地下储气库地面设施风险评估及注采井安全性评价

　　引言

　　地下储气库天然气注采系统地面装置属于高压处理装置（夏季注气期系统承压高达25MPa以上，冬季采气期采气系统承压6～10MPa），目前长期运行时系统的安全性保障只能通过执行程序文件来完成，但整个处理装置系统的安全性评价尚没有进行、风险预测尚不能实现。

　　地下储气库的注采井有着与常规天然气开发生产井显著不同的特点，储气库地层压力按年度呈周期性地变化，每年均可以恢复甚至超过原始地层压力，因此库区任何一口井在特定条件下都有可能成为高压气井。在反复的注采气过程中，地下储气井的套管、水泥环、井壁岩石和储气地层都受到高压注气、循环载荷、地应力不均匀及腐蚀环境等多种因素作用，井筒的承载能力和安全使用寿命周期还是很难把握，直接影响井筒的安全可靠性及储气层的吞吐能力，需要进行专门研究，以防患于未然。

　　风险评估RBI技术是近三十年来国际上新兴的一门工程风险学学科，其基本思路是采用系统论的原理和方法，对系统中固有的或潜在的危险及其程度进行定量性分析和评估，找出薄弱环节，优化检验的效率和频率，降低日常检验及维修的费用，维持原有的安全裕度，提出安全技术建议及对策。

　　为保障地下储气库地面设备系统和库区注采井的安全生产，有必要采用风险评估RBI技术实现对储气库地面采气系统进行RBI风险评估，和注采井井筒安全可靠性的评估。通过提高评价，可提供优化的检验策略，通过识别可能的潜在高风险概率的设备，采用针对性的检验技术来进行检测，编制与风险相适应的检验规程，达到系统风险降低和设备“延寿”的目的。

　　一、开展储气库风险评估的必要性

　　我公司自1999年建设我国第一座商业用大中型储气库（大张坨储气库）以来，已相继建设并投用了四座储气库，第五、第六座储气库已通过了设计审查，正在准备建设过程中。地下储气库群是陕京管线输储配气系统的重要组成部分，肩负着京津地区千百万市民安全过冬的光荣使命和特殊情况下的应急供气重任，是首都人民的“生命线”。目前陕京输气管线虽不再是“单气源、单管线”输气，但保证北京及天津等重要地区安全用气的风险依然巨大，经不得任何闪失。随着京津地区天然气用量的发展以及陕京二线工程的投用，储气库在季节调峰和应急供气以及战略储备方面也将起到越来越重要的作用，储气库的这些重要性决定了开展其风险评估的必要性。

　　全世界石油化工装置的事故会越来越严重的经济和社会影响，天然气处理厂和储气库系统的情况也一样。采用现有传统的定期对装置中设备进行检验的方法并不能有效地降低设备事故的发生频率和由此带来的经济损失和社会影响。有文献统计，1962～1991年期间全球石化行业重大事故的发生次数与造成的经济损失呈大幅度上升的趋势，其中170次重大事故中，有近一半的事故是由于机械失效引起的，有超过20％的事故是由于错误操作造成的。另一方面，随着市场经济的驱动，降低生产成本、提高经济效益需要合理的检验计划和检验规程，避免不必要的例行检验，同时要判断装置对你安全水平，定义其风险大小、性质及实施消除风险的手段和验收准则。

　　基于以上安全和经济方面的要求，储气库地面和井下系统需要寻求和开发更安全、更能降低成本并预控消除风险的新方法意义重大。

　　二、国内外的现状及发展趋势

　　世界上储气库建设已有近百年的历史，储气库安全运行管理等已有丰富的经验，其储气体类型齐全，完钻井数量众多，在储气库井的井喷及井喷着火预防与应急处理、以及气藏管理等方面均积累了丰富的经验，已形成了规范的管理体系，其中以欧美等国家的储气库运行、管理水平最为突出。

　　风险评估RBI技术是近三十年来国际上新兴的一门工程风险学学科，其基本思路是：采用系统论的原理和方法，对设备系统中固有的或潜在的危险及其程度进行定性分析和评估，找出薄弱环节，优化检验的效率和频率，降低日常检验及维修的费用，维持原有的安全裕度，提出安全技术建议及对策。

　　传统的检验维修规程是基于保守的安全考虑，未将经济性和安全性以及可能存在的失效风险有机地结合起来，检验的频率、程度和受检设备的风险级别极不相称，常规检验不是系统化的针对高风险设备。随着诊断技术的发展和设备多年的运行经验，新型的风险检验理念被引进国际上大中型石化能源工业，用于提高设备运行的可靠性并降低检验成本，已经过实践检验被证明为是一种高效的风险分析工具。

