海底管道是海上油气集输的主要手段，是海洋石油的生命线。海底管道经受自重、管内介质、设计内压、外水压等工作载荷，以及风、浪、流、冰和地震等环境载荷的作用^〔1〕。因而，海底管道存在腐蚀失效、悬跨疲劳失效、第三方破坏等多种失效模式。

风险由两部分组成，一是危险事件发生的可能性或事故发生的概率或失效概率；二是危险发生后的后果严重程度和损失的程度。将两者量化值综合，称为风险指标^〔2〕。本研究以挪威DNV公司的RP G101评定方法为基础^〔3〕，从海底管道的失效概率分析、失效后果分析和风险等级评价等三个方面，对海底管道风险评价的方法进行研究。

一.   海底管道失效概率分析

1   海底管道的失效类型

管道失效往往依赖于管道材料、管道结构尺寸、管道周围的环境条件、操作条件以及相应的保护措施等。海底管道的失效一般可以分为外部损伤、内部损伤和机械损伤等形式。

外部损伤与外部环境和保护条件有关。外部损伤是计算不同材料暴露在海水环境中的失效概率。所有涂层和保温层都要评价其保护性能。保温层可能会使盐水保持并在材料表面浓缩，因此会加快腐蚀或开裂。海水也会在管道支座和卡箍等位置积聚，加快未保温管道的腐蚀速率。外部损伤的计算要考虑材料的类型、使用条件，包括温度、压力、涂层条件、保温层的耐水性能、损伤速率等因素。

内部损伤主要计算由于腐蚀介质造成的材料的损伤，包括均匀腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀开裂等失效形式。内部损伤的计算主要考虑材料类型、潜在的腐蚀物、使用条件、应力腐蚀的类型、损伤速率等。例如，CO₂造成的均匀腐蚀和局部腐蚀、H₂S的应力腐蚀开裂、磨损腐蚀、微生物腐蚀等。

机械损伤是由于管道振动、流体流动作用、悬跨引起的管道振动等原因造成的，可能导致疲劳裂纹扩展和断裂。对于管道系统，损伤常常发生在特定的位置，像焊接接头、分支管、支架等，在这些地方有较高的应力集中系数和较强的约束，可能会增加结构的局部应力。

2   失效概率模型

研究失效概率模型的目的是确定管道会发生何种形式的退化机制，评估每种相关退化机制下的当前失效概率，评估损伤的发展，从而得到与时间相关的失效概率。常见的有以下三种失效概率模型（见图 1^〔2〕）。

图  1  失效概率模型示意图

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（1）速率模型

速率模型假定损伤的增量是时间的函数，随着时间的变化，损伤将积累，当损伤速率相对较低时，通常允许在失效前进行大量检验。这种模型通常由检验来控制，检测的结果可以用于修正速率模型，以便更好地描述实际情况。损伤的结果是构件产生局部或全面壁厚减薄。例如，金属大气腐蚀量与时间的关系，ASTM认为满足W ＝at^b的速率模型（W为腐蚀量，t为时间，a、b为常数）^〔4〕。

随着壁厚减薄，失效概率将随着时间增长，也依赖于材料的载荷条件，其控制参数包括损伤速率、壁厚、损伤尺寸、材料特性、操作压力等。另外，每一种损伤机制也受到诸如温度、pH值等参数的控制。

（2）敏感模型

敏感模型的失效概率值与操作条件有关，如果给定的条件值是时间的常数，则失效概率仍保持为时间的常数，在服役一段时间后损伤快速发展。这意味着损伤的开始和发展无法用检验来确定，但是可以对关键工艺参数（操作条件的偏离或变化）进行监控。

（3）无关模型

构件预期不会产生明显损伤现象，这个模型设定失效为一个固定的失效概率值，忽略时间的影响，失效概率通常为一较低的水平，例如10^－5，检验对于这个模型不起作用。

3   失效可能性等级划分

定量失效概率数值范围是0~1，对于某一特定的管段，往往得到一个具体的失效概率计算值，为了进行等级划分，DNV-RP-G101推荐采用表 1的方法进行失效可能性等级划分^〔3〕。在表 1中，一个小的管道样本空间是指20~50个考察对象，而一个大的管道样本空间是指200~500个考察对象。

表  1  失效概率等级划分^〔3〕

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二.   海底管道失效后果分析

失效后果是因失效事件一旦发生所产生的后果，包括安全后果、经济后果以及环境后果等。

1   失效后果评价应考虑的因素

（1）安全后果考虑失效对人员的伤亡，以工作人员的潜在生命损失PLL（potential loss of life）来表示，是指由于燃烧、爆炸或毒物释放造成的周围生命的损失。

