趙 楊, 謝 飛, 孫 凱, 沈 歌, 郭大成, 趙 鑫

(1 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)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(nèi)經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)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(shè)施，其建設(shè)規(guī)模也越來越大。截至2015年底，全國油氣輸送管網(wǎng)總長度達到15×104km[1]，預(yù)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(guān)重要,為了避免出現(xiàn)油氣運輸?shù)陌踩鹿?，人們對油氣管道的檢驗也越來越重視。常規(guī)的檢測技術(shù)按照規(guī)定周期和內(nèi)容實施檢測，缺少針對性，常常出現(xiàn)檢驗過度或檢驗不足的情況，并且考慮更多的是設(shè)備失效的可能性，不符合企業(yè)對于經(jīng)濟、效益和風險控制的需求。通過長期調(diào)查分析，在設(shè)備風控領(lǐng)域也存在著一個與“帕雷圖二八規(guī)則”非常相似的規(guī)律，即80%的風險集中在20%的設(shè)備或風險源上[3]。如何區(qū)分出這些設(shè)備并制定出相應(yīng)的檢驗方案是風險控制的重要課題。

基于風險的檢驗技術(shù)(簡稱RBI)是近30多年來被世界廣泛采用并得到認可的設(shè)備檢驗技術(shù)[4]。 RBI的主要目標是開發(fā)有限的資源以應(yīng)對真正有意義的風險。它是一種基于安全性和經(jīng)濟性的對系統(tǒng)設(shè)備進行風險檢測與維護的技術(shù)方法體系。RBI技術(shù)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(xué)會(API)與挪威船級社合作，開始將基于風險的檢測技術(shù)應(yīng)用于石化設(shè)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(nèi)應(yīng)用RBI技術(shù)最多的是石油化工行業(yè)[6-8]，主要應(yīng)用于管道及儲罐、反應(yīng)釜、換熱器及塔器等靜設(shè)備檢驗中。

目前，國外的管道風險評價技術(shù)正在向成熟階段過渡，具有相對完整的管道失效數(shù)據(jù)庫和理論模型[9]；然而國內(nèi)管道風險評價技術(shù)還處于發(fā)展階段， RBI技術(shù)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(shù)據(jù)庫和相應(yīng)的評價標準尚未建立[10-11]。迄今為止，國內(nèi)外的RBI技術(shù)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(jīng)驗、設(shè)計單位經(jīng)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(zhuǎn)化成定量分析，納入管道評價系統(tǒng)，是今后完善RBI評價技術(shù)急需解決的問題。另外，目前RBI技術(shù)只是在長輸管道上應(yīng)用和研究較為廣泛，但是在油氣田的油氣集輸管網(wǎng)上的研究尚鮮見報道。由于集輸管網(wǎng)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(shè)等特點，導(dǎo)致油氣田集輸管網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)腐蝕穿孔、泄漏等事故。然而，RBI技術(shù)在長輸管道上的應(yīng)用卻無法簡單復(fù)制到集輸管網(wǎng)評價上[12-13]，因此，未來對油氣田集輸管網(wǎng)的RBI技術(shù)研究將是油氣管道安全性研究的熱點。

1 RBI技術(shù)簡介

RBI技術(shù)是在追求系統(tǒng)安全、經(jīng)濟統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，科學(xué)地分析系統(tǒng)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(nèi)的風險檢驗方法[14]。

1.1 RBI工作流程

RBI技術(shù)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(jīng)過數(shù)據(jù)的收集、分析，大致找出可能失效的設(shè)備，對設(shè)備的材料類型、環(huán)境因素進行評價，確定設(shè)備的失效機理并分析其失效可能性及后果，再根據(jù)企業(yè)監(jiān)管水平、設(shè)備設(shè)計和制造狀況等影響因素適當調(diào)整，進行風險排序，確定風險矩陣。確定設(shè)備的風險水平后，可根據(jù)設(shè)備的具體情況，制定相應(yīng)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(shè)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(shù)實施流程

