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1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目： 长输管道基于风险的评价方法 学习中心： 石油管道学习中心 年级专业： 网络13秋季油气储运工程 学生姓名： 程慧荣 学 号： 指导教师： 王学东 职 称： 副教授 导师单位： 中国石油管道学院 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2015 年 7月 8 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 程慧荣 1设计(论文)题目： 天然气利用技术及其应用 2学生完成设计(论文)期限： 2015 年 01 月 01 日至 2015 年 08 月 20 日 3设计(论文)课题要求：根据自己所学专业知识、工作
2、内容选择毕业设计课题，初步确定毕业设计的题目和主要内容；按进度要求完成论文,论文主体要符合一般学术论文的写作规范，具备学术性、科学性和一定的创造性。论文应文字流畅，语言准确，层次清晰，论点清楚，论据准确，论证完整、严密，有独立的观点和见解。 4实验（上机、调研）部分要求内容： 调研要充分,熟悉与课题相关的技术信息。 5文献查阅要求：参考文献反映毕业设计(论文)的取材来源、材料的广博程度和材料的可靠程度。参考文献不宜过多，只列作者直接阅读过、在正文中被引用过的中外文献资料。 6发 出 日 期： 2015 年 01 月 01 日 7学员完成日期： 2015 年 7月 8 日指导教师签名： 王学东
3、学 生 签 名： 程慧荣 摘 要管道风险评价普遍采用以Kent打分法为代表的定性方法，本文提出了一种新方法，即定量风险评价(QRA)，采用基于管道失效历史数据库和巳有成熟的数值模型，进行管道失效概率分析和失效后果分析，并以此方法在某输气管道上进行了验证，最后得到管段的绝对风险和人口密集段的个人风险，并进行了风险预剥。研究表明，QRA受人员主观判断影响较小，计算方法科学合理，结果量化，对进行检测与维护维修资源的分配具有很好的指导意义。关键词：管道，定量风险评价法(QRA)，个人风险，失效历史数据库，完整性管理目 录第1章 前言.1第2章 管道定量风险评价(QRA)简介.1第3章 QRA的主要技术
4、.23.1 管道失效概率分析.33.2 管道失效后果的计算.43.3 风险的计算.4第4章 QRA实例.5第5章 结论.8参考文献.10致 谢.11第1章 前 言管道风险评价按照最后结果的量化程度，可以分为定性方法、定量方法两种。定性方法以W. Kent Muhlbauer于1995年著的“管道风险管理手册”为代表，简称Kent打分法，至今已是第二版，仍在世界上各管道公司广泛使用，定量方法近几年才出现，以QRA(Quantitative Risk Analysis)为典型代表，国外管道公司一般也以定性方法为主，对复杂项目和重点管段才采用QRA。国内管道风险评价基本上还处于起步阶段，理论研究较多
5、，油气场站评价较多，简单方法采用较多，如故障树(FAT)的定性分析、作业条件危险性评价(LEC)等。为突破传统的定性评价方法，也有一些研究结合了数学方法，如模糊数学，以实现定量的评价，但基本还处于理论研究阶段，无工业应用。油气长输管道是国家经济的大动脉，直接服务沿线工业的生产和城市居民的普通生活。但管道又属于危险源，一旦发生泄漏事故，易燃易爆的高压介质迅速扩散，对沿线造成较大危害。如1999年美国华盛顿Beirut市一条成品油管道发生泄漏起火事故，造成2人死亡，大量油品泄漏，环境严重污染；2000年美国加州的CarIsbad市一条天然气管道泄漏并爆炸，造成12人死亡；2004年，陕西榆林境内某
