輸油管道改線工程風險評估應用實例

張海營, 趙向南, 廉 爽, 張景飛

(1. 河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院， 鄭州 450016；2. 鄭州大學 力學與工程科學學院， 鄭州 450001)

近年來，作為重要傳輸系統，管道隨著國內油氣資源開發的不斷深入，其鋪設里程逐年遞增[1]。管道在設計建設時，通常會避開人口密度大、施工作業頻繁的地區，但隨著城市建設，管道沿線的建筑物和人口密度均發生了較大變化，原管道設計方案已不能滿足安全需要，為了不影響城市的發展規劃，會依據GB 50253—2014《輸油管道工程設計規范》對相應管道進行改線建設。

目前在管道風險評估中，大多采用定性[2-12]或半定量[13-22]的評估方法對正常管道進行風險評估，而對改線管道風險評估的相關研究較少。管道改線區域集中了大量人口及重要設施，環境十分復雜，一旦管道失效泄漏，將危及公眾安全，對財產、環境造成較大破壞。因此，對管道改線工程進行風險評估研究具有重要意義。

筆者通過分析辨識改線區域高后果區(HCAs)的嚴重程度，改線區域引起管道失效的風險因素，以及管道失效后可能造成的嚴重后果，并結合工程實例，提出了針對性的防控措施，為管道后期安全運營維護提供依據。

1 高后果區分析

依據GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》和《管道高后果區識別規程》，將管道HCAs劃分為3類[15]：人口密集區、基礎設施區、環境敏感區。

1.1 量化評估模型

HCAs的嚴重程度可從3個方面考評：①危害受體的屬性，即管道泄漏可能危及到的目標物的自身屬性；②危害受體與管道的距離，通常情況下距管道越近，目標物受到的影響越大；③一個HCAs內可能同時存在多種危害受體，其嚴重程度應綜合考慮。鑒于此，HCAs評估模型為

(1)

式中：H為HCAs評分；i為HCAs類型；A和C為HCAs的類型；j為各類HCAs的識別規則；n為識別規則的數量；Pij為i類型HCAs在j類識別規則下危害受體的屬性評分；Sij為i類型HCAs在j類識別規則下危害受體的距離評分。

通過式(1)對HCAs進行量化評估，評分越高則危害程度越嚴重。依據評估結果，對HCAs進行排序，并按分值高低劃分為3個級別：Ⅲ級 (嚴重)、 Ⅱ級(較重)、Ⅰ級 (一般)，為后續管道管理提供依據。

1.2 HCAs識別及分析

對某成品油管道一站區開展HCAs識別及分析，如圖1所示，管道總長度4.1 km，共辨識出12處HCAs，其中6處HCAs內人口密集和重要設施類型共存，1處HCAs內重要設施和環境敏感類型并存，其余5處為單一類型。按類型統計，人口密集區占42%，重要設施區占42%，環境敏感區占16%。

按評分高低對HCAs進行排序，并將其劃分為3個等級。12處HCAs中，Ⅲ級、分值大于400的共3處，其中2處以人口密集區為主，分布有重要設施，且距離管道較近，另1處以重要設施區為主，并分布有河流等環境敏感因素，距離管道較近。Ⅱ級、分值200～400的共10處，其中4處人口密集和重要設施共存，其余5處為單一HCAs。

HCAs的01～04號為改線區段，01號經過一處村莊，在兩側200 m范圍內，管道西側有6棟26層安置房，管道東側為交通主干道，距離管道較近，高后果區長度500 m，該HCAs的綜合評分值為420分，地區等級為Ⅲ級，人口密集區和重要設施兩個因素同時存在，管道泄漏起火、爆炸可能造成大面積人員傷亡和財產損失，并可能導致公路破壞。02～04號在管道兩側200 m的范圍內都有超過50戶居民的村莊，在管道50 m內有公路、通信光纜管線、污水管道等，人口密集和重要設施并存，等級均為Ⅱ級。

圖1 HCAs識別結果Fig.1 HCAs recognition results

2 管道失效風險評估

2.1 管道失效可能性分析

基于《管道風險管理指南》構建埋地輸油管道失效可能性評價指標體系，如圖2所示[23]。其中一級指標5個，二級指標20個，然后進一步量化底層指標并制定相應的評分標準，底層指標的分值論域為[0,10]，分值越高則表示指標安全性越好。

圖2 埋地輸油管道失效可能性評估指標體系Fig.2 Evaluation index system of failure probability for buried pipelines

