鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及應(yīng)用研究

摘 要

摘要：隨著我國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)投入逐步加大，如何有效防止地下儲(chǔ)氣庫(kù)事故發(fā)生，在增強(qiáng)其運(yùn)行安全性的同時(shí)合理利用資源，以獲取最大經(jīng)濟(jì)效益，已成為儲(chǔ)氣庫(kù)管理者重點(diǎn)關(guān)注的問題。為
摘要：隨著我國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建設(shè)投入逐步加大，如何有效防止地下儲(chǔ)氣庫(kù)事故發(fā)生，在增強(qiáng)其運(yùn)行安全性的同時(shí)合理利用資源，以獲取最大經(jīng)濟(jì)效益，已成為儲(chǔ)氣庫(kù)管理者重點(diǎn)關(guān)注的問題。為此，以鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)作為研究對(duì)象，將其劃分為地下儲(chǔ)氣設(shè)施、地面站場(chǎng)設(shè)施和地面集輸管線3個(gè)評(píng)價(jià)單元，采用系統(tǒng)分析和事故分析的綜合分析方法，將該類儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)因素歸類為腐蝕、沖蝕、水合物生成、設(shè)備失效、操作相關(guān)、機(jī)械損傷、地質(zhì)構(gòu)造因素以及自然力8類共性風(fēng)險(xiǎn)，包括14大類和45小類風(fēng)險(xiǎn)因素；研究建立了鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，包括基于故障樹技術(shù)的地下儲(chǔ)氣設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法、地面站場(chǎng)設(shè)施的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和地面集輸管線的肯特管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分法；并將建立的鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法應(yīng)用于某鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)安全管理提供了依據(jù)，同時(shí)可為枯竭油氣藏型和含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)的安全管理提供參考。
關(guān)鍵詞：鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)；事故；風(fēng)險(xiǎn)因素；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；安全管理
    目前我國(guó)地下儲(chǔ)氣庫(kù)主要以枯竭油氣藏型和鹽穴型為主，已建成喇嘛甸儲(chǔ)氣庫(kù)和陜京輸氣管道配套工程的大張坨和板876等儲(chǔ)氣庫(kù)；建設(shè)中的西氣東輸一線配套工程金壇儲(chǔ)氣庫(kù)，已有5個(gè)老腔進(jìn)入注采運(yùn)行階段，規(guī)劃將達(dá)到62個(gè)單腔的規(guī)模。西氣東輸二線配套工程河南平頂山、湖北云應(yīng)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)和南昌麻丘含水層儲(chǔ)氣庫(kù)、長(zhǎng)慶油田鄂爾多斯盆地儲(chǔ)氣庫(kù)、相國(guó)寺地下儲(chǔ)氣庫(kù)等項(xiàng)目已納人規(guī)劃建設(shè)。
    由于地下儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)可能受腐蝕、設(shè)備失效、沖蝕、水合物生成、機(jī)械損傷、自然災(zāi)害、誤操作、鹽巖蠕變等危害因素的不良影響，造成儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性和安全可靠性降低，甚至引發(fā)災(zāi)難性的事故，如氣體泄漏、溶腔失穩(wěn)和庫(kù)區(qū)地表沉陷等，這些已被國(guó)外地下儲(chǔ)氣庫(kù)事故所證明[1]。因此，地下儲(chǔ)氣庫(kù)的安全問題不容忽視。
    如何采取有效措施，降低各種危害因素對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)安全的影響，避免地下儲(chǔ)氣庫(kù)事故發(fā)生，有效地對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，做到事前預(yù)控，是儲(chǔ)氣庫(kù)管理者面臨的重要問題。為此，本文以鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)作為研究對(duì)象，系統(tǒng)識(shí)別了鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)因素并予以歸類，建立了鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，同時(shí)將建立的鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法應(yīng)用于某鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)安全管理提供了依據(jù)，同時(shí)可為枯竭油氣藏型和含水層型儲(chǔ)氣庫(kù)的安全管理提供參考。
1 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/span>
    鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)包括地下儲(chǔ)氣設(shè)施、地面站場(chǎng)設(shè)施和地面集輸管線3個(gè)子系統(tǒng)。①地下儲(chǔ)氣設(shè)施是由地下溶腔、注采管柱、井口設(shè)施3部分組成并可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存天然氣的地下封閉系統(tǒng)；②地面站場(chǎng)設(shè)施系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)天然氣的處理、增壓和計(jì)量功能，包括天然氣處理系統(tǒng)、壓縮機(jī)組和工藝管道3部分；③地面集輸管線系統(tǒng)是井場(chǎng)與站場(chǎng)之間傳輸天然氣的通道。因此將鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)劃分為3個(gè)子系統(tǒng)和7個(gè)子單元，并將3個(gè)子系統(tǒng)作為待風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元(圖1)。

