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(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院, 鄭州 450001)
近年來,作為重要傳輸系統(tǒng),管道隨著國內(nèi)油氣資源開發(fā)的不斷深入,其鋪設(shè)里程逐年遞增[1]。管道在設(shè)計建設(shè)時,通常會避開人口密度大、施工作業(yè)頻繁的地區(qū),但隨著城市建設(shè),管道沿線的建筑物和人口密度均發(fā)生了較大變化,原管道設(shè)計方案已不能滿足安全需要,為了不影響城市的發(fā)展規(guī)劃,會依據(jù)GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》對相應(yīng)管道進行改線建設(shè)。
目前在管道風(fēng)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(fēng)險評估,而對改線管道風(fēng)險評估的相關(guān)研究較少。管道改線區(qū)域集中了大量人口及重要設(shè)施,環(huán)境十分復(fù)雜,一旦管道失效泄漏,將危及公眾安全,對財產(chǎn)、環(huán)境造成較大破壞。因此,對管道改線工程進行風(fēng)險評估研究具有重要意義。
筆者通過分析辨識改線區(qū)域高后果區(qū)(HCAs)的嚴(yán)重程度,改線區(qū)域引起管道失效的風(fēng)險因素,以及管道失效后可能造成的嚴(yán)重后果,并結(jié)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(jù)。
依據(jù)GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》和《管道高后果區(qū)識別規(guī)程》,將管道HCAs劃分為3類[15]:人口密集區(qū)、基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)。
HCAs的嚴(yán)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(biāo)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(biāo)物受到的影響越大;③一個HCAs內(nèi)可能同時存在多種危害受體,其嚴(yán)重程度應(yīng)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(guī)則;n為識別規(guī)則的數(shù)量;Pij為i類型HCAs在j類識別規(guī)則下危害受體的屬性評分;Sij為i類型HCAs在j類識別規(guī)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(yán)重。依據(jù)評估結(jié)果,對HCAs進行排序,并按分值高低劃分為3個級別:Ⅲ級 (嚴(yán)重)、 Ⅱ級(較重)、Ⅰ級 (一般),為后續(xù)管道管理提供依據(jù)。
對某成品油管道一站區(qū)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(nèi)人口密集和重要設(shè)施類型共存,1處HCAs內(nèi)重要設(shè)施和環(huán)境敏感類型并存,其余5處為單一類型。按類型統(tǒng)計,人口密集區(qū)占42%,重要設(shè)施區(qū)占42%,環(huán)境敏感區(qū)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(qū)為主,分布有重要設(shè)施,且距離管道較近,另1處以重要設(shè)施區(qū)為主,并分布有河流等環(huán)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(shè)施共存,其余5處為單一HCAs。
HCAs的01~04號為改線區(qū)段,01號經(jīng)過一處村莊,在兩側(cè)200 m范圍內(nèi),管道西側(cè)有6棟26層安置房,管道東側(cè)為交通主干道,距離管道較近,高后果區(qū)長度500 m,該HCAs的綜合評分值為420分,地區(qū)等級為Ⅲ級,人口密集區(qū)和重要設(shè)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(chǎn)損失,并可能導(dǎo)致公路破壞。02~04號在管道兩側(cè)200 m的范圍內(nèi)都有超過50戶居民的村莊,在管道50 m內(nèi)有公路、通信光纜管線、污水管道等,人口密集和重要設(shè)施并存,等級均為Ⅱ級。
圖1 HCAs識別結(jié)果Fig.1 HCAs recognition results
基于《管道風(fēng)險管理指南》構(gòu)建埋地輸油管道失效可能性評價指標(biāo)體系,如圖2所示[23]。其中一級指標(biāo)5個,二級指標(biāo)20個,然后進一步量化底層指標(biāo)并制定相應(yīng)的評分標(biāo)準(zhǔn),底層指標(biāo)的分值論域為[0,10],分值越高則表示指標(biāo)安全性越好。
圖2 埋地輸油管道失效可能性評估指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system of failure probability for buried pipelines
2.1.1 指標(biāo)權(quán)重計算
首先通過模糊分析法(FAHP)主觀賦權(quán)[11],確定各指標(biāo)主觀權(quán)重,然后基于熵權(quán)法確定客觀權(quán)重[10],再通過基于博弈論的組合賦權(quán)方法,確定組合權(quán)重,以尋求最優(yōu)的權(quán)重方案,降低主觀隨意性,增加客觀依據(jù),確保評價結(jié)果更加客觀。
基于博弈論的組合賦權(quán)方法的主要目的是為了使各基本權(quán)重方案與理想權(quán)重的偏差和最小化,最大程度保留各權(quán)重方案反映的信息[8]。
2.1.2 風(fēng)險等級劃分
完成所有底層指標(biāo)的分值評價之后,根據(jù)綜合權(quán)重,即可得到管道的相對風(fēng)險值R
(2)
式中:uij為一級指標(biāo)ui中的第j個底層指標(biāo)的權(quán)重值;Fij為ui的第j個底層指標(biāo)的評分值;m為ui的底層指標(biāo)總數(shù)。
相對風(fēng)險值R總體上反映了管道的安全狀況,借鑒文獻[24]中的風(fēng)險等級劃分原則,將管道風(fēng)險分為5個等級,管道風(fēng)險評估等級及意義見表1。
表1 管道風(fēng)險評估等級Tab.1 Grade of pipeline risk assessment
管道失效可能引起管道泄漏,埋地輸油管道一旦發(fā)生泄漏,假設(shè)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(xì)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(xì)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(xù)地蒸發(fā)到大氣中。而油蒸氣在地面上的擴散會受到風(fēng)速以及風(fēng)向的影響,在擴散過程中若有點火源存在,會導(dǎo)致事故的發(fā)生,且油品蒸發(fā)過程中產(chǎn)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(fā)現(xiàn)管道泄漏,應(yīng)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(fā)生泄漏以自由泄流為主,因此在空間直角坐標(biāo)系下采用標(biāo)準(zhǔn)κ(湍流動能)-ε(湍流耗散率)湍流模型進行數(shù)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。
