周亞薇 張振永 田姍姍

隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(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的地區(qū)逐漸由人口稀少的一級、二級地區(qū)發(fā)展成為人口密集的三級、四級地區(qū)。地區(qū)等級升級使得原先的天然氣管道設(shè)計方案與現(xiàn)狀不匹配，天然氣管道周邊人口密度顯著增加后，管道失效所帶來的失效后果將更加嚴(yán)重。同時，地區(qū)等級升級將導(dǎo)致由天然氣管道沿線人員活動、設(shè)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(qū)等級升級將導(dǎo)致天然氣管道失效風(fēng)險（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，有針對性地制訂風(fēng)險管控措施，筆者提出了一套基于可靠性的定量風(fēng)險評價流程；依據(jù)定量的失效概率與失效后果分析，對地區(qū)等級升級后的天然氣管道進行定量風(fēng)險評價；進而通過個體風(fēng)險和社會風(fēng)險水平的判定來制訂風(fēng)險管控措施[1-5]。

1 基于可靠性的定量風(fēng)險評價

天然氣管道風(fēng)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(fēng)險，難以評判天然氣管道風(fēng)險是否符合國家行業(yè)規(guī)定的風(fēng)險可接受水平，也無法通過量化計算科學(xué)地確定天然氣管道風(fēng)險管控措施。定量風(fēng)險評價方法是天然氣管道風(fēng)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(xiàn)了對天然氣管道風(fēng)險的精確描述[9]。根據(jù)失效概率的計算方法，定量風(fēng)險評價可以分為基于失效統(tǒng)計的定量風(fēng)險評價技術(shù)和基于可靠性的定量風(fēng)險評價技術(shù)。

基于失效統(tǒng)計的定量風(fēng)險評價技術(shù)通過對天然氣管道失效事故進行統(tǒng)計分析，建立基線失效概率，并根據(jù)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]。基于可靠性的天然氣管道定量風(fēng)險評價技術(shù)基于可靠性的極限狀態(tài)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(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(fēng)險。

基于可靠性的定量風(fēng)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(fēng)險計算、風(fēng)險評價和風(fēng)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(shè)計和評價方法研究，收集了國內(nèi)近4h104km已建天然氣管道數(shù)據(jù)，構(gòu)建了國內(nèi)天然氣管道材料、施工和運行維護等變量參數(shù)數(shù)據(jù)庫，基于國內(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，對管道的極端極限狀態(tài)（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(shè)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(dǎo)致的失效概率。根據(jù)國內(nèi)外數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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間增長的，腐蝕失效概率與時間具有相關(guān)性。第三方設(shè)備撞擊造成的失效概率與時間無關(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軟件中的時間相關(guān)模型和時間無關(guān)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(jù)美國天然氣研究協(xié)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(guān)。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(jù)Stephen等[19]建立的模型，危害區(qū)域假定為圓形（圖2）。圖2中兩個危害區(qū)域和相應(yīng)的半徑定義了對應(yīng)的熱強度（I）的上限、下限門檻值。上限門檻值確定的范圍內(nèi)，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(nèi)的致死率是25%。天然氣管道破裂條件下的死亡人數(shù)表達為：

圖1 基于可靠性的定量風(fēng)險評價流程圖

圖2 估計預(yù)期死亡人數(shù)的危害區(qū)域圖

由此得：

1.3 風(fēng)險可接受準(zhǔn)則

對于天然氣管道的風(fēng)險可接受準(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，不可能通過預(yù)防措施徹底消除，當(dāng)系統(tǒng)的風(fēng)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(fēng)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(yè)系統(tǒng)的風(fēng)險水平和成本之間做出折衷[20-23]。

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

1.3.1 個體風(fēng)險

個體風(fēng)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(jù)SY/T 6859 2012《油氣輸送管道風(fēng)險評價導(dǎo)則》[27]，個體風(fēng)險分別以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 社會風(fēng)險

社會風(fēng)險用于描述事故發(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。

社會風(fēng)險的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風(fēng)險。結(jié)合SY/T 6859 2012《油氣輸送管道風(fēng)險評價導(dǎo)則》，社會風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)曲線（F N曲線）如圖4所示。

2 地區(qū)等級升級地區(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)計壓力為6.3 MPa。在施工圖設(shè)計階段，該評價段管道所處地區(qū)等級為二級地區(qū)，鋼管設(shè)計壁厚為9.5 mm。評價段管道全部采用溝埋敷設(shè)，根據(jù)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(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)活動增多，導(dǎo)致管段所處區(qū)域的地區(qū)等級升至三級地區(qū)。

圖4 天然氣管道失效的社會風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.1 管段風(fēng)險評價

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(qū)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(jù)收集的潛在影響范圍內(nèi)人口數(shù)據(jù)，計算得到地區(qū)等級升級后人口密度為 1690 人 /km2。

圖5 評價段管道現(xiàn)場情況圖

圖6 風(fēng)險評價管段的潛在影響區(qū)域圖

結(jié)合國內(nèi)的管材、焊接、腐蝕和運行維護等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，建立參數(shù)的計算模型，選擇合適的設(shè)計參數(shù)及維修計劃等，利用軟件計算失效概率，計算模擬次數(shù)為1億次，假定管道設(shè)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(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算結(jié)果圖

圖8 管道第三方破壞失效概率模擬計算結(jié)果圖

表1 失效概率計算結(jié)果表 次/（kmga）

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

2.2 風(fēng)險管控措施

對于風(fēng)險水平高的天然氣管道，應(yīng)采取風(fēng)險減緩措施，并對采取措施后的工況再次進行風(fēng)險評價，衡量不同措施之間的經(jīng)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(nèi)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(fēng)險評價導(dǎo)則》的管道社會風(fēng)險評價結(jié)果圖

針對上述措施，分別對風(fēng)險重新評價，結(jié)果顯示選擇上述任意一種措施后，均能將社會風(fēng)險降低至可接受區(qū)范圍。但是考慮到縮短內(nèi)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(dǎo)致大量的工程投入和實施困難等，最終建議對該地區(qū)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(fēng)險水平符合標(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)等級升級導(dǎo)致原始的天然氣管道設(shè)計方案與目前現(xiàn)狀不匹配，存在天然氣管道失效風(fēng)險隱患，定量風(fēng)險評價技術(shù)能夠準(zhǔn)確地量化和評價天然氣管道風(fēng)險，并有針對性地制訂風(fēng)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(shè)計方法通過對國內(nèi)已建天然氣管道及其沿線相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，科學(xué)地進行失效概率的定量計算，避免了傳統(tǒng)失效可能性計算過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)實際。

3）風(fēng)險管控措施種類較多，依據(jù)風(fēng)險可接受準(zhǔn)則，對于風(fēng)險評價結(jié)果顯示需采取風(fēng)險減緩措施的地區(qū)，應(yīng)分別針對特定風(fēng)險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)濟性和可行性綜合確定風(fēng)險減緩措施。

4）對于地區(qū)等級暫時未發(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)等級升級的區(qū)域，可通過基于可靠性的定量風(fēng)險評價技術(shù)，確定其未來可能出現(xiàn)的風(fēng)險水平，并制訂相應(yīng)的風(fēng)險防控措施。

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