RBI技術在國內油氣管道上的應用及研究進展*

趙 楊, 謝 飛, 孫 凱, 沈 歌, 郭大成, 趙 鑫

(1 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001; 2.中石油遼河油田油氣集輸公司，遼寧 盤錦 124010)

隨著國內經濟的持續穩定發展，對石油天然氣等能源的需求也在不斷增長。油氣管道作為油氣儲運中重要的設施，其建設規模也越來越大。截至2015年底，全國油氣輸送管網總長度達到15×104km[1]，預計到2020年，累計新建原油管道3.2×104km，成品油管道 3.3×104km[2]。油氣管道的管理和維護工作至關重要,為了避免出現油氣運輸的安全事故，人們對油氣管道的檢驗也越來越重視。常規的檢測技術按照規定周期和內容實施檢測，缺少針對性，常常出現檢驗過度或檢驗不足的情況，并且考慮更多的是設備失效的可能性，不符合企業對于經濟、效益和風險控制的需求。通過長期調查分析，在設備風控領域也存在著一個與“帕雷圖二八規則”非常相似的規律，即80%的風險集中在20%的設備或風險源上[3]。如何區分出這些設備并制定出相應的檢驗方案是風險控制的重要課題。

基于風險的檢驗技術(簡稱RBI)是近30多年來被世界廣泛采用并得到認可的設備檢驗技術[4]。 RBI的主要目標是開發有限的資源以應對真正有意義的風險。它是一種基于安全性和經濟性的對系統設備進行風險檢測與維護的技術方法體系。RBI技術最早由挪威船級社在海洋平臺上采用，20世紀90年代初，美國石油學會(API)與挪威船級社合作，開始將基于風險的檢測技術應用于石化設備檢測中，1996年API公布了RBI基本資源文件API BRD 581的草案，2000年5月與2002年5月先后頒布了RBI標準API RP581和API 580正式文件[5]。近年來，國內應用RBI技術最多的是石油化工行業[6-8]，主要應用于管道及儲罐、反應釜、換熱器及塔器等靜設備檢驗中。

目前，國外的管道風險評價技術正在向成熟階段過渡，具有相對完整的管道失效數據庫和理論模型[9]；然而國內管道風險評價技術還處于發展階段， RBI技術基本使用半定量分析，特別是定量風險評價方法需要的管道歷史失效數據庫和相應的評價標準尚未建立[10-11]。迄今為止，國內外的RBI技術在管道評價體系中均存在一定的缺陷，始終無法將施工隊經驗、設計單位經驗等對管道評價體系有影響的因素進行量化。因此，如何將這種模糊分析轉化成定量分析，納入管道評價系統，是今后完善RBI評價技術急需解決的問題。另外，目前RBI技術只是在長輸管道上應用和研究較為廣泛，但是在油氣田的油氣集輸管網上的研究尚鮮見報道。由于集輸管網與長輸管線相比有很多不同之處，例如管徑相對較小、管壁較薄、變徑頻繁、分布密集、雜散電流干擾較為嚴重且存在雙向輸送和并行鋪設等特點，導致油氣田集輸管網經常出現腐蝕穿孔、泄漏等事故。然而，RBI技術在長輸管道上的應用卻無法簡單復制到集輸管網評價上[12-13]，因此，未來對油氣田集輸管網的RBI技術研究將是油氣管道安全性研究的熱點。

1 RBI技術簡介

RBI技術是在追求系統安全、經濟統一的基礎上，科學地分析系統存在危險的可能性及后果，進行風險等級排序，找出需要加強檢修維護的部分，使風險降低至可接受范圍之內的風險檢驗方法[14]。

1.1 RBI工作流程

RBI技術的實施包括危險識別、失效概率評估、失效后果評估、風險計算、風險排序及風險再評估等6個步驟[15]。

經過數據的收集、分析，大致找出可能失效的設備，對設備的材料類型、環境因素進行評價，確定設備的失效機理并分析其失效可能性及后果，再根據企業監管水平、設備設計和制造狀況等影響因素適當調整，進行風險排序，確定風險矩陣。確定設備的風險水平后，可根據設備的具體情況，制定相應的檢測和維修計劃，包括檢測位置、檢測方法、維修周期和剩余壽命。通過重新進行風險評估，不斷降低設備潛在的風險，完善檢修策略。其流程示意見圖1。