　　风险评估RBI技术在全球石油石化行业已有广泛的应用，已有大量的定性、定量RBI案例。国内重要设施在建设前均要进行定性的安全评价和环境评价，其中中石化茂名炼油化工股份有限公司、中石化天津石油化工公司以及中海油海洋钻采平台装置等已进行过定量的风险评估RBI技术的应用。

　　据调研，风险评估RBI技术在储气库系统中的应用案例尚比较少（其中，挪威船级社（DNV）—国际知名的RBI资质公司，曾进行过储气库的风险评估RBI案例），但在天然气处理厂的应用案例比较多。天然气处理厂的地面工艺与储气库系统地面工艺尽管各有特点，但也有较大的相似性，这对风险评估RBI技术在储气库系统中的应用很有借鉴作用。储气库注采井的安全性评价尚未见案例的文献报道。

　　在西方国家，风险评估RBI技术的应用已取得了显著的效益和安全预控效果，我国部分行业正在引进、试行和掌握这一新技术。储气库作为我国的一个“新生事物”，但其作用不可替代、意义重大且深远。开展风险评估RBI技术在储气库系统的应用将和石化行业一样，是一必然的发展趋势。

　　三、储气库风险评估的主要内容及关键技术

　　（一）目标

　　开展风险评估的目标是将储气库设备的风险降低到可接受的程度。

　　储气库系统装置中，每个设备（单元）在整个设备中所占是风险比例是不同的，正常情况下，高风险设备的比例是很底的，一般10～15％的设备就会占有90％以上整个装置的风险。由于高风险的设备仅占整个装置设备的一小部分，因此通过风险评估RBI技术分析，按照各设备（单元）损伤机理进行有效性检验，可将其风险降低到人们可接受的程度。

　　设备的风险随着使用时间延长是会增加的，现行的检验方法是定期对所用设备的普遍检验，它并不能有效降低高风险设备的风险，在下一个运行周期内的风险会进一步增加。如果按照RBI方法进行检验，有针对性地降低高风险设备的风险，达到在下一个使用周期内高风险设备的风险被控制在人们可接受的水平。

　　（二）风险评估的主要内容

　　1． 地面采气系统风险评估

　　（1）地面注采气装置定性风险评估

　　定性风险评价根据较少的详细设施资料，定性的对装置或装置的主要部分进行风险评级，具体为：

　　①装置中设备失效概率等级确定：设备失效概率等级可由按照API581和专用风险评估软件建立的数据库中分别得出定性评价结果。设备失效概率等级依设备失效概率评价结果依此分为1～5五个等级，其中评价分数最低的1级失效概率最低，反之评价分数最高的5级失效概率最高。

　　②装置中设备失效后果等级确定：同样，设备失效后果等级可由按照API581和风险评估软件建立的数据库中分别得出定性评价结果。设备失效后果等级依设备失效后果评价结果依此分为A～E五个等级，其中评价分数最低的A级失效后果最轻，反之评价分数最高的E级失效后果最严重。

　　③风险矩阵风险等级确定：装置风险评估综合考虑了设备失效概率等级和失效后果等级两项指标，并由风险评估中的失效概率等级和失效后果等级两项指标组合得出设备风险矩阵，详见表1，同时将设备按照风险矩阵中给出的风险等级进行划分，确定设备的风险等级。设备风险等级的定义如表2所示。

　　表1　风险矩阵

  

　　表2　设备风险等级

　　其中标记“Ⅰ～Ⅳ”依次为设备四个风险等级，分别对应着低风险区、中风险区、次高风险区和高风险区，即设备的失效风险由低向高过渡。其中左下角区域标示为“Ⅰ”的设备由于发生失效概率低、失效后果不严重，故障风险也低，因此被定义为第Ⅰ级。而第“Ⅲ”和“Ⅳ”级的设备即为装置中的重大设备或关键设备，故障风险高，所以这些设备应作为评估的重点对象加以关注。

　　（2）地面采气装置定量风险评估

　　在定性风险评价基础上进一步根据有关信息进行定量的风险分析活动，为每个设备项和管段提供风险值，优化检验策略。具体：

　　①风险分析、计算与评估

　　定量风险评价由以下四个部分组成，具体计算可以在建立完善的数据库后用专用软件计算完成。并可根据计算结果，对比国内外同类装置可接受的风险范围标准，对装置中的设备进行定量风险评价。