6、输气管道发生泄漏，紧急疏散方圆10km内人员，造成恶劣影响。管道完整性管理是一种主动预防的管道管理方法，是先进管道公司管理经验的总结提炼，以被国际上众多管道公司所采用，如著名的Enbridge管道公司、加拿大彩虹管道公司等。目前，美国法规已经强制要求各管道公司必须对管道实行完整性管理，而完整性管理的基础是管道的风险评价，其主要目的是识别危害和管段风险排序，以完成对管道检测、维护维修资源的科学决策。所以进行风险评价的研究，开发有效的风险评价实施方法，对保证管道完整性管理的实施，保障油气管道的安全运行，具有重大的意义。第2章 管道定量风险评价(QRA)简介量化风险分析(QRA)是运用数学手段预测工
7、程建设项目发生事故的风险，同时提出降低风险的方法。该方法最早起源于上世纪40年代中期，用于核工业的量化风险分析。石油化工行业于上世纪60年代开始运用该方法进行安全风险管理。近年来，随着国内大型独资、合资石油化工项目的建设，QRA作为安全风险控制方法之一，已开始应用于国内石油化工建设项目的安全管理。地对系统现有安全措施的有效性进行分析。通过量化的数据对现有设计中的平面布置、工艺过程及各项安全措施等对项目风险计算结果的影响进行分析，从而确定现有安全措施的有效性。QRA是一种管道风险评价的最新方法，其主要有以下几点特点：1)QRA计算推导过程充分借鉴了之前的管道失效历史数据，和已有成熟的经验模型，相
8、比一些定性打分法，更显科学合理。2)分析过程主要是定量的数值计算，受评价人员的主观判断影响较小，结果统一性好。3)QRA最后的结果以定量的形式给出，结果有明确的实际意义，便于制定风险可接受标准，判定风险的可接受性。4)QRA便于进行情景分析和风险预测，实现真正的风险管理，推进管道完整性管理的实施，保障管道的安全运行。QRA是一种纯定量的方法，是目前管道风险评价的最新成果，其结果一般是具体的数值，且有量纲。QRA主要基于管道历史失效数据库进行，通过将实际管道与失效数据库中的抽象管道对比，并通过一些经验模型进行公式推导，从而得到相应结果，如绝对失效概率，管段年千米经济损失等。QRA主要流程如图1所
9、示。图1 QRA流程第3章 QRA的主要技术QRA的主要技术有管道失效概率分析，失效后果分析，以及最后风险值的计算，这几个过程与传统的Kent打分法不同的是，不需要管道专家进行主观的定级判断，基本是基于历史数据库和数值模型推导。下面将一一介绍。3.1 管道失效概率分析影响管道安全的因素大抵可分为以下几类：1)腐蚀，包括内腐蚀、外腐蚀和应力腐蚀开裂(SCC)。2)管体缺陷，包括制管缺陷和施工期间造成的缺陷。3)第三方破坏。4)误操作。5)设备缺陷。6)自然与地质灾害，包括滑坡、泥石流、崩塌、地表沉陷等。7)疲劳。有些管道应力腐蚀开裂和疲劳等问题并不存在或不严重，可不考虑。QRA中在计算管道失效概
10、率时，将各类因素分别考虑，以下式来计算： （3-1）式中，Fp各原因引起管道失效的概率；Fg通用失效概率。统计大量事故案例得到的管道平均失效概率；Ft每种失效模式所占的比例，各失效模式有管道小泄漏、大泄漏和破裂；Fa修正系数。其中，Fg和Ft是根据历史失效数据库得到的，Fa是将管道的实际情况与历史库中管道实际情况对比得到的修正系数。欧洲和北美很多国家的一些组织和协会早在30年前，就开始收集和统计工业事故失效案例，并建立大型的历史失效数据库，其中有名的管道失效数据库有AGA，EGIG等，一些公司也建有自己的历史失效数据库。由于积累了大量的管道失效案例，各个历史失效数据库的统计值相差不大，一般不会
11、超过一个数量级。各失效原因引起的管道失效模式所占比例Ft是不一样的，例如：腐蚀引起的绝大部分失效为小泄漏；而地质灾害则有一半为管道破裂。美国联邦应急管理中心(FEMA)1999年公布的统计数据表明，地震引起的管道失效模式为：80%的管道破裂，20%的管道泄漏。历史失效数据库中统计得到的各失效概率是针对代表性的管道的，如统计标明，应力腐蚀开裂引起的管道失效概率为310-5，其针对的代表性管道的属性如下：管道年龄：20年；管径：914mm：压力：6.895MPa；是否易于形成局部腐蚀环境：一般；管体对应力腐蚀开裂的敏感性：一般；壁厚：9.14mm；SMYS：448MPa。如果被评价管道与上述属性有
