引言

　　地下儲氣庫天然氣注采系統地面裝置屬于高壓處理裝置（夏季注氣期系統承壓高達25MPa以上，冬季采氣期采氣系統承壓6～10MPa），目前長期運行時系統的安全性保障只能通過執行程序文件來完成，但整個處理裝置系統的安全性評價尚沒有進行、風險預測尚不能實現。

　　地下儲氣庫的注采井有著與常規天然氣開發生產井顯著不同的特點，儲氣庫地層壓力按年度呈周期性地變化，每年均可以恢復甚至超過原始地層壓力，因此庫區任何一口井在特定條件下都有可能成為高壓氣井。在反復的注采氣過程中，地下儲氣井的套管、水泥環、井壁巖石和儲氣地層都受到高壓注氣、循環載荷、地應力不均勻及腐蝕環境等多種因素作用，井筒的承載能力和安全使用壽命周期還是很難把握，直接影響井筒的安全可靠性及儲氣層的吞吐能力，需要進行專門研究，以防患于未然。

　　風險評估RBI技術是近三十年來國際上新興的一門工程風險學學科，其基本思路是采用系統論的原理和方法，對系統中固有的或潛在的危險及其程度進行定量性分析和評估，找出薄弱環節，優化檢驗的效率和頻率，降低日常檢驗及維修的費用，維持原有的安全裕度，提出安全技術建議及對策。

　　為保障地下儲氣庫地面設備系統和庫區注采井的安全生產，有必要采用風險評估RBI技術實現對儲氣庫地面采氣系統進行RBI風險評估，和注采井井筒安全可靠性的評估。通過提高評價，可提供優化的檢驗策略，通過識別可能的潛在高風險概率的設備，采用針對性的檢驗技術來進行檢測，編制與風險相適應的檢驗規程，達到系統風險降低和設備“延壽”的目的。

　　一、開展儲氣庫風險評估的必要性

　　我公司自1999年建設我國第一座商業用大中型儲氣庫（大張坨儲氣庫）以來，已相繼建設并投用了四座儲氣庫，第五、第六座儲氣庫已通過了設計審查，正在準備建設過程中。地下儲氣庫群是陜京管線輸儲配氣系統的重要組成部分，肩負著京津地區千百萬市民安全過冬的光榮使命和特殊情況下的應急供氣重任，是首都人民的“生命線”。目前陜京輸氣管線雖不再是“單氣源、單管線”輸氣，但保證北京及天津等重要地區安全用氣的風險依然巨大，經不得任何閃失。隨著京津地區天然氣用量的發展以及陜京二線工程的投用，儲氣庫在季節調峰和應急供氣以及戰略儲備方面也將起到越來越重要的作用，儲氣庫的這些重要性決定了開展其風險評估的必要性。

　　全世界石油化工裝置的事故會越來越嚴重的經濟和社會影響，天然氣處理廠和儲氣庫系統的情況也一樣。采用現有傳統的定期對裝置中設備進行檢驗的方法并不能有效地降低設備事故的發生頻率和由此帶來的經濟損失和社會影響。有文獻統計，1962～1991年期間全球石化行業重大事故的發生次數與造成的經濟損失呈大幅度上升的趨勢，其中170次重大事故中，有近一半的事故是由于機械失效引起的，有超過20％的事故是由于錯誤操作造成的。另一方面，隨著市場經濟的驅動，降低生產成本、提高經濟效益需要合理的檢驗計劃和檢驗規程，避免不必要的例行檢驗，同時要判斷裝置對你安全水平，定義其風險大小、性質及實施消除風險的手段和驗收準則。

　　基于以上安全和經濟方面的要求，儲氣庫地面和井下系統需要尋求和開發更安全、更能降低成本并預控消除風險的新方法意義重大。

　　二、國內外的現狀及發展趨勢

　　世界上儲氣庫建設已有近百年的歷史，儲氣庫安全運行管理等已有豐富的經驗，其儲氣體類型齊全，完鉆井數量眾多，在儲氣庫井的井噴及井噴著火預防與應急處理、以及氣藏管理等方面均積累了豐富的經驗，已形成了規范的管理體系，其中以歐美等國家的儲氣庫運行、管理水平最為突出。

