地區升級后輸氣管道定量風險評價與分析

韓帥，郭輝，李躍杰，梁昌晶

(1. 中油國際管道公司中緬油氣管道項目 曼德勒管理處，北京 100029；2. 中國石油華北油田公司 第一采油廠，河北 任丘 062552；3. 中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628000)

輸氣管道在可研和初級設計階段，通常會選擇人煙稀少、地勢開闊的區域，但伴隨城鎮化擴張和地方經濟的發展，管道周圍的建筑物、人口密度和商業活動不斷增多，原設計方案中的一、二級地區逐漸升級為三、四級地區，管道發生泄漏后的危險性大幅增加[1-2]。GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》中規定： 當地區發生規劃與初步設計階段設定的地區等級不一致時，應對地區等級進行完整性管理和風險評價，制定管控措施。但未明確具體相關作法，不具備可操作性[3-5]。因此，為定量分析輸氣管道地區等級升級后的風險，采用基于可靠性的定量風險評價技術，引入極限狀態函數計算失效概率，通過Stephens[6]危害模型計算因熱輻射造成的失效后果，并確定個體和社會風險的可接受準則判定管道安全狀態，有針對性地實施風險減緩措施，研究結果可為相關規范的更新提供理論依據和實際參考。

1 基于可靠性風險評價

1.1 失效概率計算

目前，對于失效概率的定量分析方法主要包括基于失效統計數據和基于可靠性的評價兩種。基于失效統計數據主要是通過統計腐蝕、穿孔等失效事件，參考國內外相關機構公布的基線失效概率，根據實際情況和風險狀況計算待評價管道的修正系數，從而得到失效概率。該方法最重要的是統計基線失效概率，目前中國在這方面的數據存在一定程度的缺失，定量分析結果可信度不高。基于可靠性的評價方法是通過收集待評價管道沿線環境數據和載荷狀況(包括內壓、外壓等)，根據應力-干涉原理建立管道極限狀態方程，計算管道失效概率。

經研究表明，管道失效按原因可分為腐蝕、第三方破壞、母材或焊縫失效、自然破壞和人員誤操作五個方面，其中因腐蝕和第三方破壞造成的管道失效次數約占總失效次數的60%～70%[7]。因此，為了簡化分析過程，僅計算腐蝕和第三方破壞造成的失效概率。采用蒙特卡洛方法計算管道極限狀態下的失效概率，極限狀態根據API581對管道泄漏孔徑的定義選取大孔泄漏和管道破裂兩種，計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：PULS——極限狀態下的總失效概率，次/(km·a)；D——管道外徑，mm；PLL——輸氣管道大孔泄漏時的失效概率，次/(km·a)；PRU——管道破裂時的失效概率，次/(km·a)。

腐蝕缺陷的發展與時間相關，而第三方破壞與時間無關，因此腐蝕和第三方破壞的失效概率分別采用PRISM軟件中時間序列和非時間序列函數計算。

1.2 失效后果計算

輸氣管道按照泄漏介質是否被點燃以及點燃是否延遲，分為蒸氣云擴散、噴射火、閃火、閃燃等危害形式，其中人員傷亡主要與天然氣泄漏后產生的熱輻射相關。Stephens等提出了危害模型，該模型根據危害區域半徑定義熱輻射傷害的上限閾值，如圖1所示。其中，外圓以外即熱輻射下限閾值定義為死亡率0，內圓以內即熱輻射上限閾值定義為死亡率100%，在2個同心圓中間區域部分分為室內和室外兩種情況，室內死亡率為20%，室外死亡率為50%。由此計算管道失效狀態下的死亡人數N如式(2)～(4)所示：

圖1 Stephens危害模型示意

(2)

(3)

γ=4.92×10-4D

(4)

式中：γ——管道泄漏后被點燃的概率；ρ——平均人口密度，人/km2，根據潛在影響半徑、潛在影響范圍和人口統計數據確定；τ——管道失效發生后，人員出現在潛在影響范圍內的概率，根據美國管道及危險物品安全管理局(PHMSA)的數據取0.4；Pin，Pout——管道敷設路徑沿線范圍內人員在室內和室外的時間比例，根據對國內輸氣管道沿線人員密度和活動范圍調研，室內、室外時間占比分別取0.8和0.2；rin0，rin100——室內熱輻射強度危害半徑的上、下閾值，m；rout0，rout100——室外熱輻射強度危害半徑的上、下閾值，m；I——熱輻射強度的閾值，kW/m2；p——管道運行壓力，MPa。