12、较大差异，则通过Fa来修正。3.2 管道失效后果的计算管道泄漏后果大小影响因素众多，有泄漏介质属性、泄漏量大小及泄漏点环境等，泄漏之后的事态发展可用事件树来进行分析，图2所示的事件树以天然气管道为例。图2 天然气管道泄漏事件树如图2所示，天然气管道泄漏后，有4种后果模式。各种后果模式所导致的后果大小是不一样的，以VCE+VC模式为最。各后果模式所占比例也是变化的，主要与管道失效模式及管道周围的土地用途有关，风向及风速也有一定影响。最后的比例也是可以根据历史数据统计得到的。各后果模式最后的影响可以分为人员伤亡和经济损失，危险液体管道还需要考虑环境破坏影响，每种后果模式造成的各类影响需要分别估算，
13、并在最后都可以折算为经济损失大小(单位为元或美元)。例如：计算人员伤亡影响，首先要考虑泄漏量。天然气的泄漏量与泄漏速率、流速、截断阀位置和紧急响应时间有关。已有一些经验公式可以采用。然后根据图2中事件相对的4种后果模式分别作用于人体产生的影响，主要是火灾、爆炸、热辐射、中毒和窒息等对人体的影响，结合各影响因素作用于人体导致死亡的下限值，计算得到最后的人员伤亡情况。3.3 风险的计算由于管道各属性沿管道一直是变化的，如壁厚、压力、高程、土地用途等，所以需要将管道分为多个管段，各相邻的两个管段必有一个属性不同。根据上面的计算，可以得到每个管段的失效概率和失效后果，最后用下式进行综合，可以得到管段的
14、风险值。 （3-2）式中，R风险；F失效概率：C失效后果；J各管段；K失效模式(k=1为小泄漏，k=2为大泄漏，k=3为破裂)：L失效原因(内腐蚀、外腐蚀、第三方破坏等，L为总数)；M后果类别(人员伤亡、经济损失、环境影响等)。风险值的单位为元/kma(元每千米每年)，表示管道每年每千米可能的经济损失大小。由于管道泄漏造成的人员伤亡所产生的影响最为恶劣。对于单点的风险绝对风险计算，QRA还专门提供表征人员伤亡影响大小的指标个人风险值(Individual Risk)，表示人员在管道周围某一点死亡的概率。在英国、荷兰等国家还制定了个人风险值的可接受标准，这样就可以很方便地衡量管道的安全性，管道管
15、理者也可以确定是否需要采取措施来降低风险。第4章 QRA实例对某天然气长输管道中一段进行QRA分析，此段管道长210km，运行压力6.4MPa，管径711mm，前期收集管道属性77个，涉及管道本体、运行、环境和维护措施等多个方面。每个属性整理为随着管道里程而变化的格式，根据管道各个属性将此段管道最后分成241个管段。计算得到各管段的风险值后，以管道中间的两个站场处为分隔点，将241个管段算术平均，合并为3个管段。以站场所在点为分隔是因为站场处有收发球筒，方便下一步完整性评价工作(内检测、压力试验等)的进行。合并后，对管段排序，如图3所示。图3 管段风险排序图各管段风险值的意义为每年每公里可能的
16、经济损失大小，可与历史状况对比，也可与其他管道对比。管道检测与评价工作应先在高风险段实施，所以建议将来安排检测与完整性评价工作时，优先顺序应分别是管段1、管段2，然后才是管段3。个人风险值是指个人的年死亡概率，常被用来衡量风险的绝对大小。对管道人口最密集处计算个人风险值，以衡量管道的安全性，如图4所示。10-8/a，参照国外风险可接受标准，最严格的为英国安全卫生部规定的110-6/a，所以此天然气管道的风险应是可以接受的。此外，QRA提供的社会风险值(FN Curve)也可作为衡量风险是否可以接受的第二指标。定量风险的最大好处之一是可以进行风险预测，结合情景分析(What-If分析)，实现合理
17、的制定风险控制计划。对此天然气管道风险预测如图5所示，从图中可明显看出风险随着时间变化的增长过程。图4 个人风险图图5 多情景风险预测从图5可以看出，此管道在6年内风险增长迅速，此后较为平稳。通过仔细分析，发现这是因为这6年是管道上次检测的受益期，所以建议此管道在6年后开始实施下一次检测。另外，情景分析考虑量化后的经济投入，可以为多方案进行经济性比较，在保障管道安全的前提下，做到最大的投入产出。量化风险分析(QRA)最主要的手段是将风险量化，对影响风险的因素进行分析，从而达到在确保项目经济合理的前提下最大限度的降低风险。目前，量化风险分析(QRA)在石油化工建设项目中主要用于以下几个方面:(1