圖1 RBI技術實施流程

1.2 RBI技術的原理

RBI的思路：根據設備的失效機理、失效可能性和后果，分析設備的風險等級，確定檢測周期、檢測范圍和檢測方法，制定最佳檢測和維修方案。

RBI系統將風險定義為兩個項，即發生失效的可能性和失效后果。用數學公式表達某事件的風險為：

R=P0F·C0F

式中:R為風險，P0F為失效可能性，C0F為失效后果。

失效可能性分為“頻繁發生”、“經常發生”、“可能”、“不可能”和“非常不可能”5個等級，分別用 5，4，3，2，1 表示；失效后果主要包括火災和爆炸風險、毒性風險等方面，分為不嚴重、不太嚴重、一般、比較嚴重以及非常嚴重5個等級，分別用 A，B，C，D，E 來表示。將失效可能性、失效后果組合起來，便形成一個 5×5 的風險矩陣，如圖2 所示。在風險矩陣中，沿左下方到右上方對角線逐漸升高，依次為：低風險、中風險、中高風險和高風險，根據風險等級制定相應的措施，見表1[16-18]。風險評價的方法有很多種，目前較常用的有10余種，這些方法可根據評價結果的量化程度分為3類：定性風險分析、半定量風險分析和定量風險分析。

圖2 RBI風險矩陣

表1 RBI風險等級和措施

2 RBI分析方法

2.1 定性分析法

管道的定性風險技術是基于決策科學和貝葉斯統計理論的決策分析方法建立的， 評價時無需建立精確的數學模型和計算方法。它是在有經驗的現場操作人員和專家意見的基礎上評判出相對風險等級，但并不能對危險事故發生的頻率及產生的后果進行量化。評價的精確性取決于專家經驗的全面性，劃分影響因素的細致性、層次性以及權重分配的合理性[19]。定性方法采用較多，如安全檢查表(SCL)、專家現場詢問觀察法、預先危害性分析(PHA)、故障類型和影響分析(FMEA)、危險和可操作性研究(HAZOP)及故障樹分析 (FTA)等。

安全檢查表(SCL)是一種根據有關標準、規范和國內外事故案例等將系統中不安全的因素找出并制成表格，以提問的方式進行安全檢查的方法[20-21]。

預先危險性分析( Preliminary Hazard Analysis)是在方案開發初期階段或設計階段對系統中存在的危險類別、危險產生條件和事故后果等概略地進行分析的方法[22-23]。

故障類型和影響分析(FMEA)是一種自下而上的系統安全分析方法。它是從系統的組成部分或因素開始分析，找出故障類型并分析各類故障對系統的影響，然后制定出減少或避免這些影響的措施。定性FMEA可通過添加臨界性分析，擴展到定量FMEA[24-26]。

危險性和可操作性研究(HAZOP) 是目前最廣泛的危害辨識技術。它利用工藝流程圖(PFD)、管道和儀表圖(P&ID)對整個工藝過程進行分析研究，調查系統工程中可能造成損害或操作問題的與原設計意圖的偏差(如人為失誤、工藝或材料失效等)，確定偏差的原因、后果以及評估后果。由于HAZOP并不能提供定量的結果，所以很多人將HAZOP與故障樹或概率后果矩陣等技術相結合，進行半定量或定量風險評估[27-30]。

故障樹分析法(FTA) 是系統安全分析方法中廣泛應用的一種圖形演繹的故障分析方法。該方法通過相關事故數據的統計，確定失效事件，將失效事件與導致失效事件發生的各種原因用一種被稱為故障樹的樹形圖表示，通過對故障樹的分析，得出系統潛在的故障，確定維修方案，預測、預防事故的發生[31-33]。

2.2 半定量分析法

半定量分析法是定性分析與定量分析相結合的方法，評價對象是系統中的危險源。它以事故發生的概率及后果為指標，用一定的權重系數對這些指標進行輔助修正，構建評價系統風險程度的數學模型。如何確定各風險因素的權重是該方法的關鍵，目前，主要有主觀賦權和客觀賦權兩種確定權重的方法。由于缺乏老齡化管道數據等原因，管道數據庫并不完整，導致客觀賦權法存在一定的局限性，因此，專家估計法在業內得到了廣泛應用[34]。

