基于完整性管理的集輸埋地管道風險評估

李玉閣 陳曉林 宋文明 李金瑞 林海萍 何等江

1. 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司, 甘肅 蘭州 730070;2. 機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司, 上海 201518;3. 岳陽建華工程有限公司, 湖南 岳陽 414000;4. 上海藍濱石化設備有限責任公司, 上海 201518

0 前言

目前,中國早期開發的油氣田集輸管道服役已達20～30 a,由于長期埋在地下,受土壤環境、地勢下沉、腐蝕介質等因素影響,易出現管道防腐層破損、穿孔、泄漏等現象,甚至引起突發的火災、爆炸等惡性事故,危及人身財產安全[1-2]。依靠經驗和領導決策等傳統應急搶險管理模式對潛在風險缺乏預見性和針對性,很難滿足集輸系統風險和可靠性等本質安全識別日益嚴峻的需求。近年來，以預防為主的管道完整性管理模式陸續在各油田推廣應用,深入研究制約管道完整性運行的各種基本要素,對潛在的高風險誘因開展辨識和定位工作,不斷完善管道高風險損傷防控體系,全面推行管道本質安全有效性預防措施,將管道長期保持完整、受控、安全的狀態,縱貫于設計、施工、運行、廢棄的全壽命周期,保障集輸系統管道安全平穩運行[3-7]。

基于風險的檢驗(Risk Based Inspection,RBI)重點保障壓力設備機械完整性以及降低因為完整性損傷導致內部介質受損失的可能性,通過對失效模式的識別與評價來提高設備的可靠性[8-10]。而管道完整性管理包含資料收集、風險評價、完整性評價、維修維護及效能評價等內容,以保障管道系統的本質安全為終極目標。RBI的設備信息收集工作和風險分析全過程是管道完整性管理的關鍵環節,二者的理念是貫穿和相通的[11-13],但現階段集輸系統管道風險評估卻未能有效融入到風險管理中,風險評估并未將風險管理確立為分析的主要影響因素考量,風險評估對完整性管理缺乏指導性和實用性,應用效果不佳。

1 風險評估存在問題

1.1 風險評估理念尚待改善

集輸管道完整性管理風險評估過程中,風險分析與風險管理工作的開展相對獨立,評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、風險排序來完成評估的主要工作量,未實現基于風險來改進日常設備管理方法以及優化工藝控制指標等。評估過程中沒有從管理的角度出發,對風險點進行全方位可操作、易把控的風險控制措施研究,缺少直接有效的調控手段和風險監控措施,未將損傷模式識別理念落實到管道日常安全管理工作中[14-15]。

1.2 管道管理數據庫維護滯后

目前，國內集輸系統油氣管道普遍存在設計、制造、維修數據不完整、不精確的問題,如建設期和運營期的標段號、設計樁號、竣工樁號不匹配；管道運行多年維修改造變更較大,地理位置與樁號不匹配；管道的影像資料、基礎數據缺少統一的數據庫；管道交叉多,加上土壤沉降、管道變形、地面標識缺失或不清晰,缺乏跟蹤和有效管理[16-17]。這些問題影響風險分析和完整性評價的準確性,風險點難以精確定位,巡線或管理人員難以對風險點進行必要的日常管控或定期檢修。

1.3 風險評估分段不明確、不合理

風險評估分段一般從管道工況、規格、投用年限、內容物易燃易爆特性、人員活動狀況等方面進行考慮,主要從管道失效后果方面進行區段界定,而這些風險因素在管道全壽命周期是相對固定不變或可以通過現有技術手段準確檢測的,分段結果對管道風險點的日常管理指導性不強。而失效可能性要素是風險評估中的重要變量,尤其是內部腐蝕,每一種失效模式都有其發生的條件和敏感環境(如層狀流腐蝕較嚴重之處主要分布在管道沿線實際傾角大于臨界傾角等腐蝕性介質易凝聚濃縮的部位),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行。

1.4 風險評估損傷模式不完整

集輸管道完整性管理風險評估損傷模式中內部腐蝕模塊,主要考慮H2S、CO2等有害介質導致的減薄或開裂,缺少對集輸管道運行工藝波動引發的兩相流對腐蝕影響的考慮[18]。現場檢驗中發現相似工況時靜態下的腐蝕速率為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,在介質流動過程中會不斷產生渦流,段塞流體中液體混入氣體,將轉化成大小不一的空泡,這些空泡受壓破裂對管道內壁造成非常大的沖擊,反復破壞管道內壁的保護性腐蝕產物膜,導致其局部厚度嚴重地減薄。

1.5 風險后果計算評估軟件的滯后

以挪威船級社(中國)有限公司(DNV GL)的Synergi Plant RBI Onshore軟件為例,后果計算主要通過介質、材質、規格、成本、人員密度、影響范圍等要素，確定人員受傷、業務影響、易燃易爆特性及環境破壞性作為后果判定的主要依據,敷設方式、埋設地類未納入計算程序,不能準確體現管道占壓、穿越等常見因素的后果影響。

1.6 高風險點未實現精準定位管理

埋地管道與工業管道相比風險管理存在天然的劣勢,風險點難以精確定位,可預防的風險、風險點不能實現可視化監管,評估結果對設備管理者指導性不強,缺少埋地管道風險點與日常地面上風險管理的聯系紐帶,未實現對基于損傷機理確定的高風險點精準定位管理,定期的檢維修也主要依據法規采取抽查的方式進行,缺乏針對性和有效性。

