输油气站场完整性管理与关键技术应用研究

摘 要

摘 要:输油气场站完整性管理目前仍然处于探索研究阶段,其目的是针对不断变化的场站设备设施及运营中面临的风险因素进行识别和技术评价,制订相应的风险控制对策,不断改善识别到

摘 要:输油气场站完整性管理目前仍然处于探索研究阶段,其目的是针对不断变化的场站设备设施及运营中面临的风险因素进行识别和技术评价,制订相应的风险控制对策,不断改善识别到的不利影响因素,从而将站场运营的风险水平控制在合理的、可接受的范围内。为此,提出了一套系统、综合的油气站场完整性管理技术方法,重点建立了站场完整性管理框架和流程,阐述了场站风险管理技术(RBIRCMSIL)的应用范围,引进并开发了多项场站完整性管理关键技术,包括场站数据库管理技术、后果评估技术、站场内外腐蚀控制技术、站场压缩机故障诊断评估技术、站场管线超声导波检测技术和储气库井的完整性评价方法等,完善了场站完整性管理技术支撑体系,开发了场站风险评估软件(功能分为4个部分:具体设备风险评估、场站数据评估、个体设备风险评估、基本数据分析),并已在陕京天然气管道所属站场全面推广应用。该技术的推广应用,对于站场完整性管理技术的发展,持续改进、减少和预防站场事故发生,经济合理地保证油气设施安全运行具有重要意义。

关键词:输油气  站场  储气库  完整性管理  完整性评估  风险管理  对策  应用

Integrity management of oil&gas transmission stations and the related core technologies

AbstractThe integrity lTIanagement of an oilgas transmission station is still at the stage of exploratory researchwhich aims to identify and evaluate the risk iactors in various equipment and facilities or during the operation processOn this hasiswe can formulate the corresponding risk control strateglesthus to mitigate the risks and keep the risk level under controlIn view of thiswe presented a series of methodologies for the integrity management of an oilgas transmission stationFirstwe established a framework and a flow Processexplaining the application scope of evaluation tools like RBI(risk based inspection)RCM(reliabilitv centered maintenance)and SIL(safety integrity level)Apart from thatwe completed a supporting system for the station¢s integrity management by introducing and developing many other core technologiesincluding station database managementconsequences evaluation, corrosion control inside and outside of the stationthe compressor diagnosis and vibration testinguitrasonic wave guided testing in line plpesthe untegrity eValuation methods of storage wellsand so onMoreoverthe risk evaluation software vcas developed for a specific station with four functions.The above methodologies were successfully applied to stations operated  by the Shaanxi-Beijing Gas Pipeline projectThis study will be of great vaiue in promoting technical progress in the station¢s integritv management,preventing and controlling accidents at stationsand ensuring the safe operation of oil and gas pipelines in an economic and feasible way

Keywordsoil and gas transportationstationgas storage tankintegrity managementintegrity assessmentrisk managementcountermeasureapplication

油气管道运输是我国五大运输产业之一,对我国国民经济起着非常重要的作用,被誉为国民经济的动脉。随着国民经济的发展,国家对油气长输管道的依赖性逐渐提高,而油气管道对经济、环境和社会稳定的敏感度也越来越高,油气管道的安全问题已经是社会公众、政府和企业关注的焦点,政府对油气管道的监管力度也逐渐加大。因此对油气管道的运营者来说,油气管道运行管理的核心是“安全和经济”。

由于当前中国的油气管道多为20世纪70年代所建设,随着运行时间延长,管道事故时有发生,如何解决油气管道运行安全问题是当前解决老旧油气管道设施安全运行的首要问题。对于新建管道,由于输送压力高,事故后果影响严重,如何保证管道在投入运行前期事故多发期的运行安全,同时降低成本也是当前新建管道所面临的主要问题[1-15]

当前世界各国管道公司都采用管道完整性管理的模式,并且主要集中在线路的完整性管理,内检测技术的发展为完整性管理的推进起到决定性作用,但近年来,场站发生的事故逐渐增加,国外大型管道公司逐渐重视场站完整性管理工作,管道研究学会(PRCI)设立了科研项目对场站完整性进行专题研究,取得了许多重要成果。场站完整性管理的推进需要建立场站完整性管理体系,开发场站完整性技术。由于场站设备种类繁多,技术要求复杂,各国在推广应用方面都比较慎重,都在考虑与传统管理的结合,使之适应现场的管理和技术需求[3-4]

管道运营公司开展站场完整性管理,与线路完整性管理的出发点相同,即针对不断变化的场站设备设施风险因素,对站场运营中面临的风险因素不断进行识别和技术评价,制订相应的风险控制对策,不断改善识别到的不利影响因素,从而将站场运营的风险水平控制在合理的、可接受的范围内[16-19]