專家估計法的權重主要是由專家經驗和理論確定的，主觀性較強，所以，許多學者為提高專家估計的精度展開了深入研究，例如: 趙德孜[35]提出了一種含置信度的梯形模糊數來量化模糊語言變量的賦權法，該方法從評價集、權重賦值和單因素評判三個方面改進了現行的模糊綜合評判模型。許謹[36]等結合歷年管道事故的統計數據，利用熵權法計算第三方指數、腐蝕指數、設計指數和誤操作指數的權重，對肯特法進行優化。易云兵[37]等采用不確定層次分析法確定油氣管道風險因素的評分權重，綜合考慮了風險因素的主觀評分權重和客觀評分權重，計算出各風險因素的最終評分權重從而使評價結果更客觀、可靠。王天瑜[38]等將改進灰關聯分析與熵權法相結合確定土壤腐蝕性評價各指標權重，使權重計算結果更加客觀、可信。付罡[39]針對可能性和后果分析數目多等問題提出了一種半定量的基于符號定性圖的危險性與可操作性分析(SDG-HAZOP)方法，并設計開發了相應的RBI風險評價模塊。

2.3 定量分析法

2.3.1 定量分析法特點

定量風險評價法(定量分析法)是管道風險評價的高級階段，是一種基于失效概率和失效后果直接評價基礎上的數學和統計學方法。評價結果的準確性取決于原始數據的完整性、數學模型的精確性和分析方法的合理性[40]。定量分析方法需要收集大量的數據，包括裝置設計資料、工藝數據、歷史運行記錄、檢維修臺賬及事故臺賬等，完成數據收集后，利用專業的RBI軟件，得出檢驗計劃并實施[41]。定量分析需要大量的數據，工作量較大而結果更可靠。定量風險評價步驟如圖3所示[42]。

圖3 定量風險評價的步驟

2.3.2 國外研究和應用情況

20世紀70年代初，針對壓力管道事故，美國國際管道研究委員會分析總結了22種失效因素[43]。Thomas提出了管道失效概率的經驗模型，該模型從管道的形狀和材料等因素考慮，全局統計來估算泄漏率，并在給定泄漏率的情況下，部分采用斷裂力學模型評估斷裂失效概率，主要適用于化工廠管道或容器的失效概率估算。1992年，Muhlhaue編著了《管道風險管理手冊》[44]，該手冊已更新至第3版，里面包含了多種管道風險評估模型和方法。加拿大的NeoCorr工程有限公司早在1995年就己經成功地開發出CMI管道風險評價軟件，并為加拿大的多家大型石油公司、管道輸送公司的油氣集輸及長輸管道進行了風險評價[45]。A Jamshidi等將相對風險評分(RRS)方法與模糊邏輯相結合，依據專家知識的MAMDANI算法建立了一種新的模型，該模型能夠考慮影響風險指數的參數之間的相對重要性[46]。目前，國外已經制定出具體的定量風險評估導則并廣泛應用，開發了多種管道風險檢測軟件，例如：挪威船級社(DNV)研發的“ORBIT+ Pipeline”軟件、法國船級社(BV)的RB.eye軟件以及英國焊接技術學會(TWI)的RiskWise軟件等[47-50]。除此之外，北美及歐洲很多國家已經建立了較為成熟的油氣管道數據庫，例如：美國運輸部 (DOT)、加拿大國際能源部(NEB)建立的油氣管道失效數據庫，歐洲天然氣事件組織(EGIG)建立的天然氣管道失效數據庫等。

2.3.3 國內研究和應用情況

(1)完善數據庫。夏立[51]首次試探性地建立了適合國內壓力管道的失效數據庫，并對其進行分類管理。近年來，中國石油天然氣股份有限公司對天然氣管道的設計和評價方法進行了研究，收集了國內近4×104km天然氣管道的可靠性設計數據，建立了國內天然氣管道數據庫、天然氣管道的可靠性設計流程及評價方法，并制定了相應的標準[52-55]。2009年中國石油天然氣管道公司建立了油氣管道失效數據庫平臺并順利投入運行，實現了長輸管道的失效數據管理，2012年完成與中國石油管道完整性管理系統(PIS)集成，實現了長輸管道失效數據的信息化管理與管道日常業務的集成。