2 風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別
2.1 風(fēng)險(xiǎn)分析
   鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)是通過井筒將氣體注入鹽丘或鹽層上的廢棄鹽穴或淋漓建造的鹽穴內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存，并可采出來(lái)滿足市場(chǎng)需求。儲(chǔ)氣庫(kù)應(yīng)具備兩種能力：①儲(chǔ)存天然氣并阻止天然氣釋放到周圍環(huán)境中；②以有效速率為用戶提供儲(chǔ)存天然氣。一旦喪失這兩種或其中一種能力，即定義為失效，失效模式包括泄漏和傳輸能力下降兩種[1]。特別強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于地下儲(chǔ)氣設(shè)施應(yīng)考慮兩種失效模式，而對(duì)于地面站場(chǎng)設(shè)施和地面集輸管線則只關(guān)注泄漏模式。
   1) 地下儲(chǔ)氣設(shè)施一旦發(fā)生泄漏，可能會(huì)將氣體釋放到大氣或者地層(圖2)，甚至引發(fā)大火或爆炸事故，威脅人員生命安全和財(cái)產(chǎn)安全，將帶來(lái)人員安全風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。而注采能力下降則主要是影響儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰作用和運(yùn)行效率，可能造成額外的維修費(fèi)用，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
 

   2) 地面站場(chǎng)設(shè)施和地面集輸管線如果發(fā)生泄漏，天然氣將直接擴(kuò)散到大氣，可能引發(fā)大火甚至爆炸，同樣將帶來(lái)人員安全風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
2.2 事故原因統(tǒng)計(jì)分析
    1960—2005年期間，美國(guó)關(guān)于鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)地下儲(chǔ)氣設(shè)施在運(yùn)行階段的失效事故共報(bào)道18起，其中導(dǎo)致人員傷亡或疏散的事故9起，共造成8人死亡，48人受傷，疏散人員達(dá)6110人次。截至2009年，歐洲報(bào)道了3起鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)失效事故。加拿大在1997年發(fā)生2起因鹽穴失穩(wěn)而引起的套管失效事故，2001年發(fā)生1起鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)井口泄漏事故。失效原因按統(tǒng)計(jì)頻次從高到低排序?yàn)椋禾坠苁?、水泥固井質(zhì)量差、封隔器失效、鹽巖蠕變、運(yùn)行導(dǎo)致臨近鹽穴連通、鹽層頂鹽巖溶解、頂板坍塌、井口連接管線彎頭失效、法蘭失效、管路失效、過量充填和原因不確定[1]。
    鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)地面站場(chǎng)設(shè)施和地面集輸管線的事故未見相關(guān)報(bào)道，可將同類設(shè)施(如壓縮機(jī)、換熱器、空冷器、儲(chǔ)罐、分離器和長(zhǎng)輸管道)事故原因作為參考。導(dǎo)致站場(chǎng)同類設(shè)備發(fā)生事故的原因很多：包括各設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝導(dǎo)致的缺陷，腐蝕和沖蝕導(dǎo)致的減薄和開裂，以及由于人員的誤操作、疲勞、凝管堵塞和自然災(zāi)害等導(dǎo)致的失效。
    對(duì)于地面集輸管線，參考我國(guó)城市燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)事故(2003—2008年)的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：第三方破壞、腐蝕和誤操作是國(guó)內(nèi)管道失效事故的主要原因，其中第三方破壞占的比例最大，其次是腐蝕，誤操作和設(shè)備因素也占有很大的比例。
2.3 風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別與歸類
    通過對(duì)地下溶腔、注采管柱、注采井口、天然氣處理系統(tǒng)、壓縮機(jī)組、工藝管路和地面集輸管線7個(gè)子單元的工作過程系統(tǒng)分析，并結(jié)合事故原因統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果和借鑒管道風(fēng)險(xiǎn)因素歸類方法，確定了鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)，包括腐蝕、設(shè)備失效、沖蝕、水合物生成、地質(zhì)構(gòu)造、操作相關(guān)、機(jī)械損傷以及自然力8類共性風(fēng)險(xiǎn)，可細(xì)分為14大類和45小類風(fēng)險(xiǎn)因素(表1)。