　　泄漏速率计算：包括计算泄放率、确定泄漏类型；

　　失效概率计算：设备失效概率由同类设备平均失效概率、单个设备修正因子和企业管理系数的乘积所确定。其中同类设备平均失效概率由软件数据库提供，单个设备修正因子由设备的通用、机械、工艺、技术等因素确定，企业管理系数根据管理系统评估确定。

　　失效后果计算：包括可燃性后果计算、有毒性后果计算、环境后果计算，主要由介质的物理及化学特性、物质存量、设备和人员相关性等因素确定。

　　风险计算：装置中的每台设备的风险为该设备的所有风险之和。风险的单位取决于所考虑的后果，可以为失效频率，对可燃性或毒性后果为面积／年，对环境为金额／年。

　　②建立和验证检验策略

　　根据定量风险评估结果，优化检验程序，制定有针对性的降低风险的检验策略，确定合理的检验周期、检验范围及检验手段，并对检验的有效性进行评估。检验策略一般应包括以下几方面的内容：

　　设备的失效机理与损伤形式；

　　要检查何种类型的缺陷；

　　何处去寻找缺陷；

　　采用何种检验方法与手段及检验的有效性；

　　从风险级别和经济性平衡角度确定最佳检验时间。

　　2． 注采井系统安全性评价

　　以套管柱和注采管柱的安全可靠性为中心，分析压力、温度、腐蚀、水泥环等因素对注采井管柱承载能力的影响，分析注采井井筒系统的安全可靠性及寿命周期。对于温度、压力、水泥环性质等因素，按随机变量处理。对于腐蚀、地层岩石性质等影响因素，按模糊随机变量处理。在此基础上，确定注采井系统的主要失效模式，计算系统的失效概率（或称可靠度）。由于储气库井筒系统远不同于一般的天然气井的受力状况，其安全性评价研究内容应该包括：

　　注采井载荷预测模型与计算方法研究：极限注采参数下套管受力模型和计算方法研究；极限注采参数下地层应力计算模型研究；地层蠕变引起的套管荷载预测模型与计算方法研究；地层流体腐蚀对套管承载能力的影响分析研究。

　　注采井安全使用寿命周期预测技术研究：套管-水泥环-地层体系受力综合分析研究；循环应力下水泥环强度与完整性分析研究；井筒系统主要失效模式分析研究；井筒系统可靠度与安全寿命周期预测研究。

　　（三）技术关键

　　1． 国际先进技术和理念的消化、吸收应用与本土化技术转化

　　风险评估技术在西方一些发达国家已陆续应用于石化装置评价之中，已有了大量的定性、定量风险评估案例。但国外的风险评估技术成果是基于所在国发达的工业水平以及设备管理水平和设备基础数据之上的，不能直接应用于我国装置系统。我国企业引进和应用风险评估技术时，需要进行适合我国国情的技术转化研究，建立本土化的设备基础数据库，以达到开展风险评估的基本条件。储气库引进和应用风险评估技术，也需要进行适合我国国情的技术转化研究。

　　2． 风险评估基础数据的采集与有效性

　　风险评估的准确性是以采集数据的有效性为前提的。采集的数据将覆盖：

　　通用信息：通常信息及其他的个体数据。主要包括：总体设计布置、总体设计参数、设备布置与走向条件、气候条件、地震活动性、设备使用与管理水平等。

　　工艺信息：流体介质特性和它们的潜在腐蚀数据。主要包括：装置工艺流程图、设备位置图、设备分类清单、介质组成特性、装置中所有设备的位号、类别、标识、工艺和仪表图（PID）号、工艺流程图（PFD）号、介质标识、以及各类易燃、易爆、有毒介质存储量、危险介质物性数据表、设备运行记录台帐、各类操作手册及应急措施程序等，同时检查现场设施设备、工艺仪表设置与运行状态。

　　机械信息：设备（包括设备每个部件）、管道设计／制造和设备安装数据，应包括装置中所有设备的设计、制造、安装、验收、修理改造资料等，以及所涉及的各类标准规范，同时检查设施设备的运转状态和记录。

　　检验维修记录：装置投用后历次检验、维修记录和保温、保冷完好情况。

　　安全系统信息：事故的保护和缓解装置数据。主要包括：安全控制系统中的所有项目、工艺控制及紧急停车系统、工艺仪表、遥控切断阀和减压阀系统、安全阀系统、机泵阀密封、加热炉安全控制系统、转动设备运转监控、气体泄漏探测报警、火灾报警、固定消防系统等。

　　储气库系统设备、配件种类多，在风险分析的数据中肯定会出现因资料不全而无法收集的数据，或风险分析软件无法处理的缺项，如腐蚀速率、管壁最小允许厚度等，这些参数有可能影响整个装置设备的风险分析结果。部分数据信息的量化和有效性是该项目的一个重要关注的问题。