2.1.1 指標權重計算

首先通過模糊分析法(FAHP)主觀賦權[11]，確定各指標主觀權重，然后基于熵權法確定客觀權重[10]，再通過基于博弈論的組合賦權方法，確定組合權重，以尋求最優的權重方案，降低主觀隨意性，增加客觀依據，確保評價結果更加客觀。

基于博弈論的組合賦權方法的主要目的是為了使各基本權重方案與理想權重的偏差和最小化，最大程度保留各權重方案反映的信息[8]。

2.1.2 風險等級劃分

完成所有底層指標的分值評價之后，根據綜合權重，即可得到管道的相對風險值R

(2)

式中：uij為一級指標ui中的第j個底層指標的權重值；Fij為ui的第j個底層指標的評分值；m為ui的底層指標總數。

相對風險值R總體上反映了管道的安全狀況，借鑒文獻[24]中的風險等級劃分原則，將管道風險分為5個等級，管道風險評估等級及意義見表1。

表1 管道風險評估等級Tab.1 Grade of pipeline risk assessment

2.2 管道失效后果分析

管道失效可能引起管道泄漏，埋地輸油管道一旦發生泄漏，假設管道泄漏口位于管道正上方，由文獻[19]可知油品泄漏后，受到毛細管力、黏性阻力及慣性阻力的作用且泄漏口處存在一定壓力，因此油品向上泄漏，隨泄漏量增加，油品滲透到地面后油品的上表面沒有了黏性阻力及慣性阻力的作用，此時油品在其流動性及表面土壤的毛細管力作用下，迅速向四周擴散，范圍不斷增大形成油池，在此過程中油品將會持續地蒸發到大氣中。而油蒸氣在地面上的擴散會受到風速以及風向的影響，在擴散過程中若有點火源存在，會導致事故的發生，且油品蒸發過程中產生的有毒氣體也會逐漸在空氣中擴散，造成大氣污染。因此，一旦發現管道泄漏，應迅速通過挖儲油池或一些隔離措施防止油品擴散。

由于管道發生泄漏以自由泄流為主，因此在空間直角坐標系下采用標準κ(湍流動能)-ε(湍流耗散率)湍流模型進行數值模擬[21]。通過CFD仿真軟件模擬油蒸汽在管道泄漏后的擴散趨勢，分析泄漏事故后果影響范圍，制定合理防護及救援措施。

3 實例分析

3.1 改線管道基本情況

某成品油管道改線工程，改線段總長度約3 km，管道設計壓力6.4 MPa，采用L360M直縫電阻焊鋼管，管道規格φ273.1 mm×6.4 mm，外防腐層采用環氧粉末，陰極保護采用外加強制電流。由于市政規劃某國道東移改建施工，道路改造后將會占壓部分成品油管道，存在安全隱患，因此對管段進行改線。

管道改線工程周邊為城市主干道，人員、車輛及施工建設頻繁，嚴重威脅管道安全運行，一旦引起管道失效泄漏，后果將十分嚴重。通過對該改線工程進行風險評估，分析管道失效可能性以及失效后果，并提出了防控措施，以有利于管道后期安全運營維護以及道路施工工程的順利進行和安全建設。

3.2 失效可能性分析

圖1中01～04號HCAs為這一改線工程的范圍。對管道改線范圍內HCAs進行管道劃分得到3個管段，對這3段管道的20項底層指標進行分值評價，再確定二級指標的FAHP權重、熵權及基于博弈論的組合權重，結果見表2。

由表2可知，從一級指標的權重分布來看，管道第3方破壞因素指標占38.44%，腐蝕因素指標占28.42%；從3個管段的腐蝕情況來看，管段2的腐蝕性高于管段1和管段3的腐蝕性，得分較低，3個管段的第3方破壞情況相差不大，但都存在地上活動頻繁、違章占壓以及巡線頻率低等情況，管道的腐蝕因素和第3方破壞兩方面因素應作為管道安全保護的工作重點。

結合式(2)和表2可得管段1的風險值為79.48，管段3的風險值為74.61，風險等級均為“較低”，僅需進一步鞏固即可，管段2的風險值為63.73，處于“中等”的風險水平，應在嚴格監控下運行。

表2 各指標的評價分值及權重Tab.2 Evaluation value and weight of eachindexs

3.3 失效后果分析

利用CFD仿真軟件模擬了管道泄漏后油蒸氣的擴散，初步設定地面油池寬度5 m，壓力按最危險條件設定，采用標準κ-ε湍流模型進行模擬，邊界條件為空氣速度入口，油蒸氣擴散入口，自由出流。計算模型整體網格見圖3，x-y面表示油蒸氣在空氣中的擴散范圍，x-z面表示油蒸氣在地面上的擴散范圍。