3 鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法
    鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)地下儲(chǔ)氣設(shè)施、地面站場(chǎng)設(shè)施和地面集輸管線3個(gè)評(píng)價(jià)單元具有不同的功能特點(diǎn)，因此必須建立各自適用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。每類風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的基本內(nèi)容均包括失效概率分析、失效后果分析和風(fēng)險(xiǎn)分析3部分。
3.1 基于故障樹的地下儲(chǔ)氣設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法
3.1.1失效概率計(jì)算
    由于地下儲(chǔ)氣設(shè)施比油氣管道復(fù)雜，引發(fā)失效的事件也相對(duì)較多，因此適于采用故障樹方法來(lái)確定地下儲(chǔ)氣設(shè)施失效概率[2]，并可進(jìn)一步明確泄漏的途徑和引起注采能力下降的原因。具體步驟如下：
    1) 建立故障樹，以地下儲(chǔ)氣設(shè)施失效作為頂事件，而泄漏和注采能力下降作為次級(jí)事件(如圖3所示)，圖3中的A、B、C、D則分別表示泄漏到大氣、通過地層泄漏、運(yùn)行中斷和運(yùn)行減緩中間事件，并可進(jìn)一步建立子故障樹，圖4為運(yùn)行減緩中間事件的子故障樹。
 

    2) 確定基本事件的發(fā)生概率是地下儲(chǔ)氣設(shè)施失效概率計(jì)算的關(guān)鍵。根據(jù)建立的故障樹，對(duì)于鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)共識(shí)別出18個(gè)基本事件?；臼录l(fā)生概率計(jì)算方法采用統(tǒng)計(jì)法或建立工程評(píng)價(jià)模型計(jì)算獲得。統(tǒng)計(jì)法是通過收集相應(yīng)的鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)或同類設(shè)施的歷史失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出該失效事件過去的發(fā)生頻率，并以此預(yù)測(cè)現(xiàn)在或?qū)?lái)的發(fā)生頻率。對(duì)于設(shè)備失效、頂板坍塌、上覆層不穩(wěn)定、通過固井水泥泄漏等基本事件的發(fā)生概率可采用統(tǒng)計(jì)法。當(dāng)歷史數(shù)據(jù)不能或獲取不充分時(shí)，則可采用建立的工程評(píng)價(jià)模型來(lái)計(jì)算基本事件的發(fā)生概率計(jì)算模型，例如井口微粒沖蝕模型、水合物堵管概率計(jì)算模型、地震概率危害分析模型、套管泄漏模型、溶腔收縮體積計(jì)算模型等。