18、)平面布置和厂址选择。目前，国内建设项目主要依据国家法律法规和标准规范的要求进行平面布置和厂址选择，确定厂界与周边的距离及项目内部装置设施的间距。而在国外石油化工建设项目中多运用QRA的方法计算爆炸事故冲击波的影响范围、火灾事故的热辐射范围及有毒物质泄漏的扩散范围，从而确定项目与周边及项目内部装置、设施的安全间距。(2)确定导致风险的主要因素。通过采用QRA的方法对项目装置、设施的风险进行计算，从而确定影响项目整体风险的最主要的因素，进而在设计过程中针对主要危险有害因素采取相应措施，以降低项目整体风险。(3)分析安全措施的有效性。QRA可以量化2典型量化风险分析(QRA)的主要步骤量化风险分析
19、(QRA)通常分为以下几个阶段:1明确分析范围量化风险分析(QRA)首先要对项目进行分析，明确QRA工作的范围。通常情况下，进行QftA分析可以根据项目内装置、设施或单元作为划分依据进行风险分析，也可以根据分析目的确定分析的范围，例如项目对周边居民的影响、项目内部的爆炸超压或火灾热辐射影响及有毒物质的泄漏扩散影响等。2进行危险辨识危险辨识是进行量化风险分析(QRA)的基础，如果不能有效辨识项目的危险有害因素，QRA计算的结果将不能有效指导项目风险控制。目前，常用的危险辨识的方法有检查表、危险及可操作性分析(HAZOP)、危险性预分析(PHA)。第5章 结论(1)在长输竹线风险评价中，影响安全的
20、风险因素较多，通常难以给出准确数学模型，专家打分法可信度相对较低。(2)利用随泪L方法，对容易引起安全隐患的因素分析，不同于对构件的单纯力学可靠性分析，而是在整个设计安全期内，对系统失效概率的分析，也是风险识别、安全评价所要达到的日的。(3)随泪L方法能够有效解决is输竹线随机事件难以建立精确计算模型的问题，而目可信度较高。可以知道某一随机因素对系统不同性能指标的影响，并进一步确定容易造成安全隐患、引起安全事故的卞要因素及其作用大小，做出准确的判断，及时采取安全措施。(4)进入塑性状态，内力反向卸载，结构的整体冈J度发生相应改变。对于理想弹塑性单元组成的结构系统，失效模式构成单元内力反向局部卸
21、载，使结构系统从完全失效状态中部分恢复，使结构整体依然具有继续承受额外荷载的能力。参考文献【1】刘武，张鹏，刘祎等. 天然气管网优化调度方法研究J. 西南石油大学学报(自然科学版)，2009，(03) . 【2】潘海源.输油管线优化运行技术研究D. 中国石油大学，2007【3】刘恩斌,彭善碧,李长俊,寥柯熹. 基于遗传算法的天然气集输管网参数优化设计J. 管道技术与设备 , 2004,(04) ：152-155. 【4】程劲松,程雪梅. 天然气集输场站工艺流程的模块化设计J. 天然气工业 , 1999,(06):163-165 . 【5】潘红丽,杨鸿雁. 气田地面集输管网系统的优化设计J. 天
22、然气储运 , 2002,(04) :132-135. 【6】董海生,卢宝春. 浅谈节流效应及在天然气集输工艺中的应用J. 天然气田地面工程 , 2003,(11):144-147 .【7】艾云超. 国内气田集输工艺技术及发展方向J. 天然气田地面工程 , 2005,(09):163-165 .致谢论文历时数月，终于完成了。在论文写作过程中遇到很多困难，在老师的帮助下度过了。这里尤其要强烈感谢我的论文指导老师王学东老师。她不厌其烦的帮助我对论文提出各种指导意见，进行修改。以及在此向帮助和指导过我的各位老师表示最诚挚的谢意！感谢这篇论文中所涉及到的学者，本文引用了数位学者的研究文献，如果没有他们研究成果的帮助和启发，我也很难完成论文。由于水平有限，论文有不足之处，恳请各位老师批评指正！中国石油大学（华东）现代远程教育指导教师 ： 王学东 职称： 副教授 工作单位 中国石油管道学院 对函授（网络） 13秋 级 专升本 层次 油气储运工程 专业学员 程慧荣 所完成毕业设计（论文）的评 语 该同学按毕业论文任务书要求圆满完成规定的任务，工作量饱满；能独立查阅相关参考文献，具备了良好的阅读相关资料的能力，并能从中获取、加工各种信息及新知识；论文格式标准，层次清晰，文理通顺，结构严谨，逻辑性强。 指导教师签名： 王学东 2015 年 08 月 20 日附录：
油气储运工程论文华东石油大学长输管道基于风险的评价方法