(2)開發管道風險評估軟件。2000年西南石油學院與中國石油西南油氣田分公司聯合開發了“天然氣管道風險評價軟件”，該軟件在重慶某輸氣管道上成功進行了風險分析與評價，這標志著目前國際上通用的評分體系法在國內現役輸氣管道上達到了實際應用水平[56]。夏立開發了定量風險評價軟件RBI-SEE，該軟件包含了失效數據錄入、統計和分析功能，實現對失效數據的管理，同時導入檢測后的信息數據，實現了風險的評估與再評估。藺永誠[57]等基于BSI PD 6493-95,R/H/R6-98和SAPV-99等權威評價標準，開發了用于含缺陷壓力管道系統的斷裂失效風險分析軟件 (SAPP-2002)，該軟件適用于各種缺陷類型的石油工業和油氣輸送管道風險評估。

(3)不同失效模式下的風險評估改進。夏立建立了適用于國內管道的失效概率統計方法(對數正態分布統計法)和失效后果評估算法(分代表性介質法)。段世文[58]對高黏原油管道的凝管失效模式進行了風險評估，根據調研結果和一些凝管事故案例建立了熱油管道凝管失效故障樹，找出了引起凝管風險的主要因素，并提出了相應的改進措施。牛少蕾[59]通過對上海石化壓力管道的研究，分析出上海石化壓力管道主要存在腐蝕減薄和焊接缺陷等缺陷形式，采用簡化圖表法確定失效可能性和失效后果的等級，提高了分析壓力管道風險的速度。針對通用失效概率的局限性，依據API581中對通用失效概率的修正原理，建立了通用失效概率在各失效模式下的損傷因子算法。李新宏[60]等提出了一種應用于海底油氣管道風險分析的結合Bow-tie和貝葉斯網絡的新模型。該模型采用Bow-tie法，模擬出管道泄漏的原因及帶來的后果，建立海底管道泄漏事件序列模型，根據貝葉斯理論和事故先兆數據，實現對海底管道泄漏事故風險的動態分析，克服了Bow-tie靜態模型的不足，實時動態更新海底管道的失效概率。李軍[61]等針對管道第三方破壞事故的多樣性、復雜性和不確定性，利用層次分析法和模糊數學理論對燃氣管道第三方破壞的失效概率進行了計算。陳學東[62]等提出了以剩余壽命為基準來計算評價失效概率的概念與方法,使得RBI的方法更為合理,尤其是當設備的損傷退化機理與時間相關且與超標缺陷共存時,提高了RBI分析結果的安全性。盧琳琳[63]等提出了一種包含排序概率和后果嚴重性的標準風險矩陣,來定義系統風險等級的綜合風險評價方法，該方法分別采用故障樹建立Bow-tie模型并在事件樹中描述失效后果，用模糊方法計算失效概率。

2.4 RBI三種分析方法的對比

RBI三種分析方法的對比情況見表2。未來的管道風險評價將向定量化發展，評價更具有系統性、精確性和預見性。目前，國內管道定量RBI技術并沒有真正做到定量分析，這是因為定量風險評價主要基于管道歷史失效數據庫，通過對比實際管道與失效數據庫的抽象管道，導出一些成熟的經驗模型公式，從而得到相應的結果。而國內的RBI技術應用仍然處于發展階段，管道的失效數據庫仍在建設和積累階段。

表2 RBI三種分析方法對比

3 結論及展望

國內外學者在管道RBI技術評價方法上進行了大量的研究，使得管道RBI技術向定量化分析發展。目前，在管道風險評價上仍然存在兩方面的發展瓶頸：一方面，施工隊經驗、設計單位經驗以及專家經驗等模糊分析數據，直接影響RBI技術評價長輸管道的準確性,如何將這些經驗因素量化并與風險評價指標關聯起來，是RBI技術在長輸管道上應用時急需解決的難點;另一方面，目前的RBI技術無法直接應用在油氣田集輸管網的風險評價上，針對油氣田集輸管道的復雜性和特殊性，如何建立一套適用于集輸管網的RBI評價技術，是今后研究的重點。

無論是長輸管道還是油氣集輸管道，其運行的風險及事故絕大多數是由管道腐蝕導致的。隨著開爾文探針、微區電化學、掃描振動電極、生物傳感器等高精尖測量技術的發展以及掃描電子顯微技術、透射電鏡技術、原子力顯微技術等先進表征手段的應用，人們已經能夠深入了解管道腐蝕的機理和規律，揭示管道腐蝕引發風險的微觀機制。這就意味著可以從管道微觀腐蝕機理的角度思考，明確影響管道腐蝕的主要因素，分析影響管道失效因素權重指標,用于油氣管道的定量風險評估。隨著研究的不斷深入，建立一套適用于油氣集輸管道系統的RBI風險評價技術將是今后研究的重點方向。