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2010年第6期PipelineTechniqueandEquipment2010No6油气管道工程全生命周期风险评估及其对策1,郑贤斌2刘锴(1.中国石油天然气股份有限公司天然气与管道分公司质量安全环保处,北京100011;2.中国石油集团安全环保技术研究院安全技术研究所,北京100083)摘要:油气管道工程在设计、施工、运营、回收等全生命周期过程中存在各类风险。文中主要探讨了基于全生命周期的油气管道工程风险评估的基本概念,建立了全生命周期油气管道工程风险评估系统的总体框架,探讨了油气管道工程在不同生命周期阶段的风险控制准则以及风险识别和评估的方法,研究了损失模型、风险概率模型和多目标风险决策模型,有利于有效预防风险,或在灾害事故发生后合理确定损坏程度,以及制定消减或控制风险的对策。关键词:油气管道工程;风险评估;全生命周期;对策中图分类号:TE832文献标识码:A文章编号:1004-9614(2010)06-0001-03FullLifeCycleRiskAssessmentandDecisionmakingofOi&lGasPipelineEngineering12LIUKai,ZHENGXianbin(1.QualitySafetyEnvironmentDepartment,NaturalGasPipelineCompany,PetroChinaCompanyLimited,Beijing100011,China;2.PetroChinaPlanning&EngineeringInstitute,Beijing100083,China)Abstract:Thebasicconceptandprmiaryresearchcontentoftheevaluationofdefectsbasedonafulllifecycleisdiscussed.Theadvanceofevaluationofdefectsofoilandgaspipelinebasedonthefulllifecycleisnecessary.Risksareawlaysinvolvedinthelifecycleofbridgeduringthedesign,construction,serviceandrecoverystages.Thisdissertationpresentsaframeofoilandgaspipelineriskassessmentanddecisionmakingmethodology.TheALARPcriterion,utilityfunction,publicsafetyandmulitiobjectiveoptimizationmethodofoilandgaspipelineriskassessmentareinvestigatedindetail.Thesystematicprocedureofriskassessmentanddecisionmakingofoilandgaspipelineengineeringisillustrated,withanobjectivetominmiizethefatalityandriskofeconomiclosses.Keywords:oilandgaspipelineengineering;riskassessmen;tlifecycle;decisionmaking0引言程中,尽可能考虑可能产生的风险以及已经产生的风油气管道属于高风险行业,安全在油气管道中尤险,对这些风险进行评估,从油气管道的安全性、经济为重要[1]。油气管道一旦在意外事故和自然灾害中性、环保性、运行效率等各个指标综合考虑来确定风遭到破坏,将造成重大损失,现已引起国内外管道工险等级以及如何控制和消减风险。1.2全生命周期各阶段的风险程界高度关注。油气管道在其设计、施工、运营、回收等生命过程油气管道在全生命周期中均存在大量风险,还可能遭受地震、洪水、滑坡、崩塌等自然灾害,以及第三 都面临着风险,因此建立全生命周期的油气管道风险方破坏,都需要进行风险评估。评估体系意义重大。1.2.1设计阶段的风险1油气管道工程全生命周期的风险\n该阶段主要面临设计理论、计算模型、计算分析1.1基本概念能力等风险。