地區(qū)等級(jí)升級(jí)后的天然氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)

周亞薇 張振永 田姍姍

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，不少天然氣管道沿線的建筑物和人口密度與建設(shè)初期相比均發(fā)生了較大變化，一些在役天然氣管道通過(guò)的地區(qū)逐漸由人口稀少的一級(jí)、二級(jí)地區(qū)發(fā)展成為人口密集的三級(jí)、四級(jí)地區(qū)。地區(qū)等級(jí)升級(jí)使得原先的天然氣管道設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)狀不匹配，天然氣管道周邊人口密度顯著增加后，管道失效所帶來(lái)的失效后果將更加嚴(yán)重。同時(shí)，地區(qū)等級(jí)升級(jí)將導(dǎo)致由天然氣管道沿線人員活動(dòng)、設(shè)備撞擊等所帶來(lái)的第三方破壞更加頻繁，管道的失效概率也隨之增長(zhǎng)。因此，地區(qū)等級(jí)升級(jí)將導(dǎo)致天然氣管道失效風(fēng)險(xiǎn)（失效概率與失效后果的乘積）大幅度提升。為準(zhǔn)確量化天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)，有針對(duì)性地制訂風(fēng)險(xiǎn)管控措施，筆者提出了一套基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程；依據(jù)定量的失效概率與失效后果分析，對(duì)地區(qū)等級(jí)升級(jí)后的天然氣管道進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；進(jìn)而通過(guò)個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)水平的判定來(lái)制訂風(fēng)險(xiǎn)管控措施[1-5]。

1 基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法一般分為定性、半定量和定量評(píng)價(jià)等3種[6-8]。前二者簡(jiǎn)單易用，但不能定量計(jì)算天然氣管道的失效概率、失效后果及風(fēng)險(xiǎn)，難以評(píng)判天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)是否符合國(guó)家行業(yè)規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)可接受水平，也無(wú)法通過(guò)量化計(jì)算科學(xué)地確定天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)管控措施。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法是天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的高級(jí)階段，它將天然氣管道的失效概率和失效后果進(jìn)行定量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)的精確描述[9]。根據(jù)失效概率的計(jì)算方法，定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以分為基于失效統(tǒng)計(jì)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)和基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)。

基于失效統(tǒng)計(jì)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)通過(guò)對(duì)天然氣管道失效事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立基線失效概率，并根據(jù)待評(píng)價(jià)管道的實(shí)際情況分配不同的修正因子，以此來(lái)計(jì)算天然氣管道的失效概率[10]?；诳煽啃缘奶烊粴夤艿蓝匡L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)基于可靠性的極限狀態(tài)方法，針對(duì)天然氣管道評(píng)價(jià)管段，通過(guò)分析天然氣管道沿線環(huán)境和天然氣管道荷載狀況，確定可能導(dǎo)致天然氣管道失效的主要極限狀態(tài)和狀態(tài)方程，采用應(yīng)力—強(qiáng)度分布干涉理論計(jì)算天然氣管道失效概率。失效后果模型考慮在一定的泄漏頻率、泄漏量、立即點(diǎn)燃情景下，熱輻射引起天然氣管道周?chē)藛T傷亡的程度，從而定量計(jì)算天然氣管道的風(fēng)險(xiǎn)。

基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法工作流程（圖1），主要包括管段劃分、失效概率計(jì)算、失效后果計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)決策等。

1.1 失效概率計(jì)算

近年來(lái)，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司開(kāi)展了天然氣管道基于可靠性的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法研究，收集了國(guó)內(nèi)近4h104km已建天然氣管道數(shù)據(jù)，構(gòu)建了國(guó)內(nèi)天然氣管道材料、施工和運(yùn)行維護(hù)等變量參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，基于國(guó)內(nèi)天然氣管道數(shù)據(jù)建立了天然氣管道基于可靠性的設(shè)計(jì)流程，并形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[10-14]。

根據(jù)建立的極限狀態(tài)方程，利用蒙特卡洛方法，對(duì)管道的極端極限狀態(tài)（大孔泄漏和破裂）進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，以此確定特定天然氣管道設(shè)計(jì)工況的失效概率。為了簡(jiǎn)化分析，僅計(jì)算由腐蝕和第三方破壞導(dǎo)致的失效概率。根據(jù)國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，腐蝕和第三方設(shè)備撞擊造成的天然氣管道大孔泄漏和破裂占所有管道失效原因的60%～76%。為了統(tǒng)籌考慮導(dǎo)致天然氣管道失效的其他因素，腐蝕與設(shè)備沖擊的失效概率應(yīng)分別在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上放大1.5倍[15-17]。天然氣管道極端極限狀態(tài)下的總失效概率計(jì)算如下[18]：

式中PULS表示極端極限狀態(tài)失效概率，次/（kmga）；D表示天然氣管道的直徑，mm；PLL和PRU分別表示天然氣管道大孔泄漏失效概率和破裂失效概率，次/（kmga）。

