摘 要

本文根据CO₂管道失效数据和相关指标的分析，确定管道的风险因素；基于风险矩阵分析法，结合事故发生频率和事故后果严重度，判定管道失效等级；由失效数据统计分析，计算CO₂管道失效概率，最后建立CO₂管道评价模型并提出防治措施。

基于对CO₂相特性、密度和粘度等基本性质的了解，CO₂管道运输可以通过控制管道压力和温度，选择单一相态的CO₂进行运输，常把CO₂压缩到7.375MPa以上，便于运输且具有较高的安全性。在临界点附近温度和压力的微小变化会引起黏度和密度迅速的变化。由国外管道数据库提供的历史失效数据，对CO₂管道风险因素进行分析，结果表明，腐蚀、外部影响（包括第三方破坏）、维护失误是CO₂管道的主要风险因素。由数据分析，管径和壁厚越大，管道失效率越低，合适的埋深为0.9米，工业设计上的使用寿命为30年，这些指标与CO₂管道失效有一定的联系。

利用风险矩阵将事故发生频率与后果联系起来，并根据风险后果可接受程度将风险等级划分为四个区间，分别对应CO₂管道的4个失效等级，然后运用CO₂管道失效数据进行失效概率计算。对适合使用于CO₂管道的多种定性、定量评价方法进行介绍和选择，提出合理可行的安全防治措施，完成CO₂评价模型的建立。在对管道的防治措施上，根据风险降级的原则，针对腐蚀、外部影响、维护失误等风险因素采取针对性措施，通过涂层防腐、管控、技术革新等措施进行。最后通过案例分析，对某一具体CO₂管道进行风险分析与防治。

关键字：CO₂管道；风险分析；失效概率；失效等级

Abstract

Based on the analysis of CO₂ pipeline failure data and related indicators, this paper identifies the risk factors of the pipeline. Based on the risk matrix analysis method, combined with the accident frequency and the severity of the accident consequences, the pipeline failure grade is determined. From the statistical analysis of failure data, the CO₂ pipeline failure probability is calculated. Finally, establish a CO₂ pipeline evaluation model and propose prevention and control measures.

Based on the understanding of the basic properties of CO₂ phase characteristics, density and viscosity, CO₂ pipeline transportation can control the pipeline pressure and temperature, select a single phase of CO₂ for transportation.CO₂ is often compressed to more than 7.375 MPa, which is easy to transport and has high safety. Small changes in temperature and pressure near the critical point can cause rapid changes in viscosity and density. The historical failure data provided by the foreign pipeline database analyzes the risk factors of CO₂ pipelines. The results show that corrosion, external influences (including third-party damage), and maintenance errors are the main risk factors for CO₂ pipelines. According to the data analysis, the larger the pipe diameter and wall thickness, the lower the pipeline failure rate. The appropriate depth of burial is 0.9 meters, and the industrial design has a service life of 30 years. These indicators are related to the CO₂ pipeline failure.

The risk matrix is used to relate the frequency of accidents to the consequences, and the risk level is divided into four intervals according to the degree of acceptability of the risk consequences, corresponding to the four failure levels of the CO₂ pipeline, and then the CO₂ pipeline failure data is used to calculate the failure probability. Several kinds of qualitative and quantitative evaluation methods suitable for CO₂ pipelines are introduced and selected, and reasonable and feasible safety control measures are proposed to complete the establishment of a CO₂ evaluation model.In the prevention and control measures for pipelines, according to the principle of risk reduction, take targeted measures against corrosion, external influences, maintenance errors and other risk factors, and carry out measures such as coating anti-corrosion, control, and technological innovation. Finally, a case analysis was conducted to conduct risk analysis and prevention of a specific CO₂ pipeline.

