地區等級升級后的天然氣管道定量風險評價技術

周亞薇 張振永 田姍姍

隨著我國社會經濟的迅速發展，不少天然氣管道沿線的建筑物和人口密度與建設初期相比均發生了較大變化，一些在役天然氣管道通過的地區逐漸由人口稀少的一級、二級地區發展成為人口密集的三級、四級地區。地區等級升級使得原先的天然氣管道設計方案與現狀不匹配，天然氣管道周邊人口密度顯著增加后，管道失效所帶來的失效后果將更加嚴重。同時，地區等級升級將導致由天然氣管道沿線人員活動、設備撞擊等所帶來的第三方破壞更加頻繁，管道的失效概率也隨之增長。因此，地區等級升級將導致天然氣管道失效風險（失效概率與失效后果的乘積）大幅度提升。為準確量化天然氣管道風險，有針對性地制訂風險管控措施，筆者提出了一套基于可靠性的定量風險評價流程；依據定量的失效概率與失效后果分析，對地區等級升級后的天然氣管道進行定量風險評價；進而通過個體風險和社會風險水平的判定來制訂風險管控措施[1-5]。

1 基于可靠性的定量風險評價

天然氣管道風險評價方法一般分為定性、半定量和定量評價等3種[6-8]。前二者簡單易用，但不能定量計算天然氣管道的失效概率、失效后果及風險，難以評判天然氣管道風險是否符合國家行業規定的風險可接受水平，也無法通過量化計算科學地確定天然氣管道風險管控措施。定量風險評價方法是天然氣管道風險評價的高級階段，它將天然氣管道的失效概率和失效后果進行定量計算，實現了對天然氣管道風險的精確描述[9]。根據失效概率的計算方法，定量風險評價可以分為基于失效統計的定量風險評價技術和基于可靠性的定量風險評價技術。

基于失效統計的定量風險評價技術通過對天然氣管道失效事故進行統計分析，建立基線失效概率，并根據待評價管道的實際情況分配不同的修正因子，以此來計算天然氣管道的失效概率[10]?；诳煽啃缘奶烊粴夤艿蓝匡L險評價技術基于可靠性的極限狀態方法，針對天然氣管道評價管段，通過分析天然氣管道沿線環境和天然氣管道荷載狀況，確定可能導致天然氣管道失效的主要極限狀態和狀態方程，采用應力—強度分布干涉理論計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、立即點燃情景下，熱輻射引起天然氣管道周圍人員傷亡的程度，從而定量計算天然氣管道的風險。

基于可靠性的定量風險評價方法工作流程（圖1），主要包括管段劃分、失效概率計算、失效后果計算、風險計算、風險評價和風險決策等。

1.1 失效概率計算

近年來，中國石油天然氣集團有限公司開展了天然氣管道基于可靠性的設計和評價方法研究，收集了國內近4h104km已建天然氣管道數據，構建了國內天然氣管道材料、施工和運行維護等變量參數數據庫，基于國內天然氣管道數據建立了天然氣管道基于可靠性的設計流程，并形成了相應的標準[10-14]。

根據建立的極限狀態方程，利用蒙特卡洛方法，對管道的極端極限狀態（大孔泄漏和破裂）進行模擬仿真計算，以此確定特定天然氣管道設計工況的失效概率。為了簡化分析，僅計算由腐蝕和第三方破壞導致的失效概率。根據國內外數據統計，腐蝕和第三方設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%。為了統籌考慮導致天然氣管道失效的其他因素，腐蝕與設備沖擊的失效概率應分別在計算結果的基礎上放大1.5倍[15-17]。天然氣管道極端極限狀態下的總失效概率計算如下[18]：

式中PULS表示極端極限狀態失效概率，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間增長的，腐蝕失效概率與時間具有相關性。第三方設備撞擊造成的失效概率與時間無關，天然氣管道的失效概率等于沖擊次數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軟件中的時間相關模型和時間無關模型進行計算。

1.2 失效后果計算

失效后果模型考慮了在一定的泄漏頻率、泄漏量、立即點燃情景下，熱輻射引起天然氣管道周圍人員傷亡的程度。據美國天然氣研究協會（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。由于天然氣管道破裂的失效后果遠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Stephen等[19]建立的模型，危害區域假定為圓形（圖2）。圖2中兩個危害區域和相應的半徑定義了對應的熱強度（I）的上限、下限門檻值。上限門檻值確定的范圍內，假定致死率是100%；在下限門檻值確定的范圍外，致死率是0。在這兩個門檻值之間，室外的致死率是50%，室內的致死率是25%。天然氣管道破裂條件下的死亡人數表達為：

圖1 基于可靠性的定量風險評價流程圖

圖2 估計預期死亡人數的危害區域圖

由此得：

1.3 風險可接受準則

對于天然氣管道的風險可接受準則，工程上較多地采用最低合理可行（As Low As Reasonably Practicable，ALARP）原則，ALARP原則認為任何工業系統都存在風險，不可能通過預防措施徹底消除，當系統的風險水平超低時，要進一步降低就很困難，為此所花費的成本往往呈上升趨勢，也可以表示為安全風險改進措施投資的邊際效益遞減，趨于0，最終為負值。因此，必須在工業系統的風險水平和成本之間做出折衷[20-23]。