　　風險評估RBI技術是近三十年來國際上新興的一門工程風險學學科，其基本思路是：采用系統論的原理和方法，對設備系統中固有的或潛在的危險及其程度進行定性分析和評估，找出薄弱環節，優化檢驗的效率和頻率，降低日常檢驗及維修的費用，維持原有的安全裕度，提出安全技術建議及對策。

　　傳統的檢驗維修規程是基于保守的安全考慮，未將經濟性和安全性以及可能存在的失效風險有機地結合起來，檢驗的頻率、程度和受檢設備的風險級別極不相稱，常規檢驗不是系統化的針對高風險設備。隨著診斷技術的發展和設備多年的運行經驗，新型的風險檢驗理念被引進國際上大中型石化能源工業，用于提高設備運行的可靠性并降低檢驗成本，已經過實踐檢驗被證明為是一種高效的風險分析工具。

　　風險評估RBI技術在全球石油石化行業已有廣泛的應用，已有大量的定性、定量RBI案例。國內重要設施在建設前均要進行定性的安全評價和環境評價，其中中石化茂名煉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鉆采平臺裝置等已進行過定量的風險評估RBI技術的應用。

　　據調研，風險評估RBI技術在儲氣庫系統中的應用案例尚比較少（其中，挪威船級社（DNV）—國際知名的RBI資質公司，曾進行過儲氣庫的風險評估RBI案例），但在天然氣處理廠的應用案例比較多。天然氣處理廠的地面工藝與儲氣庫系統地面工藝盡管各有特點，但也有較大的相似性，這對風險評估RBI技術在儲氣庫系統中的應用很有借鑒作用。儲氣庫注采井的安全性評價尚未見案例的文獻報道。

　　在西方國家，風險評估RBI技術的應用已取得了顯著的效益和安全預控效果，我國部分行業正在引進、試行和掌握這一新技術。儲氣庫作為我國的一個“新生事物”，但其作用不可替代、意義重大且深遠。開展風險評估RBI技術在儲氣庫系統的應用將和石化行業一樣，是一必然的發展趨勢。

　　三、儲氣庫風險評估的主要內容及關鍵技術

　　（一）目標

　　開展風險評估的目標是將儲氣庫設備的風險降低到可接受的程度。

　　儲氣庫系統裝置中，每個設備（單元）在整個設備中所占是風險比例是不同的，正常情況下，高風險設備的比例是很底的，一般10～15％的設備就會占有90％以上整個裝置的風險。由于高風險的設備僅占整個裝置設備的一小部分，因此通過風險評估RBI技術分析，按照各設備（單元）損傷機理進行有效性檢驗，可將其風險降低到人們可接受的程度。

　　設備的風險隨著使用時間延長是會增加的，現行的檢驗方法是定期對所用設備的普遍檢驗，它并不能有效降低高風險設備的風險，在下一個運行周期內的風險會進一步增加。如果按照RBI方法進行檢驗，有針對性地降低高風險設備的風險，達到在下一個使用周期內高風險設備的風險被控制在人們可接受的水平。

　　（二）風險評估的主要內容

　　1． 地面采氣系統風險評估

　　（1）地面注采氣裝置定性風險評估

　　定性風險評價根據較少的詳細設施資料，定性的對裝置或裝置的主要部分進行風險評級，具體為：

　　①裝置中設備失效概率等級確定：設備失效概率等級可由按照API581和專用風險評估軟件建立的數據庫中分別得出定性評價結果。設備失效概率等級依設備失效概率評價結果依此分為1～5五個等級，其中評價分數最低的1級失效概率最低，反之評價分數最高的5級失效概率最高。