Key Words：CO₂ Pipeline；Risk Analysis；Failure Probability；Failure Level

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 目的与意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 管道失效概率研究现状 2

1.3.2 风险可接受标准研究现状 2

1.4 基本内容和技术方案 3

1.4.1 基本内容 3

1.4.2 技术方案 4

第2章 CO₂管道风险因素分析 5

2.1 CO₂的基本性质 5

2.1.1 CO₂相特性 5

2.1.2 CO₂的密度和黏度 5

2.2 CO₂运输管道风险事故 7

2.2.1 CO₂危险事件记录 7

2.2.2 管道事故类型 8

2.3 CO₂管道失效数据分析 8

2.3.1国外权威数据库 9

2.3.2 CO₂管道的失效数据 9

2.3.3 CO₂管道风险因素确定 10

第3章 CO₂管道失效等级研究 12

3.1 CO₂管道相关指标的信息收集 12

3.1.1 CO₂管道管材选择概述 12

3.1.2 CO₂管道相关指标 12

3.2 CO₂管道失效等级研究方法 13

3.2.1 风险矩阵理论概述 13

3.2.2 风险矩阵建立与管道失效等级判定 14

第4章 CO₂管道事故概率计算方法研究 17

4.1 CO₂管道失效模式及失效数据特点 17

4.1.1 CO₂管道失效模式 17

4.1.2 CO₂管道失效数据的特点 17

4.2 CO₂管道评价模型的建立 18

4.2.1 CO₂管道评价模型建立目的与意义 18

4.2.2 CO₂管道评价模型建立流程 18

4.2.3 评价方法的选择 19

4.2.4 风险防治措施 20

第5章 案例分析 21

5.1 管道概况与风险分析 21

5.2 事故概率计算 21

5.3 建立评价模型 22

5.4 防治措施和建议 22

第6章 结论 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

CO₂气体是导致全球气候变暖的六大人为温室气体之一，联合国政府间谈判委员会为应对严峻的全球气候问题，一致达成了《联合国气候变化框架公约》，旨在控制温室气体浓度，使气候系统免遭破坏。但同时，CO₂具有较高的经济价值，是生活中不可或缺的宝贵资源。在工业和生活中，CO₂广泛应用于石油开采、冶金、焊接、低温冷煤、人工降雨、消防、化工、造纸、农业、食品业、医疗卫生、棚菜气肥、蔬菜(肉类)保鲜、生产可降解塑料等方面；在科技领域，应用于超临界溶剂、生物工程、激光技术、核工业等方面^[1]。因此，对CO₂进行捕集、封存和运输等方面的合理利用，具有重要的意义。

• 1. 研究背景

目前，碳捕集与封存（CCS）技术有潜力成为电力和工业部门脱碳最具成本效益的技术之一，并具有可持续使用如煤炭等传统化石燃料的优势，因此CCS对于缓解全球温室气体排放具有战略重要性。CCS技术包括三个方面^[2-5]：“捕集”、“运输”、“封存”。即涉及捕获CO₂工业燃烧源（主要来自燃煤电厂，水泥厂，钢铁生产高炉等）的排放，压缩，运输并将其注入适当的地质储存场所（如枯竭的石油或天然气储层，含盐水层，煤接缝）。以这种方式，可以实现从大气中长期隔离CO₂。虽然捕获二氧化碳技术是比较成熟，安全，可靠，但长期贮存捕集到的二氧化碳具有不确定性，这是目前阻碍CCS技术广泛分布的原因。

CO₂运输方式主要有轮船运输、罐装车和铁路运输、管道运输，分别适合不同的场合与条件^[6-7]。提高原油采收率工业在20世纪70年代早期就开始使用管道运输纯CO₂。现存最长CO₂管道为808km的Cortez，位于美国，另外还有长648km的Sheep Mountain管道和长38km的Bravo管道。

目前，国际上在CO₂管道输送方面已经取得了丰富的工程经验，有将近6000km的管道正在活跃地运输CO₂，大部分位于北美；而在我国，陆上油气运输也 主要采用管道运输，正逐步建立贯通东南西北、连接海陆的油气战略通道。但我国现有干线管道载力不足，网络化程度低，成品油管道运输比例低，一些油气管道存在老化问题，安全隐患突出，政府监管体制和法规体系尚不健全^[8]。 我国CO₂运输主要以低温储罐公路运输为主，国内目前还尚未有很大发展，正处于研究探索阶段。

• 1. 目的与意义

管道输送具有安全稳定，输送量大，距离长的特点，但运输过程中面临多种风险。70-80年代初期，世界主要输气大国的输气干线管道事故类型主要分为针孔泄露、穿孔和破裂三种，造成事故的原因主要有外部影响、腐蚀及材料失效、施工缺陷等^[9-12]。本文主要通过对CO₂运输管道的风险因素进行分析，研究其失效等级，确定失效概率。管道失效概率的确定是定量风险评价的核心内容，其准确性也决定了评价结果的合理性和适用性^[13]。 由于国内 CO₂管道尚未完备，本文主要以国外数据库系统为研究，管道历史失效数据库主要包括欧洲 EGIG数据库、美国 PHMSA数据库、加拿大 NEB数据库、英国 UKOPA数据库和澳大利亚 APIA数据库等^[14]。