腐蝕缺陷的尺寸是隨時(shí)間增長(zhǎng)的，腐蝕失效概率與時(shí)間具有相關(guān)性。第三方設(shè)備撞擊造成的失效概率與時(shí)間無(wú)關(guān)，天然氣管道的失效概率等于沖擊次數(shù)和每次沖擊造成的失效概率之積。天然氣管道腐蝕失效概率和第三方破壞失效概率分別使用加拿大C-FER公司PRISMTM軟件中的時(shí)間相關(guān)模型和時(shí)間無(wú)關(guān)模型進(jìn)行計(jì)算。

1.2 失效后果計(jì)算

失效后果模型考慮了在一定的泄漏頻率、泄漏量、立即點(diǎn)燃情景下，熱輻射引起天然氣管道周?chē)藛T傷亡的程度。據(jù)美國(guó)天然氣研究協(xié)會(huì)（Gas Research Institute，GRI）的研究成果，天然氣管道失效造成的人員傷亡與天然氣燃燒釋放的熱量有關(guān)。由于天然氣管道破裂的失效后果遠(yuǎn)大于天然氣管道泄漏的后果。因此天然氣管道破裂是失效后果的主要控制因素。根據(jù)Stephen等[19]建立的模型，危害區(qū)域假定為圓形（圖2）。圖2中兩個(gè)危害區(qū)域和相應(yīng)的半徑定義了對(duì)應(yīng)的熱強(qiáng)度（I）的上限、下限門(mén)檻值。上限門(mén)檻值確定的范圍內(nèi)，假定致死率是100%；在下限門(mén)檻值確定的范圍外，致死率是0。在這兩個(gè)門(mén)檻值之間，室外的致死率是50%，室內(nèi)的致死率是25%。天然氣管道破裂條件下的死亡人數(shù)表達(dá)為：

圖1 基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程圖

圖2 估計(jì)預(yù)期死亡人數(shù)的危害區(qū)域圖

由此得：

1.3 風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則

對(duì)于天然氣管道的風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，工程上較多地采用最低合理可行（As Low As Reasonably Practicable，ALARP）原則，ALARP原則認(rèn)為任何工業(yè)系統(tǒng)都存在風(fēng)險(xiǎn)，不可能通過(guò)預(yù)防措施徹底消除，當(dāng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)水平超低時(shí)，要進(jìn)一步降低就很困難，為此所花費(fèi)的成本往往呈上升趨勢(shì)，也可以表示為安全風(fēng)險(xiǎn)改進(jìn)措施投資的邊際效益遞減，趨于0，最終為負(fù)值。因此，必須在工業(yè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)水平和成本之間做出折衷[20-23]。

分別用個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)與社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)來(lái)衡量天然氣管道地區(qū)等級(jí)升級(jí)后的管道風(fēng)險(xiǎn)[24-26]。

1.3.1 個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)

個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)（rid）指在評(píng)價(jià)位置長(zhǎng)期生活工作、并未采取任何防護(hù)措施的人員遭受特定危害而死亡的概率?？梢园聪率接?jì)算：

式中P表示失效概率；Pi表示點(diǎn)燃概率；τ表示占用概率，取0.4；Lir表示相互作用長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度定義為事故有可能影響所考慮位置的管段長(zhǎng)度，m。Lir的計(jì)算方法參考圖3。

圖3 相互作用長(zhǎng)度計(jì)算示意圖

基于ALARP原則，根據(jù)SY/T 6859 2012《油氣輸送管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[27]，個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)分別以1h10－4和1h10－6為界分為不可接受區(qū)、可接受區(qū)（即最低合理可行區(qū)）和廣泛接受區(qū)。

1.3.2 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)用于描述事故發(fā)生的可能性和災(zāi)害導(dǎo)致人員傷亡數(shù)量之間的關(guān)系，或者解釋為每年每千米天然氣管道事故發(fā)生概率（F）和事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)（N）之間的關(guān)系。F表示極端極限狀態(tài)失效概率PULS。

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的ALARP準(zhǔn)則是建立在F N曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)F與N分析天然氣管道失效的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合SY/T 6859 2012《油氣輸送管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)曲線（F N曲線）如圖4所示。

2 地區(qū)等級(jí)升級(jí)地區(qū)應(yīng)用案例

某天然氣管道鋼管直徑為610 mm，直管段全部采用L415螺旋縫埋弧焊鋼管，設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa。在施工圖設(shè)計(jì)階段，該評(píng)價(jià)段管道所處地區(qū)等級(jí)為二級(jí)地區(qū)，鋼管設(shè)計(jì)壁厚為9.5 mm。評(píng)價(jià)段管道全部采用溝埋敷設(shè)，根據(jù)施工圖信息，評(píng)價(jià)段管道管頂平均埋深為1.5 m。目前，評(píng)價(jià)段管道兩側(cè)5 m間距處均建有兩排多層民房（圖5），人口密度與施工建設(shè)活動(dòng)增多，導(dǎo)致管段所處區(qū)域的地區(qū)等級(jí)升至三級(jí)地區(qū)。