　　②裝置中設備失效后果等級確定：同樣，設備失效后果等級可由按照API581和風險評估軟件建立的數據庫中分別得出定性評價結果。設備失效后果等級依設備失效后果評價結果依此分為A～E五個等級，其中評價分數最低的A級失效后果最輕，反之評價分數最高的E級失效后果最嚴重。

　　③風險矩陣風險等級確定：裝置風險評估綜合考慮了設備失效概率等級和失效后果等級兩項指標，并由風險評估中的失效概率等級和失效后果等級兩項指標組合得出設備風險矩陣，詳見表1，同時將設備按照風險矩陣中給出的風險等級進行劃分，確定設備的風險等級。設備風險等級的定義如表2所示。

　　表1　風險矩陣

  

　　表2　設備風險等級

　　其中標記“Ⅰ～Ⅳ”依次為設備四個風險等級，分別對應著低風險區、中風險區、次高風險區和高風險區，即設備的失效風險由低向高過渡。其中左下角區域標示為“Ⅰ”的設備由于發生失效概率低、失效后果不嚴重，故障風險也低，因此被定義為第Ⅰ級。而第“Ⅲ”和“Ⅳ”級的設備即為裝置中的重大設備或關鍵設備，故障風險高，所以這些設備應作為評估的重點對象加以關注。

　　（2）地面采氣裝置定量風險評估

　　在定性風險評價基礎上進一步根據有關信息進行定量的風險分析活動，為每個設備項和管段提供風險值，優化檢驗策略。具體：

　　①風險分析、計算與評估

　　定量風險評價由以下四個部分組成，具體計算可以在建立完善的數據庫后用專用軟件計算完成。并可根據計算結果，對比國內外同類裝置可接受的風險范圍標準，對裝置中的設備進行定量風險評價。

　　泄漏速率計算：包括計算泄放率、確定泄漏類型；

　　失效概率計算：設備失效概率由同類設備平均失效概率、單個設備修正因子和企業管理系數的乘積所確定。其中同類設備平均失效概率由軟件數據庫提供，單個設備修正因子由設備的通用、機械、工藝、技術等因素確定，企業管理系數根據管理系統評估確定。

　　失效后果計算：包括可燃性后果計算、有毒性后果計算、環境后果計算，主要由介質的物理及化學特性、物質存量、設備和人員相關性等因素確定。

　　風險計算：裝置中的每臺設備的風險為該設備的所有風險之和。風險的單位取決于所考慮的后果，可以為失效頻率，對可燃性或毒性后果為面積／年，對環境為金額／年。

　　②建立和驗證檢驗策略

　　根據定量風險評估結果，優化檢驗程序，制定有針對性的降低風險的檢驗策略，確定合理的檢驗周期、檢驗范圍及檢驗手段，并對檢驗的有效性進行評估。檢驗策略一般應包括以下幾方面的內容：

　　設備的失效機理與損傷形式；

　　要檢查何種類型的缺陷；

　　何處去尋找缺陷；

　　采用何種檢驗方法與手段及檢驗的有效性；

　　從風險級別和經濟性平衡角度確定最佳檢驗時間。

　　2． 注采井系統安全性評價

　　以套管柱和注采管柱的安全可靠性為中心，分析壓力、溫度、腐蝕、水泥環等因素對注采井管柱承載能力的影響，分析注采井井筒系統的安全可靠性及壽命周期。對于溫度、壓力、水泥環性質等因素，按隨機變量處理。對于腐蝕、地層巖石性質等影響因素，按模糊隨機變量處理。在此基礎上，確定注采井系統的主要失效模式，計算系統的失效概率（或稱可靠度）。由于儲氣庫井筒系統遠不同于一般的天然氣井的受力狀況，其安全性評價研究內容應該包括：

　　注采井載荷預測模型與計算方法研究：極限注采參數下套管受力模型和計算方法研究；極限注采參數下地層應力計算模型研究；地層蠕變引起的套管荷載預測模型與計算方法研究；地層流體腐蝕對套管承載能力的影響分析研究。