设计理论发展不完善往往是设计阶段 油气管道工程全生命周期包括油气管道的设计最需要引起注意的风险。设计前期规划阶段存在方 期、施工期、运营期以及回收期。油气管道工程全生案的确定、选择等为后续的建设、运营等带来不确定 命周期风险评估可理解为在油气管道全生命周期过性。规划阶段的风险往往具有很强的隐蔽性,造成的损失也最大。收稿日期:2010-05-26收修改稿日期:2010-06-02\n2PipelineTechniqueandEquipmentNov20101.2.2施工阶段的风险表1油气管道风险概率描述该风险来自施工工艺、自然灾害等方面,施工阶等级风险概率描述概率间隔段的事故最为常见,也是最主要的风险。在施工过程中,油气管道结构处于最弱状态,荷载承受能力最低。1非常不可能<000052不可能00005~00053偶尔0005~005油气管道施工风险主要有工程概况、施工环境、气候4可能005~055非常可能>05条件、招投标、承包单位、监理单位、设备原材料的供在考虑油气管道工程风险时,风险造成的损失不应等。仅包括油气管道自身的直接经济损失,还包括由于其1.2.3运营阶段的风险社会服务功能的减退或丧失导致油气停输所带来的 在规划、设计、施工阶段隐藏的风险将最终在运间接经济损失等。营阶段显现,运营阶段的风险损失往往都直接由油气油气管道工程以安全为首要目标,对其风险决策管道业主承担。如何通过合理的风险评估,降低油气本质是多目标的优化问题,国内外常见做法是在满足管道运营期间的风险和总体运营成本已是目前油气安全标准的前提下,基于油气管道工程全生命周期成管道风险评估研究的热点之一。1.2.4回收阶段的风险本LCC(LifeCycleCost)[3],采用风险厌恶型的效用函数[4](RiskaverseUtility),优化防范风险的投资和取油气管道回收将引起环境等方面风险。该阶段得的相应收益,以期净收最大化,最终得到可接受的风险评估主要内容是管道剩余强度分析和剩余寿命风险度。计算,确定其延长使用年限和检修计划。2.2全生命周期风险评估总体框架1.3油气管道工程风险类型通过对油气管道的全生命周期的各阶段风险分风险从损失的角度可分为如下几类:从损失承担析,构建油气管道全生命周期风险评估总体框架,如 者看,分为业主损失、使用者损失、社会损失等;从损图1所示。失发生时间看,可分为施工阶段损失、运营阶段损失等;从损失量测单位看,可分为油气管道拆除将引起环境损失、时间损失等;从损失与风险事态的时效关系看,可分为直接损失和间接损失;从损失的具体形态上看,可分为结构损伤、时间损失、利润损失、运输费用损失、环境损失等。2油气管道工程风险评估主要内容2.1风险评估方法[2]根据风险定义,油气管道工程风险表示为R=f(p,e;q,b)(1)式中:b为目标利益;p为风险事件发生的概率;e为风险事件发生造成的损失;q为目标利益实现的概率;R为风险的数值度量,简称为风险。若考虑某种风险发生时可能产生的损失,且各种图1油气管道全生命周期风险评估总体框架\n损失的发生概率不同,则式(1)为 3油气管道工程风险决策R=ip(hi)p(eij|hi)eij(2)油气管道工程风险管理通常可分为6个过程,即式中:i为风险的数量;j为某种风险可能造成的损失风险管理计划(RiskManagementPlanning)、风险识别种类;eij为第i种风险造成第j种损伤时的损失;p(hi)(RiskIdentification)、风险定性分析(QualitativeRisk为第i种风险出现的概率;p(eij|hi)为第i种风险发生Analysis)、风险定量分析(QuantitativeRiskAnalysis)、时,出现第j种损伤的概率。风险应对计划(RiskResponsePlanning)、风险管理和油气管道工程风险评估过程中,采用表1所示的控制(RiskMonitoringandControl)[5]。[5]。概率进行描述。油气管道工程风险决策可以采用英国国家健康\n第6期刘锴等:油气管道工程全生命周期风险评估及其对策3和安全委员会(TheHealthandsafetyExecutiveofthe决。UnitedKingdom)推荐的ALARP(1)知识库、数据库和知识共享。油气管道工程[6](aslowasreasonablypracticable)风险决策准则或称为风险合理控制准则。