1.2 RBI技術(shù)的原理

RBI的思路：根據(jù)設(shè)備的失效機理、失效可能性和后果，分析設(shè)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(tǒng)將風險定義為兩個項，即發(fā)生失效的可能性和失效后果。用數(shù)學(xué)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(fā)生”、“經(jīng)常發(fā)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(zāi)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(jù)風險等級制定相應(yīng)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(jù)評價結(jié)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(shù)是基于決策科學(xué)和貝葉斯統(tǒng)計理論的決策分析方法建立的， 評價時無需建立精確的數(shù)學(xué)模型和計算方法。它是在有經(jīng)驗的現(xiàn)場操作人員和專家意見的基礎(chǔ)上評判出相對風險等級，但并不能對危險事故發(fā)生的頻率及產(chǎn)生的后果進行量化。評價的精確性取決于專家經(jīng)驗的全面性，劃分影響因素的細致性、層次性以及權(quán)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(xiàn)場詢問觀察法、預(yù)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(jù)有關(guān)標準、規(guī)范和國內(nèi)外事故案例等將系統(tǒng)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(yù)先危險性分析( Preliminary Hazard Analysis)是在方案開發(fā)初期階段或設(shè)計階段對系統(tǒng)中存在的危險類別、危險產(chǎn)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(tǒng)安全分析方法。它是從系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)。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(diào)查系統(tǒng)工程中可能造成損害或操作問題的與原設(shè)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(jié)果，所以很多人將HAZOP與故障樹或概率后果矩陣等技術(shù)相結(jié)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(tǒng)安全分析方法中廣泛應(yīng)用的一種圖形演繹的故障分析方法。該方法通過相關(guān)事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，確定失效事件，將失效事件與導(dǎo)致失效事件發(fā)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(tǒng)潛在的故障，確定維修方案，預(yù)測、預(yù)防事故的發(fā)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(jié)合的方法，評價對象是系統(tǒng)中的危險源。它以事故發(fā)生的概率及后果為指標，用一定的權(quán)重系數(shù)對這些指標進行輔助修正，構(gòu)建評價系統(tǒng)風險程度的數(shù)學(xué)模型。如何確定各風險因素的權(quán)重是該方法的關(guān)鍵，目前，主要有主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)兩種確定權(quán)重的方法。由于缺乏老齡化管道數(shù)據(jù)等原因，管道數(shù)據(jù)庫并不完整，導(dǎo)致客觀賦權(quán)法存在一定的局限性，因此，專家估計法在業(yè)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[34]。

專家估計法的權(quán)重主要是由專家經(jīng)驗和理論確定的，主觀性較強，所以，許多學(xué)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(shù)來量化模糊語言變量的賦權(quán)法，該方法從評價集、權(quán)重賦值和單因素評判三個方面改進了現(xiàn)行的模糊綜合評判模型。許謹[36]等結(jié)合歷年管道事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用熵權(quán)法計算第三方指數(shù)、腐蝕指數(shù)、設(shè)計指數(shù)和誤操作指數(shù)的權(quán)重，對肯特法進行優(yōu)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(quán)重，綜合考慮了風險因素的主觀評分權(quán)重和客觀評分權(quán)重，計算出各風險因素的最終評分權(quán)重從而使評價結(jié)果更客觀、可靠。王天瑜[38]等將改進灰關(guān)聯(lián)分析與熵權(quán)法相結(jié)合確定土壤腐蝕性評價各指標權(quán)重，使權(quán)重計算結(jié)果更加客觀、可信。付罡[39]針對可能性和后果分析數(shù)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(shè)計開發(fā)了相應(yīng)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(chǔ)上的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法。評價結(jié)果的準確性取決于原始數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)學(xué)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(shù)據(jù)，包括裝置設(shè)計資料、工藝數(shù)據(jù)、歷史運行記錄、檢維修臺賬及事故臺賬等，完成數(shù)據(jù)收集后，利用專業(yè)的RBI軟件，得出檢驗計劃并實施[41]。定量分析需要大量的數(shù)據(jù)，工作量較大而結(jié)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(yīng)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(jié)了22種失效因素[43]。Thomas提出了管道失效概率的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，該模型從管道的形狀和材料等因素考慮，全局統(tǒng)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(xué)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(jīng)成功地開發(fā)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(jié)合，依據(jù)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(shù)的參數(shù)之間的相對重要性[46]。目前，國外已經(jīng)制定出具體的定量風險評估導(dǎo)則并廣泛應(yīng)用，開發(fā)了多種管道風險檢測軟件，例如：挪威船級社(DNV)研發(fā)的“ORBIT+ Pipeline”軟件、法國船級社(BV)的RB.eye軟件以及英國焊接技術(shù)學(xué)會(TWI)的RiskWise軟件等[47-50]。除此之外，北美及歐洲很多國家已經(jīng)建立了較為成熟的油氣管道數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫，歐洲天然氣事件組織(EGIG)建立的天然氣管道失效數(shù)據(jù)庫等。