圖4 天然氣管道失效的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.1 管段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)GB 32167 2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》[7]規(guī)定的潛在影響半徑計(jì)算方法，將該評(píng)價(jià)段的潛在影響范圍識(shí)別為圖6所示的矩形區(qū)域，評(píng)價(jià)段長(zhǎng)度為400 m，潛在影響半徑為153 m，潛在影響范圍面積約為0.124 km2。根據(jù)收集的潛在影響范圍內(nèi)人口數(shù)據(jù)，計(jì)算得到地區(qū)等級(jí)升級(jí)后人口密度為 1690 人 /km2。

圖5 評(píng)價(jià)段管道現(xiàn)場(chǎng)情況圖

圖6 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)管段的潛在影響區(qū)域圖

結(jié)合國(guó)內(nèi)的管材、焊接、腐蝕和運(yùn)行維護(hù)等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，建立參數(shù)的計(jì)算模型，選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù)及維修計(jì)劃等，利用軟件計(jì)算失效概率，計(jì)算模擬次數(shù)為1億次，假定管道設(shè)計(jì)壽命為30年，分別取30年模擬計(jì)算中外部腐蝕失效概率（圖7）和第三方破壞失效概率（圖8）的最大失效概率（大孔泄漏、管道破裂），計(jì)算得到的總失效概率為1.32h10－6（表1）。采用已有失效后果模型計(jì)算評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的預(yù)期死亡人數(shù)，結(jié)果為N=10人。

圖7 管道中外部腐蝕失效概率模擬計(jì)算結(jié)果圖

圖8 管道第三方破壞失效概率模擬計(jì)算結(jié)果圖

表1 失效概率計(jì)算結(jié)果表 次/（kmga）

采用已有模型，計(jì)算得到個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)為4.85h10－5，處于個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)可接受區(qū)；將計(jì)算所得的死亡人數(shù)和事故發(fā)生概率通過(guò)F N曲線進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（圖9）。由圖9可知，評(píng)價(jià)管段的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)位于F N曲線的不可接受區(qū)，說(shuō)明該管段所處地區(qū)等級(jí)升級(jí)后，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)水平略高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)減緩措施。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)管控措施

對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)水平高的天然氣管道，應(yīng)采取風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，并對(duì)采取措施后的工況再次進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，衡量不同措施之間的經(jīng)濟(jì)效益。常用的措施可為下列任意一種或幾種的組合形式：①增加第三方防護(hù)措施，選擇混凝土蓋板防護(hù)；②縮短內(nèi)檢測(cè)的時(shí)間間隔；③降低天然氣管道運(yùn)行壓力；④增加天然氣管道壁厚；⑤加大天然氣管道埋深；⑥改變天然氣管道路由等。

圖9 基于《油氣輸送管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的管道社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果圖

針對(duì)上述措施，分別對(duì)風(fēng)險(xiǎn)重新評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示選擇上述任意一種措施后，均能將社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受區(qū)范圍。但是考慮到縮短內(nèi)檢測(cè)間隔至每5年一次將大幅增加天然氣管道運(yùn)營(yíng)資金投入；降低天然氣管道運(yùn)行壓力可能影響到下游用戶的用氣需求、降低天然氣管道運(yùn)營(yíng)盈利；增加壁厚和加大埋深都將導(dǎo)致大量的工程投入和實(shí)施困難等，最終建議對(duì)該地區(qū)等級(jí)升級(jí)段采取增加混凝土蓋板進(jìn)行第三方防護(hù)的措施，以此保證該評(píng)價(jià)段天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)水平符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3 結(jié)論及建議

1）在役天然氣管道的地區(qū)等級(jí)升級(jí)導(dǎo)致原始的天然氣管道設(shè)計(jì)方案與目前現(xiàn)狀不匹配，存在天然氣管道失效風(fēng)險(xiǎn)隱患，定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)能夠準(zhǔn)確地量化和評(píng)價(jià)天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)，并有針對(duì)性地制訂風(fēng)險(xiǎn)管控措施，可以明確管控重點(diǎn)，降低管理成本。

2）基于可靠性的設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已建天然氣管道及其沿線相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，科學(xué)地進(jìn)行失效概率的定量計(jì)算，避免了傳統(tǒng)失效可能性計(jì)算過(guò)程中主觀因素的影響，使量化結(jié)果更加適用于天然氣管道的建設(shè)實(shí)際。

3）風(fēng)險(xiǎn)管控措施種類較多，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示需采取風(fēng)險(xiǎn)減緩措施的地區(qū)，應(yīng)分別針對(duì)特定風(fēng)險(xiǎn)管控措施的定量分析，在確定其有效性的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和可行性綜合確定風(fēng)險(xiǎn)減緩措施。

4）對(duì)于地區(qū)等級(jí)暫時(shí)未發(fā)生變化，但根據(jù)地區(qū)規(guī)劃等發(fā)展需求有可能導(dǎo)致地區(qū)等級(jí)升級(jí)的區(qū)域，可通過(guò)基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，確定其未來(lái)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)水平，并制訂相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防控措施。

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