全生命周期风险评估涉及到材料、环境、检测、经济等具体的使用方法是通过确定风险不可接受水平和风各个方面分析计算,因此建立面向油气管道工程全生险可接受水平,将整个风险域划分为风险不可接受区命周期相关知识库和数据库是实现全生命周期风险域(RiskUnacceptable)、风险可忽略区域(RiskTolera评估的重要基础。ble)和合理控制区域ALARP.(2)遵循工程效益与安全并重的原则,构建管道落于风险拒绝区域的风险,表明其风险水平高于全生命周期完整性评估理论和方法。可接受水平,不可接受,必须降低;落于可接受水平(3)油气管道的缺陷检测技术。油气管道的全生的,表明其风险水平远低于社会可接受水平,完全可命周期的缺陷评估必须有准确的检测手段作为基础,接受,不需要采用任何措施;而在两者之间的称为合并进行精确的缺陷检测,才能保证缺陷评估的正确理控制区域,表明该风险处于完全可接受和不可接受性。需要发展油气管道的在线检测技术。由于影响区间,属于可容忍的风险,应以合理的成本降低风险。缺陷的因素多并具有不确定性,需要进一步发展缺陷表2是风险矩阵[7]。表2中,F为严重程度。[7]。表2中,F为严重程度。的评价技术,如基于概率的缺陷评价技术、在线检测表2风险矩阵技术等。风险水平 概率水平(4)从微观、细观和宏观上发现多因素组合条件F=可忽略F=较小F=中等F=较大F=灾难性下的管道风险成因机理以及各类风险并发成因机非常不可能可忽略可忽略可接受可接受ALARP不可能可忽略可忽略可接受ALARPALARP偶而可接受可接受ALARPALARP不可接受理,以信息处理智能方法为基础,提出安全预警等级与标准,构建具有感知结构内部性能与外部环境影可能可接受ALARPALARP不可接受不可接受响的油气管道工程全生命周期智能专家风险评估系非常可能ALARPALARP不可接受不可接受不可接受统[8]。[8]。ALARP风险决策准则的操作方法是:首先确定合 5结束语理的衡量风险的指标,然后研究确定其效用函数特 由于油气管道工程现场条件的复杂多变,使得其点,根据其代表值,确定合理的风险水平,同时也就确全生命周期中始终面临着来自技术、自然条件等各方定基本的风险对策,如表3所示。面的风险。表3基本风险对策油气长输管道工程全生命周期风险评估是一项等级风险损失描述复杂的系统工程,当前国内外研究还处于一个起步阶不可接受无论降低风险成本有多大,都应至少把该风险降低到ALARP区间段,但目前国内油气长输管道系统呈大幅度增长的趋ALARP可接受应确定降低风险措施,只要降低风险的成本与所取得的风险效益相比是合理的,就应执行风险降低措施整个油气管道工程建设期间都应对该风险进行管理,但无须立刻采取专门的措施降低风险势,新建和老化的油气长输管道都急需先进的、实用性强的风险评价技术来保障其建设和运行,而国内外对油气长输管道的风险评价技术的研究较晚,迄今还可忽略无须进一步考虑该风险没有开发出较适宜的风险评价技术。满意准则和最优准则中给出的各种决策方法,其因此,将风险评价技术紧密结合国内的实际情最终的决策目标都是一个,对于多个目标的决策问况,率先提出油气管道工程全生命周期风险评价技题,或是认为各个目标互不相关,分别按单目标决策术,从而用于指导油气长输管道的安全管理,确保在问题处理;或是通过价值转换函数转化为单一决策目整个生产期内管道的完整性,将为国内油气长输管道标再进行处理。系统安全保障技术体系的建立提供参考。\n4油气管道工程全生命周期风险评估发展方向参考文献:油气管道工程全生命周期风险评估将功能、安全[1]郑贤斌,陈国明.油气长输管道密闭输送安全保障技术.第十七届全国高校安全工程学术年会(暨首届安全科学性、检测维修、经济性以及可持续发展性等方面结合与技术产学研论坛),镇江,2005.起来,保证管道在最大的经济性的基础上安全运营,(下转第7页)涉及的学科面较广,尚有许多前沿问题需要研究解\n第6期郭峰等:保温材料保温敏感性分析72.5模拟计算分析表4参数敏感性分析结论通过大量的模拟分析,可得到如下结论:参数敏感程度参数敏感程度(1)黑度只与辐射传热有关,且温度越高,辐射传热越大。黑度对保温结构的外表面温度影响很小,可导热系数06003风速00037介质温度059保温层厚度-07582保温层内径00696环境温度-01134忽略不计。