    3) 基本事件發(fā)生概率確定之后，即可根據(jù)故障樹邏輯計(jì)算中間事件和頂事件發(fā)生概率。
3.1.2失效后果計(jì)算
    地下儲(chǔ)氣設(shè)施失效后果計(jì)算模型專門用來(lái)量化其發(fā)生泄漏或注采能力下降對(duì)人員生命安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境方面造成的后果。地下儲(chǔ)氣設(shè)施失效后果是與失效事件類型和失效嚴(yán)重度級(jí)別密切相關(guān)的。
3.1.2.1 泄漏后果計(jì)算
對(duì)于泄漏模式，后果模型則需考慮氣體泄漏對(duì)人員生命安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等方面的綜合影響，其中人員生命安全后果考慮災(zāi)害發(fā)生后人員死亡人數(shù)和受傷情況，災(zāi)害模型采用噴射火模型；經(jīng)濟(jì)后果考慮產(chǎn)品損失費(fèi)用、設(shè)施維修費(fèi)用、災(zāi)害發(fā)生后造成的財(cái)產(chǎn)損失以及服務(wù)中斷費(fèi)用；而環(huán)境后果則考慮氣體泄漏到含水層或空氣中對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)于儲(chǔ)存介質(zhì)不含有毒或強(qiáng)酸性物質(zhì)的儲(chǔ)氣庫(kù)而言，環(huán)境后果可不予以重點(diǎn)考慮。
泄漏事件的嚴(yán)重度級(jí)別考慮小泄漏、大泄漏和破裂3類，不同級(jí)別的失效后果差別很大。泄漏失效后果計(jì)算關(guān)鍵在于不同泄漏級(jí)別的泄漏率計(jì)算。對(duì)于通過地層泄漏和大氣泄漏的情況，小泄漏和大泄漏采用Beggs建立的阻流模型[3]：
 
式中qsc為氣體流動(dòng)率，m3/d；p1為泄漏點(diǎn)處壓力，kPa；K為天然氣的比熱容比；y為壓力比率，p2/p1；p2為泄漏點(diǎn)處外部壓力，kPa；dch為孔尺寸，mm；Cn為常數(shù)，3.791 5；T1為井內(nèi)溫度，K；Z1為在溫度T1壓力p1下的氣體壓縮因子，無(wú)量綱；γg為天然氣相對(duì)密度，無(wú)量綱。
而破裂并不考慮鹽穴壓力變化的情況則按式(2)計(jì)算：
 