（2）经济后果是设备维修材料费、人工费和因结构破坏造成的构件失效和停产损失的综合，经济后果一般以货币形式表示。

（3）环境后果要考虑油、气和化学物泄漏对环境的影响，以释放到环境中的污染物的质量或体积表示，或者以清理污染的费用来表示，包括罚金和赔偿款等项目。

表 2和表 3列举了点火泄漏和非点火泄漏失效后果评价应考虑的因素。

表  2  点火泄漏失效后果评价应考虑的因素^〔3〕

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表  3  非点火泄漏失效后果评价应考虑的因素

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2   失效后果事件树

有的泄漏将导致火灾和爆炸，例如点火泄漏；有的则不会引起火灾或爆炸，例如非点火泄漏。泄漏后要建立一个描述事件顺序的事件树，用于计算末端事件出现的概率。图 2为海底管道泄漏的典型事件树，事件树中的末端事件表述列入表 4。事件2和事件3与点火事件有关，事件1是非点火事件，表中P_lgn是点火概率，P_ESC是爆炸概率。

图  2  典型事件树

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表  4  末端事件的描述

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3   点火概率P_lgn计算

对于一个给定的泄漏事件，点火概率与泄漏速率、燃烧种类、点火源、泄漏孔径、浓度系数P_V、连续点火源系数P_c、随机点火源系数P_d等有关。对于给定泄漏事件的点火概率，P_lgn按式（1）计算：

（1）浓度系数P_V的计算

浓度系数P_V可按式（2）进行计算：

如果P_V ＝C＞LEL，则P_V ＝1.0。

式（2）中的LEL是气体的最低爆炸极限，其中甲烷为5%，丙烷为2%；C为气体的浓度，它是时间（以秒为单位）、物质泄漏率和通风率的函数。

（2）点火系数P_c的计算

P_c主要考虑可燃物与热的表面或其它连续的可能的点火源的接触问题：

式（3）中Q₁~Q₄为常数，见表 5。

表  5  计算P_c、P_d用到的常数

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（3）点火系数P_d的计算

P_d考虑的是可燃物与点火源靠近的设备的接触问题，是随机点火源参数：

式（4）中的常数R₁~R₄见表 5。

4   爆炸概率P_ESC计算

如果点火后出现爆炸事件，将引起火灾和冲击波，导致相关设备或管道的破坏，甚至包括那些被防爆墙隔离的设备。爆炸概率P_ESC的计算式为：

式中  p———冲击波产生的超压；

p₀———防爆墙冲击设计压力。

表 6给出了A、B常数，它们是气体泄漏的函数。

表  6  P_esc计算中用到的常数

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5   失效后果计算

每一末端事件的发生概率乘以末端事件（图 2中的事件1、事件2、事件3）的后果，得到末端事件的失效后果的贡献，所有事件和孔径尺寸下的失效概率之和就是该损伤机制导致泄漏的总的失效后果，见表 7和式（6）。P₁、P₂、P₃分别表示事件1、事件2、事件3的发生概率，S、B、E分别表示安全、经济和环境后果。所以，总的失效后果为：

表  7  总的失效后果计算^〔2〕

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三.   海底管道风险等级评价

风险的最方便的表达方式是矩阵，它可以明确表示两个因素的相对贡献，图 3为DNV RP-G101推荐的一个5×5的矩阵。矩阵的纵坐标为失效概率，横坐标为失效后果。该风险矩阵将海底管道风险分为四个等级，I级为低风险区、II级为中等风险区、III级为中高风险区、IV级为高风险区。对于低风险区，一般认为无需采取措施，能继续使用，可以适当延长检验周期；对于中等风险区，一般认为可以继续使用，但要加强检测或监测，安排适度的检（维）修计划，检验周期的确定以到下一检验期风险状况保持中等风险为原则；对于中高风险区，必须分析风险产生的原因，缩短检验周期；对引起中高风险的主要位置进行监控，防止事故发生；在检验过程中要注意选择有限的检验方法，应选择高度有效的检验；对于高风险区，应立即停运，进行维修管理，消除引起高风险的因素，将风险控制在中等或中等以下风险等级。

图  3  海底管道风险评价用矩阵

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四.   结束语

油气长输管道风险评价的主要目的，是最大限度地减少事故发生率和尽可能地延长管道的使用寿命，合理地分配有限的管道维护费用。由于海底管道服役环境复杂、恶劣，因此，保证海底管道的安全平稳运行是首先考虑的问题。运用风险评价的理念和基于风险的检验策略对海底管道进行失效概率分析和失效后果评价，能够为油气海底管道的完整性管理提供有力的技术支持。