分別用個體風險與社會風險來衡量天然氣管道地區等級升級后的管道風險[24-26]。

1.3.1 個體風險

個體風險（rid）指在評價位置長期生活工作、并未采取任何防護措施的人員遭受特定危害而死亡的概率?？梢园聪率接嬎悖?/p>

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

圖3 相互作用長度計算示意圖

基于ALARP原則，根據SY/T 6859 2012《油氣輸送管道風險評價導則》[27]，個體風險分別以1h10－4和1h10－6為界分為不可接受區、可接受區（即最低合理可行區）和廣泛接受區。

1.3.2 社會風險

社會風險用于描述事故發生的可能性和災害導致人員傷亡數量之間的關系，或者解釋為每年每千米天然氣管道事故發生概率（F）和事故導致的死亡人數（N）之間的關系。F表示極端極限狀態失效概率PULS。

社會風險的ALARP準則是建立在F N曲線的基礎上，根據F與N分析天然氣管道失效的社會風險。結合SY/T 6859 2012《油氣輸送管道風險評價導則》，社會風險可接受標準曲線（F N曲線）如圖4所示。

2 地區等級升級地區應用案例

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，設計壓力為6.3 MPa。在施工圖設計階段，該評價段管道所處地區等級為二級地區，鋼管設計壁厚為9.5 mm。評價段管道全部采用溝埋敷設，根據施工圖信息，評價段管道管頂平均埋深為1.5 m。目前，評價段管道兩側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活動增多，導致管段所處區域的地區等級升至三級地區。

圖4 天然氣管道失效的社會風險可接受標準曲線

2.1 管段風險評價

根據GB 32167 2015《油氣輸送管道完整性管理規范》[7]規定的潛在影響半徑計算方法，將該評價段的潛在影響范圍識別為圖6所示的矩形區域，評價段長度為400 m，潛在影響半徑為153 m，潛在影響范圍面積約為0.124 km2。根據收集的潛在影響范圍內人口數據，計算得到地區等級升級后人口密度為 1690 人 /km2。

圖5 評價段管道現場情況圖

圖6 風險評價管段的潛在影響區域圖

結合國內的管材、焊接、腐蝕和運行維護等數據的統計分析結果，建立參數的計算模型，選擇合適的設計參數及維修計劃等，利用軟件計算失效概率，計算模擬次數為1億次，假定管道設計壽命為30年，分別取30年模擬計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算評價范圍內的預期死亡人數，結果為N=10人。

圖7 管道中外部腐蝕失效概率模擬計算結果圖

圖8 管道第三方破壞失效概率模擬計算結果圖

表1 失效概率計算結果表 次/（kmga）

采用已有模型，計算得到個體風險為4.85h10－5，處于個體風險可接受區；將計算所得的死亡人數和事故發生概率通過F N曲線進行風險評價（圖9）。由圖9可知，評價管段的社會風險位于F N曲線的不可接受區，說明該管段所處地區等級升級后，社會風險水平略高于標準規定，需要采取相應的風險減緩措施。

2.2 風險管控措施

對于風險水平高的天然氣管道，應采取風險減緩措施，并對采取措施后的工況再次進行風險評價，衡量不同措施之間的經濟效益。常用的措施可為下列任意一種或幾種的組合形式：①增加第三方防護措施，選擇混凝土蓋板防護；②縮短內檢測的時間間隔；③降低天然氣管道運行壓力；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《油氣輸送管道風險評價導則》的管道社會風險評價結果圖

針對上述措施，分別對風險重新評價，結果顯示選擇上述任意一種措施后，均能將社會風險降低至可接受區范圍。但是考慮到縮短內檢測間隔至每5年一次將大幅增加天然氣管道運營資金投入；降低天然氣管道運行壓力可能影響到下游用戶的用氣需求、降低天然氣管道運營盈利；增加壁厚和加大埋深都將導致大量的工程投入和實施困難等，最終建議對該地區等級升級段采取增加混凝土蓋板進行第三方防護的措施，以此保證該評價段天然氣管道風險水平符合標準規定。

3 結論及建議

1）在役天然氣管道的地區等級升級導致原始的天然氣管道設計方案與目前現狀不匹配，存在天然氣管道失效風險隱患，定量風險評價技術能夠準確地量化和評價天然氣管道風險，并有針對性地制訂風險管控措施，可以明確管控重點，降低管理成本。

2）基于可靠性的設計方法通過對國內已建天然氣管道及其沿線相關數據的統計分析，科學地進行失效概率的定量計算，避免了傳統失效可能性計算過程中主觀因素的影響，使量化結果更加適用于天然氣管道的建設實際。

3）風險管控措施種類較多，依據風險可接受準則，對于風險評價結果顯示需采取風險減緩措施的地區，應分別針對特定風險管控措施的定量分析，在確定其有效性的基礎上，結合經濟性和可行性綜合確定風險減緩措施。

4）對于地區等級暫時未發生變化，但根據地區規劃等發展需求有可能導致地區等級升級的區域，可通過基于可靠性的定量風險評價技術，確定其未來可能出現的風險水平，并制訂相應的風險防控措施。

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