可按表2进行分类.
表2 海底管道破坏引起的经济损失后果
Table 2 Economic loss caused by damage in subsea pipeline
| 管道破坏后果等级 | 经济损失描述 | 生产耽误时间 |
|---|---|---|
| 5(灾难性) | 管道全部损失,修复管道需要大量的经济投入和长时间的生产关断 | 1~3年 |
| 4(重大) | 失效引起无限期的管道关断,重要的设施失效和重大经济损失 | 3~12个月 |
| 3(严重) | 失效引起超出计划的设备或系统损失和较多的修复费用 | 1~3个月 |
| 2(轻微) | 在发生计划关断之前,可以不进行修复,会产生一定的修复费用 | <1个月 |
| 1(可忽略) | 运行期间不重要的效果,会产生少量的修复费用 | 0 |
2.2.2 人员安全
在海底管道运行过程中,管道附近人员活动较少.根据海底油气管道运行情况的统计,当气体管道发生重大的泄漏时会危及人员安全.平台附近的泄漏气体被点燃后,可能引起火灾或爆炸,因此对人员伤害较大.根据挪威船级社相关规范中的规定, 人员安全伤害后果的严重程度可按表3进行分类.
表3 人员安全伤害后果
Table 3 Classification o f personal security damage
| 人员安全伤害后果等级 | 描 述 |
|---|---|
| 高 | 一人或者多人死亡 |
| 中等 | 严重受伤 |
| 低 | 无人员受伤 |
2.2.3 环境影响
环境影响后果评估通常可采用恢复受影响人口或地区所需时间来表示.但是环境影响后果很难定量评估.另外一种较通用的方法是,只考虑事故总泄漏量和年允许泄漏量进行评估.表4可作为指导性原则进行环境影响评估.
表4 环境影响后果
Table 4 Description of environmental damage
| 环境影响 后果等级 | 描 述 |
|---|---|
| 高 | 整个事故的累积溢油量大于100 t,大型溢油事故 |
| 中等 | 整个事故的累积溢油量10~100 t,中型溢油事故 |
| 低 | 整个事故的累积溢油量小于10 t,小型溢油事故 |
综合经济损失,环境影响和人员安全三个方面对后果进行分类,是一般性的指导原则,可根据具体情况作适当调整.表5可作为指导性原则用于后果评估.
事故发生的频率通常可根据已发生事故的历史记录来进行估计,也可以通过理论模型进行详细的计算.可根据相关资料和文献[11],对失效频率按表6进行半定量评估.表中给出的失效频率是对于整个管道而言,管道长度不影响失效频率.
表5 风险后果严重程度描述
Table 5 Summary of consequences of risks
| 风险等级 | 后 果 描 述 |
|---|---|
| 5(灾难性) | 管道全部损失,修复管道需大量的经济投入和长时间停产;大量重度污染介质泄漏;多于一人死亡 |
| 4(重大) | 失效引起无限期的管道关断,重要的设施失效和重大经济损失;污染介质大量泄漏,但可以从海水或空气中除掉,或经一段时间后被空气和海水分解.修复需要在水下进行,在恢复生产之前,管道系统的修复不能完全被验证有效;有人员受伤,一人死亡 |
| 3(严重) | 失效引起超出计划的设备或系统损失和较多的修复费用.修复超出计划,需要在水下进行,管道再运行需要提前验证;污染介质中度泄漏,泄漏介质需要一段时间才能在空气中或海水中分解或变中性,或者很容易从海水或空气中除掉;有人员严重受伤,无人员死亡 |
| 2(轻微) | 污染介质轻微泄漏,泄漏介质在空气中或水中快速分解或变中性;在发生计划关断之前,可以不进行修复,但会产生一定的修复费用;无人员受伤 |
| 1(可忽略) | 运行期间不重要的效果,会产生少量的修复费用;由于无内部介质泄漏或轻微泄漏,对环境无影响或影响轻微;无人员受伤 |
表6 事故发生频率等级
Table 6 Classification of accident frequency
| 频率等级 | 描 述 | 年发生频率 |
|---|---|---|
| 5(灾难性) | 在假设管道寿命期(少于100年)内,事故预期会发生一次 | >10-2 |
| 4(重大) | 在假设管道寿命期(100~1000年)内,事故预期会发生一次 | 10-2~10-3 |
| 3(严重) | 事故预期不会发生,但当综合全世界大量的管道时,会一年发生一次 | 10-3 ~ 10-4 |
| 2(轻微) | 事故预期罕有发生 | 10-4~10-5 |
| 1(可忽略) | 频率很低,事故可忽略 | <10-5 |
在完成系统的危险辨识,频率分析和相关的后果评估后,即可对事件的风险进行评价.根据采用方法的不同,可得到定性或定量的结果.通过对事件的频率和后果进行分类,使用风险矩阵方法(见表7),可得到事件的等级水平.