站场完整性管理的目的还在于建立和提出一套专门适用于管道运营公司需求的技术文件,这些体系文完整性保障技术的廊用,取得了较好的效果,对于保障场站的安全运行意义重大。

1 站场完整性管理体系建设

站场设备设施包括压缩机、泵、加热炉、阀门、工艺管道、储罐和仪表等,场站完整性管理的总体目标就是保证管道系统安全、可靠、受控,避免重大安全、环境责任事故,其方针、目标及原则如下。

11 站场设备完整性管理方针

通过站场设备完整性管理,努力达到设备设施100%完好率,有效识别场站运行风险,采取合理控制措施,提前预控场站风险,控制泄漏产生,使生产经营活动建立在技术先进、经济合理的技术基础上,为管道安全生产运行提供有力的保障。

12 站场完整性管理原则

在设计、建设和运行新管道系统时,廊融入完整性管理的理念和做法。

1)进行场站动态的完整性管理。

2)建立完整性管理机构、管理流程,配备必要的手段。

3)对所有与资产完整性管理相关的信息进行分析整合。

4)不断在场站完整性管理过程中采用各种新技术。

13 站场完整性管理目标

1)建立职责清晰的完整性管理体系,并持续改进。

2)有效识别站场设施中存在的风险,使站场的风险得到有效控制。

3)保证运行设施完好率,力争在线运行设备达到零故障运行。

4)设备备品、备件安全库存制订合理,各类设备备品、备件的储备能够保证设备维修要求。

5)数据实现信息化集中管理,设备数据收集达到各类统计、分析的要求。

6)追求设备全寿命周期费用经济和实现生产综合效率最高。

7)通过科学维护延长设备设施的寿命。

8)防止出现由于操作和管理不当引起的泄漏或断裂。

9)持续提升安全关键性资产的可靠性和可用优率。

14 站场完整性管理流程

站场完整性管理首先要分析站场管理的特点,建立一套场站完整性管理文件,文件覆盖场站的主要设备设施,然后从风险的识别开始,按照设备设施、人员误操作、工艺管线的风险进行识别,再通过场站风险管理的技术方法,如基于风险的检测(RBI)、基于可靠性的维护(RCM)、安全仪表系统分级(SIL)等技术进行风险分级和排序,确定设备设施、管线的维护周期和时间。通过维护周期和时间的确定,进行风险预防和控制,实施场站设备设施的检测、完整性评估,基于此开展场站设施的维护维修,整个过程中,建立场站基础数据库,使数据与管理的各个环节紧密结合。最后,通过效能评价,持续改进站场完整性管理。陕京管线所实施的站场完整性管理流程如图1所示。

 

2 站场风险管理与定量风险评估

21 站场风险管理技术的选择

站场完整性管理是一个持续循环和不断改进的过程。应根据不同的资产类型和状态,采用系统的、基于风险的方法,制订站场完整性管理计划,通过各种风险管理技术的应用,可对站场资产进行风险排序,了解和掌握关键性资产,明确造成风险的原因和薄弱环节,及时制订并采取预防措施减缓风险。推荐采用的方法如下:

应用HAZOP分析对整个站场的因果分析来确定新的或者已有的工程方案、设备操作和功能实现的危险,主要用于新建站场和工艺变更较大的场站;站内管线与所有承压静设备采用基于风险的检验(RBI)技术,建立检验计划,预防风险的发生;储罐主要采用基于风险的检验(AST-RBI)技术,建立储罐检验计划,识别和发现风险;压缩机、泵、电机等转动设备以及静设备维护,采用以可靠性为中心的维护(RAM)技术,建立预防性的主动维护策略,防止风险的发生;保护装置、安全控制系统,采用安全完整性等级评估(SIL)技术,建立测试计划,降低风险发生的程度;定量风险评价(QRA)的方法不是简单地设置防护带,而是采用系统的风险分析来识别危害性站场设施潜在的危害,定量描述事故发生的可能性和后果(如损失、伤亡等),计算总的风险水平,评价风险的可接受性,对站场设施的设计和运行操作进行修改或完善,从而更科学有效地减少重大危害产生的影响。

22 站场定量风险评估及软件技术

以陕京管道榆林压气站为例,说明站场定量风险评估技术的应用。目前榆林压气站是世界最大的压气站,装机总容量达到205 MW,年输气能力达到300×108m3,分为3个区域,分别是陕京一线、二线、三线压缩机区。下面以陕京一线压缩机组区域为例,开展了定量风险评估,开发了风险分析软件,对相关设备设施进行了风险排序,确定了再检验的周期。