　　注采井安全使用壽命周期預測技術研究：套管-水泥環-地層體系受力綜合分析研究；循環應力下水泥環強度與完整性分析研究；井筒系統主要失效模式分析研究；井筒系統可靠度與安全壽命周期預測研究。

　　（三）技術關鍵

　　1． 國際先進技術和理念的消化、吸收應用與本土化技術轉化

　　風險評估技術在西方一些發達國家已陸續應用于石化裝置評價之中，已有了大量的定性、定量風險評估案例。但國外的風險評估技術成果是基于所在國發達的工業水平以及設備管理水平和設備基礎數據之上的，不能直接應用于我國裝置系統。我國企業引進和應用風險評估技術時，需要進行適合我國國情的技術轉化研究，建立本土化的設備基礎數據庫，以達到開展風險評估的基本條件。儲氣庫引進和應用風險評估技術，也需要進行適合我國國情的技術轉化研究。

　　2． 風險評估基礎數據的采集與有效性

　　風險評估的準確性是以采集數據的有效性為前提的。采集的數據將覆蓋：

　　通用信息：通常信息及其他的個體數據。主要包括：總體設計布置、總體設計參數、設備布置與走向條件、氣候條件、地震活動性、設備使用與管理水平等。

　　工藝信息：流體介質特性和它們的潛在腐蝕數據。主要包括：裝置工藝流程圖、設備位置圖、設備分類清單、介質組成特性、裝置中所有設備的位號、類別、標識、工藝和儀表圖（PID）號、工藝流程圖（PFD）號、介質標識、以及各類易燃、易爆、有毒介質存儲量、危險介質物性數據表、設備運行記錄臺帳、各類操作手冊及應急措施程序等，同時檢查現場設施設備、工藝儀表設置與運行狀態。

　　機械信息：設備（包括設備每個部件）、管道設計／制造和設備安裝數據，應包括裝置中所有設備的設計、制造、安裝、驗收、修理改造資料等，以及所涉及的各類標準規范，同時檢查設施設備的運轉狀態和記錄。

　　檢驗維修記錄：裝置投用后歷次檢驗、維修記錄和保溫、保冷完好情況。

　　安全系統信息：事故的保護和緩解裝置數據。主要包括：安全控制系統中的所有項目、工藝控制及緊急停車系統、工藝儀表、遙控切斷閥和減壓閥系統、安全閥系統、機泵閥密封、加熱爐安全控制系統、轉動設備運轉監控、氣體泄漏探測報警、火災報警、固定消防系統等。

　　儲氣庫系統設備、配件種類多，在風險分析的數據中肯定會出現因資料不全而無法收集的數據，或風險分析軟件無法處理的缺項，如腐蝕速率、管壁最小允許厚度等，這些參數有可能影響整個裝置設備的風險分析結果。部分數據信息的量化和有效性是該項目的一個重要關注的問題。

　　3． 裝置設備的分解與分析

　　設備分解和分析用來確定在風險評價中最小的獨立的分析單元（設備和管線部件），以及工作狀態（壓力、溫度、材料、速度、……）的關系，以便進行工藝審查、機械降級和腐蝕流的確定。這兩個步驟是緊密聯系并涉及到：所有子設備（部件）的機械降級、腐蝕流體、流體類型、設備內的流體形態、運行壓力、操作溫度。

　　需要確定其完整的潛在的破壞機理，且要可根據現場經驗而修訂。潛在破壞機理可能有以下幾種形式：

　　減薄：這種失效機理包括整體變薄和局部變薄，這種現象經常是在遇到腐蝕時發生的，包括：氨腐蝕、高溫H2S／H2腐蝕、高溫氧化腐蝕、高溫硫酸／環烷酸腐蝕、HCl腐蝕、CO2腐蝕、HF腐蝕、酸性水腐蝕等；（近幾年的生產數據表明，儲氣庫采氣期流體介質性質相對單一，腐蝕現象更易確定。）