2.3.3 國內(nèi)研究和應(yīng)用情況

(1)完善數(shù)據(jù)庫。夏立[51]首次試探性地建立了適合國內(nèi)壓力管道的失效數(shù)據(jù)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(shè)計和評價方法進行了研究，收集了國內(nèi)近4×104km天然氣管道的可靠性設(shè)計數(shù)據(jù)，建立了國內(nèi)天然氣管道數(shù)據(jù)庫、天然氣管道的可靠性設(shè)計流程及評價方法，并制定了相應(yīng)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(shù)據(jù)庫平臺并順利投入運行，實現(xiàn)了長輸管道的失效數(shù)據(jù)管理，2012年完成與中國石油管道完整性管理系統(tǒng)(PIS)集成，實現(xiàn)了長輸管道失效數(shù)據(jù)的信息化管理與管道日常業(yè)務(wù)的集成。

(2)開發(fā)管道風險評估軟件。2000年西南石油學(xué)院與中國石油西南油氣田分公司聯(lián)合開發(fā)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(nèi)現(xiàn)役輸氣管道上達到了實際應(yīng)用水平[56]。夏立開發(fā)了定量風險評價軟件RBI-SEE，該軟件包含了失效數(shù)據(jù)錄入、統(tǒng)計和分析功能，實現(xiàn)對失效數(shù)據(jù)的管理，同時導(dǎo)入檢測后的信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)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(quán)威評價標準，開發(fā)了用于含缺陷壓力管道系統(tǒng)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(yè)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(nèi)管道的失效概率統(tǒng)計方法(對數(shù)正態(tài)分布統(tǒng)計法)和失效后果評估算法(分代表性介質(zhì)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(jù)調(diào)研結(jié)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(yīng)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(jù)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(yīng)用于海底油氣管道風險分析的結(jié)合Bow-tie和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)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(jù)貝葉斯理論和事故先兆數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對海底管道泄漏事故風險的動態(tài)分析，克服了Bow-tie靜態(tài)模型的不足，實時動態(tài)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(fù)雜性和不確定性，利用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論對燃氣管道第三方破壞的失效概率進行了計算。陳學(xué)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(shè)備的損傷退化機理與時間相關(guān)且與超標缺陷共存時,提高了RBI分析結(jié)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(tǒng)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(fā)展，評價更具有系統(tǒng)性、精確性和預(yù)見性。目前，國內(nèi)管道定量RBI技術(shù)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(shù)據(jù)庫，通過對比實際管道與失效數(shù)據(jù)庫的抽象管道，導(dǎo)出一些成熟的經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸?，從而得到相?yīng)的結(jié)果。而國內(nèi)的RBI技術(shù)應(yīng)用仍然處于發(fā)展階段，管道的失效數(shù)據(jù)庫仍在建設(shè)和積累階段。

表2 RBI三種分析方法對比

3 結(jié)論及展望

國內(nèi)外學(xué)者在管道RBI技術(shù)評價方法上進行了大量的研究，使得管道RBI技術(shù)向定量化分析發(fā)展。目前，在管道風險評價上仍然存在兩方面的發(fā)展瓶頸：一方面，施工隊經(jīng)驗、設(shè)計單位經(jīng)驗以及專家經(jīng)驗等模糊分析數(shù)據(jù)，直接影響RBI技術(shù)評價長輸管道的準確性,如何將這些經(jīng)驗因素量化并與風險評價指標關(guān)聯(lián)起來，是RBI技術(shù)在長輸管道上應(yīng)用時急需解決的難點;另一方面，目前的RBI技術(shù)無法直接應(yīng)用在油氣田集輸管網(wǎng)的風險評價上，針對油氣田集輸管道的復(fù)雜性和特殊性，如何建立一套適用于集輸管網(wǎng)的RBI評價技術(shù)，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(shù)是由管道腐蝕導(dǎo)致的。隨著開爾文探針、微區(qū)電化學(xué)、掃描振動電極、生物傳感器等高精尖測量技術(shù)的發(fā)展以及掃描電子顯微技術(shù)、透射電鏡技術(shù)、原子力顯微技術(shù)等先進表征手段的應(yīng)用，人們已經(jīng)能夠深入了解管道腐蝕的機理和規(guī)律，揭示管道腐蝕引發(fā)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(quán)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(tǒng)的RBI風險評價技術(shù)將是今后研究的重點方向。