221风险评估程序与参数选择

场站定量风险评估程序包括代表性流体的最后相态确定、泄漏孔径的选择、泄漏量的计算、泄放类型的确定、泄放潜在影响区(失效后果计算)、失效概率分析以及风险值计算7个步骤。上述程序中进出榆林压气站的660mm管道输送标准天然气[20],泄漏孔径选择0.25in(1in25.4mm,下同)1in4in和破裂4种情况,泄漏量按照音速和亚音速公式或计算总量得到[21],泄放类型对于小于0.25in孔选择为持续泄放,大于0.25in孔为瞬时泄放[22]

222失效概率计算

根据API 581标准以及榆林站19992012年的失效统计数据[22],考虑管理修正系数,一线榆林压气站内管线和典型没备失效概率确定结果如表1所示。

 

223失效后果计算

分别按设备破坏面积和人员的致死事故面积计算失效后果,由于设备和管线完全破裂的可能性很小,末计算破裂的失效后果,主要设备失效后果影响区域见表2

 

224风险计算

设备或管线的风险值为失效后果和失效概率的乘积(3),设备风险要比管线风险大得多,而其中5套压缩机组不论是失效后果还是失效概率都是最大的,其次是重力分离器和旋风式分离器,以上所得风险数值为相对比较数值,不同站、同站不同区域之间没有可比性。

 

225站场风险评价软件

以榆林压气站为例,开发了站场的风险评估软件,功能分为4部分:具体设备风险评估、站场数据评估、个体设备风险评估以及基本数据分析。软件计算结果页面绿色框表示几乎无风险,可继续使用;浅绿色区域表示低风险,需加强监测,安排中、长期的维护计划;黄色区表示中等风险,采取措施使得向低风险方向变化;橙色区域表示高风险,需尽快安排短期维修计划,避免发展为事故;红色区域表示极高风险,需要立即维修、更换管道或采取补救措施。

3 场站完整性保障关键技术与应用

31 大型压缩机系统的关键部位监测技术与应用

压缩机系统的各个部件和管道大多是通过焊接和螺栓连接。这些连接处,特别是配管及管道附件,存在较高的由振动引起的疲劳失效潜在风险,采取相应的监测技术对压缩机的关键部位进行检测,确保压缩机及其附属没施的完整性。

压缩机组离线振动测试采用研发的IOTECH设备,以及开发的分析软件EZ-Analyst软件,遵循国家标准CBT 6075.6—2002[23],对北京市衙门口加气站4台机组进行了测试,选取了20个点进行振动测试,分析测试信号,测试中发现了16C类和D类风险点,其中C类风险点为振动处在该区域不能长期运行,如有合适的机会需要维修,D类风险点为振动在该区域处足以导致设备损坏,需要立即采取措施。在线振动测试是通过在压缩机组安装固定式振动测量传感器,采集数据不断分析振动疲劳的影响,储气库注气往复压缩机组已安装了北京化工大学博华信智系统进行实时监控,一旦发现异常可提前发现。

32 站场管道超声导波检测技术与应用

超声导波呵在一个测试点对于一个大的长距离的管道内部材料进行l00%的检测。系统可检测直径为248in的管道,常用于下列情形:穿越套管、穿越围墙、直管段的l00%检测、各种支架下的管道检测、架空工程管道、防腐层下腐蚀检测(只需清除很少的绝缘层)、低温管道、球形支架、护坡管线等。根据检测信号,分析出管道的焊缝、法兰、支撑等特征和管道上的各种缺陷,并对缺陷的严重程度做出评估。

陕京管道自2005年引进超声导波技术以来,完成了陕京一线、二线、储气库等28个站场的检测,共检测各种管线(天然气、凝析油、排污)包括站内和长输、集输管线100km,进行数据采集超过5900次,统计发现缺陷超过150处,保证了站场工艺管道的安全。

33 储气库井的完整性评价技术与应用

储气库井采用多层管柱电磁探伤成像测井技术,实施油套管检测,并建立储气库检测和评价标准。多层管柱电磁探伤成像测井技术可同时对2层管柱进行探伤和厚度测量,测定2层管壁的厚度变化值,探明套管横向和纵向的损伤。该仪器外径为42mm(带扶正器为45mm),实现了不压井对油套管的腐蚀情况和伤害的检测。应用该仪器实现了储气库177.8mm73.0mm88.9mm114.3mm油管的检测,其中油管的检测精度可达壁厚变化0.5mm,套管的检测精度可达壁厚变化1mm

中国石油北京天然气管道有限公司大港储气库群(以下简称大港储气库群)采用多层管柱电磁探伤成像测井评估技术对65口生产井进行了检测,发现注采井的生产管柱存在部分渗漏现象,确定了井下油套管的井下技术状况,为制订注采井修井方案提供依据,定量化地开展了注采井安全性评价工作,建立了注采井安全评价的标准。