式中q(t)為泄漏率，m3/d；d為水平方向的滲透率，mD；h為滲透厚度，m；pw為井內(nèi)壓力，kPa；pe為氣液界面壓力，kPa；μ為氣體黏度，Pa·s；r(t)為氣體前緣位置，m；rw為井內(nèi)半徑，m。
   對(duì)于破裂泄漏情況，如考慮壓力變化對(duì)泄漏率的影響，可采用準(zhǔn)瞬態(tài)計(jì)算模型[4]。
3.1.2.2 注采能力下降
   對(duì)于注采能力下降模式，嚴(yán)重度級(jí)別考慮輕微減緩、嚴(yán)重減緩、臨時(shí)中斷和長(zhǎng)期中斷4類。后果計(jì)算則僅考慮經(jīng)濟(jì)因素，主要包括運(yùn)行中斷或運(yùn)行減緩而造成的儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行收入損失和設(shè)施維修費(fèi)用。
3.1.3風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算
   地下儲(chǔ)氣設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目的在于綜合失效概率分析和后果分析的結(jié)果，從而度量所評(píng)價(jià)地下儲(chǔ)氣設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)水平，主要考慮個(gè)人安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)方面。
    1) 個(gè)人安全風(fēng)險(xiǎn)是針對(duì)泄漏而言的，是指生活或工作在地下儲(chǔ)氣設(shè)施附近的任何個(gè)人由于儲(chǔ)氣設(shè)施泄漏造成的年死亡概率，是與泄漏發(fā)生的概率、危害類型、災(zāi)害區(qū)域內(nèi)的人員分布情況相關(guān)的，計(jì)算公式如下式：
    IRijkl=θilPilPleak,jPjkPfat,iykl    (3)
式中IRijkl為在位置i、泄漏嚴(yán)重度級(jí)別j時(shí)災(zāi)害事件k對(duì)人員l造成的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)；θil為人員l在位置i所占的時(shí)間比；Pil為人員l在位置i的概率；Pleak,j為嚴(yán)重度級(jí)別為j時(shí)泄漏事件發(fā)生概率；Pjk為泄漏嚴(yán)重度級(jí)別為j，災(zāi)害事件為是的發(fā)生概率；Pfat,ijkl為泄漏嚴(yán)重度級(jí)別j時(shí)災(zāi)害事件k造成人員l在位置i的死亡概率。
    2) 經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)是失效事件發(fā)生概率與失效后果(經(jīng)濟(jì)費(fèi)用)相乘得到的。經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)主要考慮大氣泄漏、地層泄漏、運(yùn)行減緩、運(yùn)行中斷4類失效事件，并對(duì)泄漏經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)分別考慮小泄漏、大泄漏和破裂3種嚴(yán)重度級(jí)別來(lái)計(jì)算，注采能力下降經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)同樣如此，考慮輕微減緩、嚴(yán)重減緩、臨時(shí)中斷和長(zhǎng)期中斷4種嚴(yán)重度級(jí)別來(lái)確定。
    地下儲(chǔ)氣設(shè)施個(gè)人安全風(fēng)險(xiǎn)是否可接受可根據(jù)ALARA原則，推薦不可接受線為l0-4次/a和廣泛接受線為10-6次/a。對(duì)于經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)可根據(jù)成本效益分析法來(lái)確定其是否可接受，即分析對(duì)比控制風(fēng)險(xiǎn)所需成本與所取得效益的大小，如成本高于效益則視風(fēng)險(xiǎn)不可接受。
3.2 地面站場(chǎng)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法
    目前專門針對(duì)站場(chǎng)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法還不多，現(xiàn)有的手段只是根據(jù)國(guó)家法律法規(guī)得出定性的評(píng)價(jià)結(jié)果，然后按照評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)照得出整改方案。筆者通過結(jié)合儲(chǔ)氣庫(kù)地面站場(chǎng)設(shè)施的工藝特點(diǎn)，建立了一套地面站場(chǎng)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。該方法首先運(yùn)用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法對(duì)站場(chǎng)工藝單元或設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序，查找主要風(fēng)險(xiǎn)單元，或風(fēng)險(xiǎn)單元的主要風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備或管路，并以此作為主要分析對(duì)象，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)HAZOP分析，詳細(xì)分析設(shè)備工藝過程危害，查找風(fēng)險(xiǎn)原因，并提出切實(shí)有效的控制措施[5]，具體評(píng)估過程如下：
3.2.1失效概率計(jì)算
    地面站場(chǎng)設(shè)施失效概率的計(jì)算是通過采用同類失效概率數(shù)據(jù)，以及設(shè)備修正系數(shù)(FE)和管理系統(tǒng)修正系數(shù)(FM)來(lái)修改同類失效概率，計(jì)算出一個(gè)經(jīng)過調(diào)整的失效概率[6]，即：
    概率調(diào)整=概率通用FEFM    (4)
其中，通用失效概率來(lái)自于多種工業(yè)部門的設(shè)備失效歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。FE通過辨別對(duì)設(shè)備失效概率有重要影響的特定條件而得出。這些條件通過劃分可以歸結(jié)為技術(shù)模量子因子、通用子因子、機(jī)械子因子和工藝子因子4個(gè)子因子。而FM是根據(jù)具體的安全管理體系來(lái)判斷其對(duì)通用失效頻率或概率的影響，該系數(shù)區(qū)分了不同管理體系對(duì)設(shè)備安全狀況的影響。
3.2.2失效后果計(jì)算
    地面站場(chǎng)設(shè)施失效后果計(jì)算包括8個(gè)步驟[5]：①確定有代表性的流體及其性質(zhì)；②選擇一組孔尺寸以得到在風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算中結(jié)果的可能范圍；③估計(jì)流體可能泄漏的總量；④估計(jì)潛在的泄漏速率；⑤確定泄漏類型，以確定模擬擴(kuò)散和后果的方法；⑥確認(rèn)流體的最終相態(tài)，是液態(tài)還是氣態(tài)；⑦評(píng)估泄漏后果的響應(yīng)和減緩系統(tǒng)；⑧確定潛在的受流體泄漏影響的區(qū)域面積或費(fèi)用，即燃燒或爆炸、毒害、環(huán)境污染以及生產(chǎn)中斷的后果等。
3.2.3風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算
地面站場(chǎng)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)主要考慮設(shè)備破壞和人員傷亡兩類風(fēng)險(xiǎn)，基本公式采用式(5)，其中孔尺寸代表泄漏的嚴(yán)重級(jí)別。設(shè)備破壞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算時(shí)失效后果取設(shè)備破壞面積，人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)則取人員傷亡面積。
設(shè)備或管線風(fēng)險(xiǎn)=∑孔尺寸(失效后果×失效概率) (5)
    對(duì)于設(shè)備破壞和人員傷亡兩類風(fēng)險(xiǎn)是否可接受，則采用建立的風(fēng)險(xiǎn)矩陣來(lái)判斷。對(duì)于失效后果和失效概率均分為5級(jí)，其中失效后果等級(jí)見表2。
 