　　3． 装置设备的分解与分析

　　设备分解和分析用来确定在风险评价中最小的独立的分析单元（设备和管线部件），以及工作状态（压力、温度、材料、速度、……）的关系，以便进行工艺审查、机械降级和腐蚀流的确定。这两个步骤是紧密联系并涉及到：所有子设备（部件）的机械降级、腐蚀流体、流体类型、设备内的流体形态、运行压力、操作温度。

　　需要确定其完整的潜在的破坏机理，且要可根据现场经验而修订。潜在破坏机理可能有以下几种形式：

　　减薄：这种失效机理包括整体变薄和局部变薄，这种现象经常是在遇到腐蚀时发生的，包括：氨腐蚀、高温H2S／H2腐蚀、高温氧化腐蚀、高温硫酸／环烷酸腐蚀、HCl腐蚀、CO2腐蚀、HF腐蚀、酸性水腐蚀等；（近几年的生产数据表明，储气库采气期流体介质性质相对单一，腐蚀现象更易确定。）

　　外部腐蚀包括隔离腐蚀：这种腐蚀被认为在隔离的设备和管线中发生的；

　　低温脆裂；

　　应力腐蚀破裂：这种失效方式通常能被考虑，但确切的破坏类型和显现方式应根据现场操作的特定条件来估计。应力腐蚀破裂破坏包括：炭化物破裂、腐蚀性断破裂、氯化物应力腐蚀破裂、HIC／SOHIC－HF（氢氟酸）、HIC／SOHIC（硫化氢环境）、氢氟酸环境、硫化应力裂纹、氨裂。

　　其它可能的破坏形式也将给予考虑，非现场条件计算出来腐蚀率或敏感值也可以引入。

　　4． 风险评估工具（软件）的引进

　　目前已有多家致力于风险评估研究的世界知名的公司，其风险评估软件大多已商业化。风险评估软件的研制本身并不十分困难，重要的是这些商用软件中已包含了全球相当丰富的风险评估案例所需基础数据信息资料，这些数据信息是风险评估系统必需的基础信息和素材。因此引进国际成功风险评估软件并进行改进应用不失为明智之举。

　　5． 注采井井筒系统安全性评价

　　鉴于储气库注采井的工作状况远不同于一般的天然气井，其井筒安全性评价在我国乃至西方国家也没有成熟的技术，有关地下储气库注采井的安全性研究工作几乎还处于空白。但储气库注采井在反复的注采气过程中，其套管、水泥环、井壁岩石和储气地层都受到循环交变载荷的作用，直接影响井筒的安全可靠性及储气层的吞吐能力，进行专门研究、以防患于未然是极其必要的。开展此方面的研究的技术关键主要为：

　　注采井系统的力学分析模型

　　注采井系统的失效模式及可靠度研究

　　四、储气库风险评估的预期成果

　　地下储气库是陕京输气管道的重点配套工程，其建设的目的是为了保证向北京、天津和华北地区安全、平稳、足量供气，实现冬季调峰以及特殊情况下的应急供气。由于储气库在向京津以及华北地区冬季调峰供气中所发挥的不可替代的重要作用，储气库安全、平稳运行本身所带来的社会效益就是不可估量的。

　　通过风险分析和基于风险分析结果的在役设备系统的检验，在降低设备风险级别的同时，优化提高设备的检验效率，避免传统检验的频率、程度和受检设备的风险极不相称的盲目性所带来的不必要的经济损失。由此带来的经济效益是潜在的、长期的。

　　风险评估-在安全、环境和商务影响方面是一个重要的优化方法。然而应用风险评估来优化检验，或基于风险的检验（RBI）是一个相对较新的方法。近来随着这项技术的发展，使企业能够应用这个方法来评估和更好地掌握从操作、维护和检验计划中额外所获得的效益。RBI石油化工装置、管线及海洋石油设施中已有较为广泛的应用。鉴于储气库在应急调峰和应急供气方面的重要性和不可替代性，RBI在储气库的应用也将是发展的必然趋势，其社会效益不可估量。

　　RBI 使用量化风险评估结果和生产可获得性分析来评估潜在的失效后果。RBI 综合了材料技术和力学模型来确定失效概率。RBI 可对过程设备、配管和集输管线在安全环境风险、生产损失和破坏成本方面进行量化排序，将检验聚焦于高风险设备和潜在的/存在的失效破坏机理，从而优化使用检验资源于关键资产。这些潜在地增加了成本节省的机会，因此RBI在储气库的应用也将带来潜在的经济效益。