某成品油管道改線工程,改線段總長度約3 km,管道設(shè)計壓力6.4 MPa,采用L360M直縫電阻焊鋼管,管道規(guī)格φ273.1 mm×6.4 mm,外防腐層采用環(huán)氧粉末,陰極保護采用外加強制電流。由于市政規(guī)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(shè)頻繁,嚴(yán)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(yán)重。通過對該改線工程進行風(fēng)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(shè)。
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(nèi)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(biāo)進行分值評價,再確定二級指標(biāo)的FAHP權(quán)重、熵權(quán)及基于博弈論的組合權(quán)重,結(jié)果見表2。
由表2可知,從一級指標(biāo)的權(quán)重分布來看,管道第3方破壞因素指標(biāo)占38.44%,腐蝕因素指標(biāo)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(yīng)作為管道安全保護的工作重點。
結(jié)合式(2)和表2可得管段1的風(fēng)險值為79.48,管段3的風(fēng)險值為74.61,風(fēng)險等級均為“較低”,僅需進一步鞏固即可,管段2的風(fēng)險值為63.73,處于“中等”的風(fēng)險水平,應(yīng)在嚴(yán)格監(jiān)控下運行。
表2 各指標(biāo)的評價分值及權(quán)重Tab.2 Evaluation value and weight of eachindexs
利用CFD仿真軟件模擬了管道泄漏后油蒸氣的擴散,初步設(shè)定地面油池寬度5 m,壓力按最危險條件設(shè)定,采用標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)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(fēng)向(東南風(fēng)、西北風(fēng))及風(fēng)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(jié)果可以看出,風(fēng)向決定了油蒸氣擴散方向,而風(fēng)速的大小影響了油氣垂直風(fēng)向的擴散范圍以及擴散的高度。在一般(1 m·s-1)風(fēng)速條件時,油蒸氣擴散范圍較小,高含量區(qū)域相對擴散區(qū)域來說面積較大;隨著風(fēng)速的增大(10 m·s-1),油蒸氣擴散范圍變大而含量呈現(xiàn)出減小的趨勢,高含量區(qū)域相對面積縮小。分析認(rèn)為:當(dāng)風(fēng)速越大,風(fēng)對油蒸汽的輸送作用越顯著;風(fēng)速越大,大氣越不穩(wěn)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(wǎng)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
(1) 依據(jù)管道改線現(xiàn)場識別和分級結(jié)果, 01號為Ⅲ級HCAs區(qū),人口密集和重要設(shè)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(xié)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(xù)跟蹤;④對于地下隱蔽設(shè)施、其他光纜管線等,勘察掌握其詳細(xì)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(qū),應(yīng)制定風(fēng)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(fēng)險防控,提升管道本質(zhì)安全。在改線過程中:①規(guī)劃階段對管道環(huán)境進行全面調(diào)研,尤其應(yīng)充分考慮城市發(fā)展速度;②設(shè)計階段嚴(yán)格執(zhí)行國家、行業(yè)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),做好管道陰極保護設(shè)計;③施工階段,提升焊接質(zhì)量,對于焊縫內(nèi)部質(zhì)量,采用100%超聲波檢測和100%射線檢測,避免出現(xiàn)氣孔、未焊透、延遲性裂紋等焊縫缺陷問題;④與特種設(shè)備監(jiān)管、檢驗部門相結(jié)合,定期對管道進行基于風(fēng)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(guī)占壓或安全距離不足等情況,聯(lián)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(fēng)險進行治理,確保風(fēng)險可控;④針對城鎮(zhèn)熱力、燃?xì)?、電力等基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)急預(yù)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(fēng)險分析和應(yīng)急能力分析的基礎(chǔ)上,制定《應(yīng)急預(yù)案》;②若一旦發(fā)生泄漏,立即疏散人員、封閉現(xiàn)場,并設(shè)置警示標(biāo)識,關(guān)閉附近所有的火源,避免發(fā)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(fā)生連鎖效應(yīng)產(chǎn)生次生事故;④對于泄漏反沖到路面的情況,采用鼓風(fēng)機等強制通風(fēng)方式降低油蒸氣濃度,防止造成中毒及遇明火發(fā)生爆炸的情況出現(xiàn)。
(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(biāo)體系,采用FAHP確定各指標(biāo)主觀權(quán)重,熵權(quán)法確定客觀權(quán)重,引入基于博弈論的組合賦權(quán)方法,確定組合權(quán)重,得出管道改線工程第3方破壞因素指標(biāo)占38.44%,腐蝕因素指標(biāo)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(fēng)險值為63.73,處于“中等”的風(fēng)險水平,應(yīng)在嚴(yán)格監(jiān)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(fēng)向是導(dǎo)致油蒸氣擴散方向的決定性因素,隨著風(fēng)速增大油蒸氣擴散范圍變大而含量變少。