2 風險管控原則

輸氣管道風險管控主要遵循ALARP原則[8]。ALARP原則認為任何設備及工業系統都存在一定風險，如想將風險降到很低的狀態，需投資的邊際效益會迅速遞減，故需在成本和風險水平之間做出折中選擇。ALARP原則將風險分為3個區域，分別為不可接受區、合理可行區和可接受區，如風險落在不可接受區，應立即采取風險減緩相關措施；如落在合理可行區，應對減緩措施花費的成本和效益之間進行平衡；如落在可接受區，應保持現狀并加強監控力度，無需采取任何措施。

采用個人風險rid和社會風險衡量輸氣管道地區等級升級后的風險值。rid是指在特定位置遭受特定危害而死亡的概率，計算公式如式(5)所示：

(5)

式中：Y——泄漏后事故后果發生的概率；l——臨界失效點距離管道中心點的距離。L——管道長度。

社會風險采用F-N曲線，根據PULS和N之間的關系確定社會風險。

個人風險和社會風險均參照SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風險評價導則》和《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》(2011年國家安全生產監督管理總局第40號文)中推薦的風險標準，個人風險準則見表1所列，社會風險準則如圖2所示。

表1 個人風險準則

圖2 社會風險準則示意

3 實例分析

某輸氣管道管徑為323 mm，設計壁厚為6.3 mm，防腐層采用3PE，補口處采用交聯聚乙烯膠帶，在設計初期沿管道中心線100 m范圍內的戶數在15戶以下，為一級二類地區，經過城市規劃，管道中心線兩側建設了學校、醫院、安置房小區等，影響范圍內的戶數大幅提高，地區等級升為三級。根據地區等級劃分原則，升級后平均人口密度為2 470人/km2。

根據管道制管、成管、焊接、運行、維護、檢修等相關資料，建立極限狀態函數模型，采用Matlab模擬計算，預計管道壽命為30 a，得到腐蝕和第三方破壞分別在大孔泄漏和管道破裂兩種條件下的失效概率，由于腐蝕缺陷的發展與時間相關，保守情況下腐蝕失效概率取30 a中的最大值。為綜合考慮其他失效原因造成的管道失效，在計算大孔泄漏和管道破裂失效概率時，取最大腐蝕失效概率和第三方破壞失效概率之和的1.5倍，PULS按照式(1)計算，結果見表2所列。

表2 總失效概率結果匯總 次/(km·a)

根據式(5)計算地區等級升級后的個人風險，如圖3所示。隨著目標與管道距離的增加，個人風險值逐漸降低，最大個人風險值為1.13×10-5，在合理可行區的范圍內。根據式(2)～(4)計算地區等級升級后的影響范圍內死亡人數為12人，對照圖1，社會風險值落在可接受區，但與合理可行區和可接受區的邊界線距離較近，應采取一定減緩措施，如圖4所示。

圖3 地區升級后的個人風險值示意

圖4 地區升級后的社會風險值示意

針對風險評價結果，可采用以下措施進行減緩： 對升級地區內的管道換線；縮短內檢測周期；降低最大運行壓力；增加管道壁厚；加大管道埋深；增加第三方防護措施，架設水泥蓋板或蓋板涵洞。

針對以上措施重新評價風險，顯示無論采用哪一種方式，均會降低個人風險和社會風險到可接受區。但綜合考慮經濟效益，其中管道換線需要將廢棄管道進行充填處置，且需要重新規劃、設計和土地審批，費用最高；縮短內檢測周期將大幅增加運行費用和堵管風險；降低最大運行壓力對于下游分輸站及用戶的影響較大，影響供氣穩定；增加壁厚和加大埋深均需要涉及管道重新開挖，對于人員密集區域難度較大。最終，確定采用蓋板方式進行第三方防護，保證管道在受車輛、人員碾壓的情況下不發生變形。

4 結束語

1)采用蒙特卡洛方法計算管道極限狀態下的失效概率，通過Stephens危害模型計算因熱輻射造成的失效后果，并研究了個人風險和社會風險的可接受準則。

2)通過經濟性和可行性分析，采取有效的風險減緩措施，提供了一套完整用于地區等級升級后的定量風險評價技術。

3)對于地區等級尚未升級的區域，應密切結合地區規劃局、土地局的相關部署，確定未來可能升級的區域，提前部署風險減緩措施，提高風險管控水平。