表4表明各基本参数对保温表面热流密度大小的(2)分析表明:对流换热系数数值增加到一定数影响程度,其中影响程度大的是导热系数、保温层厚量时,对热流密度及热损、外表面温度的影响趋小。度和介质温度。导热系数越大,热流密度越大,反之在实际工程计算分析中,可取上海夏季风速平均值32m/s计算,风速再大,对热流密度的影响不大。(3)环境温度和保温层外表面温度、热流密度基本越小,两者为正相关。而热流密度与保温层厚度则为负相关,保温厚度越大,热流密度越小,反之亦然。环境温度、保温内径和环境温度对保温的热流密度影响\n呈线性关系。在进行防烫伤设计时,需考虑夏季高温,较小。因此可取最热月平均温度278进行。在考虑全年的4结束语热损分析时,可取全年的平均温度157进行计算。(4)保温层厚度对保温层外表面温度和热损的影响最大。按分析结果可知,对于150工况下的保通过分析,得出了决定保温效果的参数主要是保温层厚度和保温材料的导热系数,环境温度等为次要因素。文中的研究结论对保温设备保温层的设计具温,可选取40~50mm厚的岩棉;在250工况下,可有重要的指导作用。选取60~80mm厚的岩棉;在350工况下,可选取参考文献:80~100mm厚的岩棉。[1]陈晖,许金余.新型保温材料∀TECHNOpor玻璃泡沫颗(5)在核算经济厚度时,如以热损考虑为主,则可粒.新型建筑材料,2007,34(9):53-54.选取上述尺寸的大值,如考虑保温成本,则可取上述[2]高学农,王端阳,黄活阳,等.新型多孔保温材料的制备及尺寸的小值。性能.华南理工大学学报(自然科学版),2007,35(5):113-116.3保温计算的各参数的敏感性分析[3]周孑民,向锡炎,陈晓玲,等.保温材料热物性测试的实验对于保温的设计和测试分析,保温效果与介质温及数值研究.热科学与技术,2007,6(4):368-372.度、保温材料、保温层厚度、环境温度、风速等因素有关。取保温材料性能、环境温度、介质温度、风速等值为基本参数,而保温表面的热流密度是由这些基本参[4]章岩,何廷树,曹万智,等.纤维水镁石在复合节能保温涂料中的应用研究.新型建筑材料,2007,34(8):81-84.[5]陈卫东,张国侠,刘螈春.EPS新型节能墙体外保温材料.数决定的,因此,可以建立如下方程:新型建筑材料,2007,34(6):41-43.Q=f(W,T0,T,,D0,t,!)[6]GB8174∀87设备及管道保温效果的测试与评价.式中:Q为保温外壁热流密度;W为风速;T0为介质温[7]GB50264∀97工业设备及管道绝热工程设计规范.度;T为环境温度;为保温材料的导热系数;D0为保[8]裴鹿成,王仲奇.蒙特卡罗方法及其应用.北京:海洋出版温内径;t为保温层厚度。社,1998.采用蒙特卡罗法抽样计算[8],并进行敏感性分作者简介:郭峰(1983∀),在读硕士,研究方向为特种设备安全\n[8],并进行敏感性分保障技术。析,得到表4所示结果。(上接第3页)[6]SCHOFIELDS.OffshoreQRAandALARPprinciple.ReliabilityEngineeringandSystemSafety,1998,61:31-37.[2]PANDEYMD,NATHWANIJS.Lifequalityindexfortheestimationofsocietalwillingnesstopayforsafety.Structural[7]JAWARD,DMIAJ.LifecyclecostoptmiizationforinfraSafety,2004,26:181-199.structurefacilities.Rutgers.TheStateUniversityofNew[3]成虎.工程项目管理.北京:高等教育出版社,2004.Jersey,2003.[4]胡日东,王志江.基于决策者效用函数上的目标规划模[8]阮欣.油气管道工程风险评估体系及关键问题研究:[学型.中国管理科学,2000,8(11):31-38.位论文].上海:同济大学,2006.[5]CRUZD,PILARM.Integratedmethodologyforprojectrisk作者简介:刘锴(1973∀),高级工程师,主要从事油气管道安全 management.JournalofConstructionEngineering&Management,2002,128(6):473-485.环保管理工作。