34 大港储气库群地下管线综合检测技术与应用

341大港储气库群腐蚀风险

大港储气库群处于天津市大港区,土壤地质环境较差,腐蚀高发,目前大港储气库群由6座储气库组成,地面系统纵横交错,地面管道设施建设时间前后跨度已达10a,风险极大,需要对该地区地面设施开展场站完整性管珲。

342场站检测技术应用于内外腐蚀控制

2012年,大港储气库群进行系统的风险识别和检测评估,检测技术使用以色列Isonic2006便携式声定位多功能超声成像检测系统、相控阵检测技术以及英国GUL超声导波检测系统进行检测,对该地区管段进行l00%短程导波检测,对呵疑信号进行导波成像,在重点区域进行超声波C扫描检测,在500多个检测部位发现了大面积的氧浓差腐蚀,均在入地端500mm内发生,并且伴有高温氧化特征的电化学腐蚀发生。

按照GB 502512003输气管道工程规范规定,使用ANSYS软件和DNV-RP-Fl01标准进行缺陷评估,确定了24个不可接受的腐蚀缺陷点,并进行了缺陷补强修复和换管,确定了l74处防腐层破损点,使用了抗高温涂层材料在高温、湿热环境下进行防腐层补伤,在含水、腐蚀环境复杂的部位使用了黏弹体进行防腐层修复。

通过场站完整性管理的防腐有效性专项管理,保障了站场工艺管线的安全,消除了隐患,效果明显。

35 站场完整性管理的数据管理技术与应用

陕京管道建立了由基础数据库、失效数据库、维修数据库、检测数据库等组成的站场完整性管理的数据管理平台,建立场站完整性管理系统,将设备、流程、数据、工作流、监测、检测、维修等全部固化到工作中,实现场站完整性管珲。

通过站场3(平面、三维图、工艺流程图)实现站场的全方位管理,利用三维方式实现设备的动态浏览,全方位系统化地实施设备状态监控,实现检测数据、设备属性与三维模型、工艺流程图的衔接,实现设备图选查询。

4 结论

考虑管道运输行业高风险的特点,特别是随着国内目前高压、大口径管道的投产运行,其数量大幅增加,管网的输送压力也不断增加,国内油气输送企业、城市燃气等企业有必要推进场站完整性管理,通过场站完整性评估技术和管理手段的实施,全面系统地指导油气管道企业资产的运行维护管理,提高企业整体技术与管理水平。但场站完整性管理的推广过程中还更应注意盲动性,与现有体系的结合是关键,其还要重点考虑以下问题:

1)场站完整性管理体系建设要有侧重点。要针对管道企业自身管理体制的需求,同时要结合国情、企业生产运行与设施实际情况,重点考虑不同生产设施风险区域的分布等情况,切忌全面铺开,可以采取总体规划,分步实施的模式,有针对性地开展场站完整性管理,选择合适的风险评估技术,同时考虑人员的素质,加大场站完整性理念的培训。

2)场站完整性管理要考虑和现有实施管理方法的融合,并考虑与HSE体系的融合,目前传统场站管理模式已开展超过40a,有很多方法可以融合借鉴,场站完整性管理并不是“另起炉灶”,而是强化风险的控制和管理,与HSE体系中的管理思想路线是一致的。完整性管理重在资产的本质安全管理,强调技术方法和手段的具体应用;HSE管理强调安全、环境、健康全面可持续发展。场站完整性管理是HSE体系中的重要组成部分,场站完整性管理细化了HSE体系中资产管理的若干要素,使HSE体系更具有操作性。

3)坚持场站完整性管理技术的国际化。要不断学习国际管道管理的先进经验,结合中国的国情,消化吸收国外先进的技术与管理手段,特别是场站风险识别和完整性评价新技术的使用,选择合适的RCMRBISIL等风险评估技术并推广使用,提高对隐性风险的准确判断。

4)始终跟踪场站完整性管理发展的新趋势。未来管理发展必然向四维(4D)管理的方向发展,就是在完整性管理成熟应用的基础上,将思想、组织、管理者、技术和方法固化在一个系统平台上,将IT(3S)技术与管道完整性管理、设备管理、安全管理、生产管理、应急管理、技术管理、培训管理、质量管理等有序集成,形成多个系统共享一个数据仓库,并将完整性评价和决策支持作为智能化管理的手段。

5)管道完整性管理与物联网技术结合,必将逐步向智能化、科学化的决策方向迈进,模块化、专业化建设将是完整性管理的技术发展方向。利用物联网技术充分发挥完整性管理平台的应急抢险、应急决策等功能,完成与各主要信息系统之间的数据集成,将是面临的技术挑战。

 

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本文作者:董绍华  韩忠晨  费凡  曹兴  安宇

作者单位:中国石油北京天然气管道有限公司