2 基于管道完整性管理風險評估目標

基于管道完整性管理理念,管道風險評估的執行要把為管道日常管理服務作為出發點,明確主要損傷誘因(外部損傷、內部損傷、第三方破壞)，量化管道完整性失效的可能性、后果及其嚴重程度,評估結果要便于對高風險點精確定位、易開展針對性檢驗檢測,明確日常風險巡查維護重點,并提出有效手段改進風險要素的主要操控變量。將完整性管理理念縱貫于管道風險評估的整個流程,辨識和掌控風險的要素,在當前時空維度內徹底改變引發風險的失效可能性環境,制定行之有效的風險管理和防控措施,并持續改進,確保管道安全運行。

為提高管道日常管理的有效性和針對性,應對管道材質、操作溫度、操作壓力、有害組分含量、介質流速、土壤環境以及其他因素進行綜合分析,判定管道在當前環境因素影響下可能存在的所有敏感腐蝕機理、對應失效模式及其影響區域,結合在日常檢驗或定期檢驗中發現的重大問題及對應腐蝕狀況,制定針對性的防控手段(包括檢驗策略、工藝控制和監測、開停車注意事項、注入混合點管理、巡查重點部位等)。在日常管理中要依據影響潛在腐蝕敏感性的材質(管道選材與現役材料腐蝕敏感環境)、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(防控管道失效的有害組分濃度范圍以及日常分析化驗部位、方法、化驗類別)、流速(防控管道失效的介質流量范圍)、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)等關鍵因素的敏感區間制定針對性的控制措施。

3 基于管道完整性管理風險評估流程

3.1 埋地管道區段的劃分

現有集輸管道劃分大多基于集輸系統整體管道的分段條件進行劃分,包括管道工況、規格、投用年限、內容物易燃易爆性、人員活動狀況、外防腐狀況、土壤特性、雜散電流影響、陰極保護狀況、土壤工程地質條件、附近建筑物等要素[19-20],而對單條管道來說,其中多個要素各個分段都一樣,分段各自的特點不突出,不便于對各分段的相對風險進行有效的分析和管理,因此埋地管道風險分段應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,單條管道區段劃分原則見圖1。

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

3.2 埋地管道失效可能性評價原則

可采用挪威船級社(中國)有限公司(DNV GL)的Synergi Plant RBI Onshore、合肥通用機械研究院的通用石化裝置工程風險分析系統等風險評估軟件對埋地管道的失效可能性進行評價,失效可能性應對內、外部腐蝕分別進行考慮。

3.2.1 外部腐蝕

外部腐蝕以土壤腐蝕為主,依據API RP 581—2016 Part 2[21]土壤腐蝕的規定進行評價。采集管道相關的土壤類型、土壤電阻率、陰極保護、設備溫度、涂層、設備運行時間、基本設計參數等信息,進行定量計算。

3.2.2 內部腐蝕

內部腐蝕分別以集油管道、注水管道、氣舉管道進行考慮。

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、介質物性及流體流量等多種因素的影響,采集管道相關的流量、傾角、密度、腐蝕性組分含量、操作運行工況、pH值以及基本設計參數等信息,進行定量計算。

注水管道以冷卻水腐蝕和沖刷為主,采集管道相關的固含量、堿度、硬度、pH值、溫度、流量、氯根、溶解氧以及基本設計參數等信息,進行定量計算。

氣舉管道以局部冷凝腐蝕為主,采集管道相關的運行工況、水含量、腐蝕性組分含量以及基本設計參數等信息,進行定量計算。

3.3 埋地管道失效后果評價原則

失效后果評價主要考慮輸送介質、敷設方式、埋設地類、管道類別、管徑規格等因素,其中敷設方式、埋設地類將根據輸送介質分別從安全和環境影響方面評價失效后果,管道類別、管徑規格主要從對生產的影響角度評估失效后果。輸送介質安全環境影響因子構成基礎安全等級,敷設方式失效后果等級為安全等級×安全因子+環境等級×環境因子,埋設地類失效后果等級為安全等級×安全因子+環境等級×環境因子,統籌安全、環境、生產三要素,各后果因子按照權重系數計算便可得到埋地管道失效后果等級。失效后果評價見表1。

表1 失效后果評價原則表Tab.1 Failure consequence evaluation principles

4 風險評估案例

采用PCM探測管道定位、RTK確定三維坐標的檢測方法，可得到埋地管道完整的走向圖和管頂標高圖,可將現場標識樁、拐點、穿越端點等關鍵點在三維地圖上精確定位,標定各個關鍵點GPS坐標、管段長度、高程,通過對比確認獲得精準的管道走向定位圖,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,風險評估的高風險點主要集中在管道沿線實際傾角大于臨界傾角的積液位置,也是管道運行管理的危險段。通過把管道的相對低點和大傾角區塊標注在管道走向定位圖中,并在現場安裝相對低點標志樁(大傾角部位通常在相對低點附近),便于進一步開展埋地集輸管道完整性管理評價、日常巡查、檢維修等風險管理工作。

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

5 結論

集輸埋地管道風險評估作為完整性管理的核心要素,應該與管道的經營策略和安全管理活動聯系在一起,識別和分析管道運行中的風險因素,預測危險的可能性及嚴重程度,明確管道的管理重點,將主要資源應用到高后果和高風險段中,優化風險控制,開展針對性的完整性評價管理,制定有效的風險防控措施,保證管道的安全運行。