通过对管道进行定性定量分析，结合国内外输气管道系统的失效数据进行统计分析,确定管道风险因素。随后在专家判断管道失效概率的基础上,考虑各基本事件相关性,对各评价单元的失效概率进行计算^[15]，建立评价CO₂的模型，从而降低风险，对我国CO₂管道建设及完善具有一定指导作用。

• 1. 国内外研究现状
     1. 管道失效概率研究现状

失效概率通常用来表示在一段时期内，设备不能完成预期功能的概率。管道失效概率研究是管道风险分析的重要内容。国内对管道失效概率的研究，许多学者通过建立物理模型来研究。

彭星煜，刘力升，吕娜（2009）等在油气长输管道失效概率预测中运用 BP神经网络技术，利用其有效的非线性映射关系，在输入、输出关系完全未知的情况下，确定映射出的输入、输出的非线性关系，从而建立以故障树失效因素作为输入，以管道失效概率作为输出的预测模型， 经实证可得到应用^[16]。

曾海龙，王振林，马继升（2011）等基于Monte Carlo建立了腐蚀缺陷参数相关情况下长输管道腐蚀可靠性模型,结果表明管道失效影响因素排序随相关性增加而变化，而且，随相关性增加，管道失效概率显著增大^[17]。

马小明，周启超（2018）根据可靠性理论与管道有限元分析，建立管道失效概率模型，对非均匀沉降下高压天然气管道失效概率进行研究，并对管道失效概率的4种影响因素的敏感性进行了分析，得出4 种影响因素敏感性大小依次为管径、内压、壁厚、埋深，且当沉降量达到130mm，管道失效概率已经超出承受范围^[18]。

黄小美，李百战，彭士年（2010）^[19]等总结了国内外通用的Kent法^[20]等基于专家评估的主观评价法和基于历史失效数据的统计法的优缺点，提出将主观和客观法相结合的观点。

• • 1. 风险可接受标准研究现状

最低合理可行（As Long As Reasonably Practicable）原则，简称ALARP原则，在风险可接受水平上广为接受的一种项目风险判据原则。 ALARP原则认为任何系统都存在风险，不能通过预防措施彻底消除，而且要考虑安全投入成本与边际效益的关系。因此，在系统的风险水平和成本之间做出折中，利用不可容忍线和可忽略线将项目风险划分为风险严重区、ALARP区和可忽略区^[21]（见图1.1）。

图1.1 ALARP原则

英国、荷兰等国在大坝、压力管道等方面制定了有效的风险管理措施及分析指南，提出了专门的风险界定标准，通过运用相对风险指数，现场评分等风险评价方法进行界定^[22]。

英国健康与安全委员会（HSE）基于ALARP原则提出可忍受风险指南在水库安全上应用时，采用的个人风险上线为10^-4/年；荷兰认为个人风险取决于地理位置并绘制地理风险等值线图，社会风险则用FN曲线图表示，及在二维平面上使用曲线表示死亡人数（N）和死亡概率（F）的关系；澳大利亚地质力学学会（AGS）建立基于概率和后果的风险矩阵^[23]。

李宝岩（2010）提出采用 ALARP框架形式进行表达，同时提出在一定风险值范围内，由风险提供方和风险承受方共同协商拟定可接受风险标准， 各省、直辖市自建一套标准，并适时更新的方法^[24]。

吴煜、李从东（2005）在提出在油气管道风险评价中，首先要对引起油气管道事故的原因进行评分，然后利用管输介质的危险性、带来的影响，得出相对风险数，最后确定可接受风险的上限和下限分值^[25]。

我国风险可接受标准尚未形成完整的体系，政府或组织通常根据安全生产相关数据资料，对个人风险、社会风险、经济风险及环境风险进行分别判定，并提出相应标准，同时做好记录，为日后研究提供实践经验。

• 1. 基本内容和技术方案
     1. 基本内容

本课题旨在通过对CO₂运输管道的风险进行定性和定量分析，建立评价CO₂的模型，故从以下三个方面进行：