表7 风险矩阵
Table 7 Risk matrix
| 等级 | 年发生频率 | 后果严重程度分类 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 灾难性 | 重大 | 严重 | 轻微 | 可忽略 | ||
| 5(灾难性) | >10-2 | 高 | 高 | 高 | ALARP | ALARP |
| 4(重大) | 10-2~10-3 | 高 | 高 | ALARP | ALARP | 低 |
| 3(严重) | 10-3 ~ 10-4 | 高 | ALARP | ALARP | 低 | 低 |
| 2(轻微) | 10-4~10-5 | ALARP | ALARP | 低 | 低 | 低 |
| 1(可忽略) | <10-5 | ALARP | 低 | 低 | 低 | 低 |
风险等级中存在一个区域,在这个区域内可以降低风险.但如果降低风险措施产生的成本比造成的经济损失高,则不应该采取这种措施来降低风险.这个区域通常称为 "最低合理可行"(简称ALARP)区域.比这个区域低的部分,认为风险是可接受的.
ALARP原则的意义是:任何工业系统都是存在风险的,不可能通过预防措施来彻底消除风险;而且,当系统的风险水平越低时,要进一步降低就越困难,为此所花费的成本往往呈指数曲线上升.也可以说,安全风险改进措施投资的边际效益递减,然后趋于零,最终为负值.因此,必须在工业系统的风险水平和成本之间做出一个折衷.
根据渤海湾的海底管道失效经验教训,海底油气管道稳定性的风险因素主要源于波流冲刷和海床变化.按照第2节中的方法进行风险评估分析,评估结果见表8.
表8 海底油气管道稳定性风险半定量评估结果及推荐权重
Table 8 Semiguantitative evaluation results and recommended weights for stability risks of subsea oil and gas pipeline
| 海管稳定性风险因素 | 频率等级 | 后果等级 | 风险矩阵 | 推荐权重 |
|---|---|---|---|---|
| 波流冲刷造成管道悬跨 | 4 | 3 | ALARP | 0.3 |
| 波流冲刷造成管道断裂 | 1 | 3 | 低 | 0.2 |
| 海床变化造成管道位移 | 1 | 3 | 低 | 0.3 |
| 海床变化造成管道断裂 | 1 | 4 | 低 | 0.1 |
| 海床液化造成管道悬跨 | 2 | 4 | 低 | 0.1 |
将风险矩阵等级与事件的权重相乘即可得到该事件的风险指数.表8中所有权重值总和为1,所有事件的风险指数和为管道的风险指数.管道的风险划分即可按照风险指数大小来进行排序.风险指数大则风险值高,反之则小.风险指数只能半定量地,相对地体现风险值.
在缺少足够数据时,也可使用定性的风险评价方法,即客观优先级的方法.由风险评估小组对潜在的风险进行辨识,并对每个风险基于预估的风险,进行优先级分类.
根据国内外的风险评估经验和风险辨识情况,一般来讲,影响管道稳定性的主要风险详见表9.其中的推荐权重值可根据具体项目情况进行调整.
表9 海底油气管道稳定性风险定性评估结果及推荐权重
Table 9 Qualitative evaluation results and recommended weights for stability risks of subsea oil and gas pipeline
| 影响管道稳定性的因素 | 说 明 | 推荐权重 |
|---|---|---|
| 海床平整度 | 不平整的海床或斜坡均更易受到波流冲刷影响 | 0.15 |
| 海床沙波沙脊移动 | 导致管道位移或破坏 | 0.10 |
| 海底强流 | 引起海床冲刷,导致管道悬空 | 0.10 |
| 波浪 | 波浪荷载加剧海床冲刷,最终影响管道稳定性 | 0.10 |
| 海床地质 | 砂质粉砂质海床可能液化,粘土质海床可能软化 | 0.10 |
| 泄漏情况 | 泄漏或破坏过的管道有较高的稳定性风险 | 0.15 |
| 埋设情况 | 较深埋设能减少管道受到冲刷等破坏 | 0.10 |
| 维修和检测情况 | 检测维护可对管道现状有较清楚的了解,并制定措施减少风险 | 0.10 |
| 完整性管理情况 | 评估管道安全状况,是否考虑超期服役 | 0.10 |
本文建立了海底油气管道稳定性风险评估质量评价方法,从危险辨识,后果评估,频率分析和风险矩阵等4个方面探讨了影响油气管道风险评估质量的客观外因,为改善管道风险评估指标体系的构建方法提供了基本思路.针对海底油气管道的特殊性,从管道稳定性这一管道重要指标的专业角度,结合工程经验总结了影响海底油气管道稳定性的风险因素,并通过半定量评估法和定性评估法给出了推荐的评估权重值.该风险评估技术具有较强的操作实用性,可为推进我国海底油气管道风险评估技术的发展提供参考.
The authors have declared that no competing interests exist.
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