　　外部腐蝕包括隔離腐蝕：這種腐蝕被認為在隔離的設備和管線中發生的；

　　低溫脆裂；

　　應力腐蝕破裂：這種失效方式通常能被考慮，但確切的破壞類型和顯現方式應根據現場操作的特定條件來估計。應力腐蝕破裂破壞包括：炭化物破裂、腐蝕性斷破裂、氯化物應力腐蝕破裂、HIC／SOHIC－HF（氫氟酸）、HIC／SOHIC（硫化氫環境）、氫氟酸環境、硫化應力裂紋、氨裂。

　　其它可能的破壞形式也將給予考慮，非現場條件計算出來腐蝕率或敏感值也可以引入。

　　4． 風險評估工具（軟件）的引進

　　目前已有多家致力于風險評估研究的世界知名的公司，其風險評估軟件大多已商業化。風險評估軟件的研制本身并不十分困難，重要的是這些商用軟件中已包含了全球相當豐富的風險評估案例所需基礎數據信息資料，這些數據信息是風險評估系統必需的基礎信息和素材。因此引進國際成功風險評估軟件并進行改進應用不失為明智之舉。

　　5． 注采井井筒系統安全性評價

　　鑒于儲氣庫注采井的工作狀況遠不同于一般的天然氣井，其井筒安全性評價在我國乃至西方國家也沒有成熟的技術，有關地下儲氣庫注采井的安全性研究工作幾乎還處于空白。但儲氣庫注采井在反復的注采氣過程中，其套管、水泥環、井壁巖石和儲氣地層都受到循環交變載荷的作用，直接影響井筒的安全可靠性及儲氣層的吞吐能力，進行專門研究、以防患于未然是極其必要的。開展此方面的研究的技術關鍵主要為：

　　注采井系統的力學分析模型

　　注采井系統的失效模式及可靠度研究

　　四、儲氣庫風險評估的預期成果

　　地下儲氣庫是陜京輸氣管道的重點配套工程，其建設的目的是為了保證向北京、天津和華北地區安全、平穩、足量供氣，實現冬季調峰以及特殊情況下的應急供氣。由于儲氣庫在向京津以及華北地區冬季調峰供氣中所發揮的不可替代的重要作用，儲氣庫安全、平穩運行本身所帶來的社會效益就是不可估量的。

　　通過風險分析和基于風險分析結果的在役設備系統的檢驗，在降低設備風險級別的同時，優化提高設備的檢驗效率，避免傳統檢驗的頻率、程度和受檢設備的風險極不相稱的盲目性所帶來的不必要的經濟損失。由此帶來的經濟效益是潛在的、長期的。

　　風險評估-在安全、環境和商務影響方面是一個重要的優化方法。然而應用風險評估來優化檢驗，或基于風險的檢驗（RBI）是一個相對較新的方法。近來隨著這項技術的發展，使企業能夠應用這個方法來評估和更好地掌握從操作、維護和檢驗計劃中額外所獲得的效益。RBI石油化工裝置、管線及海洋石油設施中已有較為廣泛的應用。鑒于儲氣庫在應急調峰和應急供氣方面的重要性和不可替代性，RBI在儲氣庫的應用也將是發展的必然趨勢，其社會效益不可估量。

　　RBI 使用量化風險評估結果和生產可獲得性分析來評估潛在的失效后果。RBI 綜合了材料技術和力學模型來確定失效概率。RBI 可對過程設備、配管和集輸管線在安全環境風險、生產損失和破壞成本方面進行量化排序，將檢驗聚焦于高風險設備和潛在的/存在的失效破壞機理，從而優化使用檢驗資源于關鍵資產。這些潛在地增加了成本節省的機會，因此RBI在儲氣庫的應用也將帶來潛在的經濟效益。