問題計算基于常年風向(東南風、西北風)及風速特征進行分析，選擇一般(1 m·s-1)和危險條件(10 m·s-1)下，管道泄漏后油蒸氣擴散過程進行計算。

從圖4油蒸氣擴散云圖結果可以看出，風向決定了油蒸氣擴散方向，而風速的大小影響了油氣垂直風向的擴散范圍以及擴散的高度。在一般(1 m·s-1)風速條件時，油蒸氣擴散范圍較小，高含量區域相對擴散區域來說面積較大；隨著風速的增大(10 m·s-1)，油蒸氣擴散范圍變大而含量呈現出減小的趨勢，高含量區域相對面積縮小。分析認為：當風速越大，風對油蒸汽的輸送作用越顯著；風速越大，大氣越不穩定，湍流擴散作用增大，空氣稀釋油蒸氣的速度增大，所以油蒸氣擴散范圍變大而濃度降低。

圖3 模型整體網格示意圖Fig.3 Global mesh diagram of the model

圖4 不同情況下油蒸氣的擴散云圖Fig.4 Diffusion nephogram of oil vapor under different conditions: a) 1 m·s-1, northwest wind; b) 1 m·s-1, southeast wind; c) 10 m·s-1, northwest wind; d) 10 m·s-1, southeast wind

3.4 防控措施

(1) 依據管道改線現場識別和分級結果， 01號為Ⅲ級HCAs區，人口密集和重要設施并存;在改線過程中:①與地方政府部門溝通，加大對管道保護法及管道安全知識的宣傳力度，并請城市管理部門協助HCAs 的日常管理；②加強HCAs 管道安全警示；③制定檢測評價計劃，列入重點整治管段并持續跟蹤；④對于地下隱蔽設施、其他光纜管線等，勘察掌握其詳細信息，施工時注意，以防造成對其他管線的損傷。02～04號3處Ⅱ級HCAs區，應制定風險評價和檢驗檢測計劃，加強日常巡護和安全宣傳。

(2) 加強風險防控，提升管道本質安全。在改線過程中：①規劃階段對管道環境進行全面調研，尤其應充分考慮城市發展速度；②設計階段嚴格執行國家、行業相關法規標準，做好管道陰極保護設計；③施工階段，提升焊接質量，對于焊縫內部質量，采用100%超聲波檢測和100%射線檢測，避免出現氣孔、未焊透、延遲性裂紋等焊縫缺陷問題；④與特種設備監管、檢驗部門相結合，定期對管道進行基于風險的檢驗，不斷完善提升管道運行管理水平。

(3) 針對3個管段失效的主要影響因素：①對于違規占壓或安全距離不足等情況，聯合城市管理部門予以清除；②增加巡線頻次，加大對第三方施工、蓄意破壞等外部干擾活動的防治力度；③改線過程中，定期對管道本體進行檢測，及時對管道風險進行治理，確保風險可控；④針對城鎮熱力、燃氣、電力等基礎設施，與其隸屬部門，加強溝通，建立信息互通機制，提前做好事故應急預案。

(4) 管段2得分較低，失效可能性較大。①識別和評估重大危險源，在進行風險分析和應急能力分析的基礎上，制定《應急預案》；②若一旦發生泄漏，立即疏散人員、封閉現場，并設置警示標識，關閉附近所有的火源，避免發生二次事故；③查明管道周圍情況，制定有針對性的搶修方案，避免發生連鎖效應產生次生事故；④對于泄漏反沖到路面的情況，采用鼓風機等強制通風方式降低油蒸氣濃度，防止造成中毒及遇明火發生爆炸的情況出現。

4 結論

(1) 通過對管道改線工程HCAs的識別和量化評估，對HCAs進行排序和等級劃分，明確了造成管道HCAs的原因及主要特征因素。

(2) 針對埋地輸油管道失效可能性評估指標體系，采用FAHP確定各指標主觀權重，熵權法確定客觀權重，引入基于博弈論的組合賦權方法，確定組合權重，得出管道改線工程第3方破壞因素指標占38.44%，腐蝕因素指標占28.42%，是管道失效的主要原因，在第3方破壞中地上活動頻繁、違章占壓以及巡線頻率低占主要因素，管段2的風險值為63.73，處于“中等”的風險水平，應在嚴格監控下運行，以防造成管段失效。

(3) 模擬分析管道失效泄漏時，分別模擬油蒸氣在1 m·s-1和10 m·s-1情況下的擴散情況，風向是導致油蒸氣擴散方向的決定性因素，隨著風速增大油蒸氣擴散范圍變大而含量變少。