3.3 地面集輸管線的肯特風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分法
管道肯特風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分法已在世界各國(guó)埋地管道廣泛應(yīng)用，該方法也適用于地面集輸管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[6]。然而，原評(píng)分體系的部分指標(biāo)與地面集輸管線的具體情況不相匹配，需要調(diào)整。筆者根據(jù)地面集輸管線的特點(diǎn)，對(duì)第三方破壞因素的報(bào)警系統(tǒng)和公眾教育評(píng)分指標(biāo)的12項(xiàng)評(píng)分指標(biāo)進(jìn)行了修正，刪減了腐蝕因素中內(nèi)檢測(cè)器指標(biāo)和誤操作因素中的中毒品檢查指標(biāo)。管道肯特風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分法假設(shè)第三方破壞、腐蝕、誤操作和設(shè)計(jì)因素的發(fā)生概率相同，而實(shí)際不盡相同，因此在計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)時(shí)引入了權(quán)重系數(shù)，計(jì)算公式如下式：
 
式中V為相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值；wi為相對(duì)權(quán)重；xi為一級(jí)指數(shù)因素分值；l為泄漏影響系數(shù)。
    權(quán)重系數(shù)可參考?xì)v史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)法確定。
4 方法應(yīng)用
4.1 應(yīng)用對(duì)象基本概況
    某鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)鹽穴容積為105000m3，儲(chǔ)存介質(zhì)為天然氣，天然氣相對(duì)密度為0.575，氣庫(kù)運(yùn)行壓力為7～14MPa，鹽穴中層溫度為326.15K，注采管外徑為177.8mm，井口平均溫度為298.15K，大氣壓力為101325Pa。該鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣站于2007年1月投產(chǎn)，全站采用SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，主要完成站內(nèi)工藝數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制和流量計(jì)算等功能，目前轄管5口在役鹽穴井。
    該鹽穴井場(chǎng)到注采氣站進(jìn)站閥組的單井管道為Φ273mm×20mm規(guī)格的16Mn無(wú)縫鋼管，總長(zhǎng)2.7km，設(shè)計(jì)壓力17.5MPa，屈服強(qiáng)度245MPa。整個(gè)管道有一池塘穿越，途經(jīng)村莊，沿線環(huán)境較單一，雜散電流影響較小。
4.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果分析
    根據(jù)建立的鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法分別對(duì)上述鹽穴井、注采氣站和單井管道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用。
    1) 對(duì)于鹽穴井，在井口破裂最嚴(yán)重的情況下，距離井口50m處居民和在井場(chǎng)的工作人員(維修工人或巡檢人員)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果分別為2.472×10-5和2.06×10-6次/a。根據(jù)建立的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則(不可接受線10-4次/a和可接受線10-6次/a)可知，維修工人和周邊居民在距離鹽穴50m處的個(gè)人安全風(fēng)險(xiǎn)可接受，處在風(fēng)險(xiǎn)可容忍區(qū)，但仍應(yīng)該根據(jù)ALARA原則采取措施，在合理可行的范圍內(nèi)將風(fēng)險(xiǎn)盡可能地降低到最低水平。而泄漏和注采能力下降兩類失效事件產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果(表3)顯示：大氣泄漏比地下泄漏的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)要大，主要是因?yàn)槠涫录蔬h(yuǎn)大于地下泄漏，同時(shí)運(yùn)行減緩的發(fā)生概率也具有高的發(fā)生概率，因此，應(yīng)根據(jù)故障樹重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)引發(fā)大氣泄漏和運(yùn)行減緩的事件控制。例如，運(yùn)行減緩則要防止水合物堵管、設(shè)備故障、頂板坍塌、上覆層運(yùn)動(dòng)和鹽穴坍塌等事件的發(fā)生(圖4)。較大中斷的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)最大，主要是由于鹽穴廢棄帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失較大。

   2) 注采氣站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明：壓縮機(jī)系統(tǒng)和處理系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管路系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，其中壓縮機(jī)組最大；處理系統(tǒng)設(shè)備中空冷器風(fēng)險(xiǎn)最大，其次是緩沖罐(壓縮機(jī)出口)、過濾分離器和旋流分離器(圖5)；而管路系統(tǒng)中對(duì)帶壓的34條管線中，從壓縮機(jī)出口到緩沖罐出口的管線P2112～P2118風(fēng)險(xiǎn)最大，其中P2113最大，管路系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)值大主要是由于壓力和溫度相對(duì)較高引起的。采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)各類設(shè)備或管路風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)可知：壓縮機(jī)風(fēng)險(xiǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)，而管路系統(tǒng)均為中低風(fēng)險(xiǎn)(圖6)。通過風(fēng)險(xiǎn)排序，明確了高風(fēng)險(xiǎn)單元，即可采用HAZOP法進(jìn)行詳細(xì)風(fēng)險(xiǎn)分析。
   3) 對(duì)于單井管道根據(jù)具體情況將管段分為7段，經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分后，各管段風(fēng)險(xiǎn)均處于中低風(fēng)險(xiǎn)。

   通過對(duì)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可使儲(chǔ)氣庫(kù)管理者明確各類設(shè)施或設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)高低，從而采取有效措施控制風(fēng)險(xiǎn)，以避免災(zāi)害事故發(fā)生。
5 結(jié)束語(yǔ)
   鹽穴型地下儲(chǔ)氣庫(kù)系統(tǒng)復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，其安全問題不容忽視。如何全面提高鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)安全級(jí)別、確保安全平穩(wěn)供氣，已成為儲(chǔ)氣庫(kù)管理者重點(diǎn)關(guān)注的問題。對(duì)鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作有助于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣庫(kù)的科學(xué)化管理，保障人民生命、財(cái)產(chǎn)的安全
和社會(huì)穩(wěn)定，減少災(zāi)難性事故的發(fā)生，從而達(dá)到為用戶安全平穩(wěn)供氣的要求和使鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
[1] 李麗鋒，趙新偉，羅金恒，等.鹽穴地下儲(chǔ)氣庫(kù)失效分析與預(yù)防措施[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29(6)：407-410.
[2] PATRICK，WICKENHAUSER，BRAIN T，et al.Quantitative risk assessment-natural gas storage facilities[C]∥paper IPC2006-10411 presented the 8th International Pipeline Conference，2006，Presented at Calgary，Alberta，Canada：IPC，2006.
[3] BEGGS H D.Gas Production Operations[M].Tulsa，USA：0GCI Publications，1984：49-53.
[4] LI Liifeng，LUO Jinheng，ZHAO Xinwei，et al.The research on calculation method of the leakage rate of wellhead ruptures for underground salt cavern gas storage[C]∥烏魯木齊：第三屆非API油井管工程技術(shù)國(guó)際研討會(huì)，2010：165-169.
[5] WANG Ke，LUO Jinhen9，ZHAO Xinwei，et al.Risk assessment of underground natural gas storage station[C]∥paper IPC2010_31554 presented at the 8th International Pipeline Conference，2010，Calgary，Alberta，Canada.
[6] MUHLBAUER W K.Pipeline risk management manual(Z)[M].Houston，USA：Gulf Publishing Company，2001：
 
(本文作者：羅金恒1 李麗鋒1 趙新偉1 王珂1 蔡克1 李祥2 楊海軍2 1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院；2.中國(guó)石油西氣東輸管道公司金壇儲(chǔ)氣庫(kù)項(xiàng)目部)