吳海春 謝俊 田春曉 陳超 陶桂鳳 張紅

1中國(guó)石油冀東油田公司陸上油田作業(yè)區(qū)

2河北華北石油工程建設(shè)有限公司

3中國(guó)石油華北油田公司第三采油廠

4中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司管具技術(shù)服務(wù)分公司

近年來，天然氣在化石能源中的消費(fèi)比例不斷上升，輸氣管道的建設(shè)也進(jìn)入了快速增長(zhǎng)期，截至2018 年底，我國(guó)輸氣管道總里程為10.4×104km[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的輸氣管道沿線區(qū)域條件已和設(shè)計(jì)投產(chǎn)初期不一致，原本人口稀少甚至荒無人煙的區(qū)域變?yōu)槿丝诔砻?、商業(yè)活動(dòng)頻繁的中心地帶，設(shè)計(jì)初期的一級(jí)、二級(jí)地區(qū)升級(jí)為三級(jí)、四級(jí)地區(qū)，地區(qū)升級(jí)后強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)、最小覆土厚度、試壓標(biāo)準(zhǔn)、防火間距、閥室間距等均會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，且升級(jí)后的地區(qū)往往為高后果區(qū)，一旦發(fā)生管道泄漏穿孔，將對(duì)周圍環(huán)境造成巨大影響[2]。

GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)地區(qū)等級(jí)進(jìn)行了劃分，指出當(dāng)?shù)貐^(qū)的發(fā)展規(guī)劃與設(shè)計(jì)初期的地區(qū)等級(jí)不符時(shí)，應(yīng)對(duì)地區(qū)等級(jí)進(jìn)行升級(jí)；董紹華等[3]對(duì)管道升級(jí)后與公共安全之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，制定了換管或降壓運(yùn)行的原則，并提出了地區(qū)升級(jí)后的完整性管理措施；單克等[4]建立了地區(qū)升級(jí)管道3 級(jí)評(píng)價(jià)方法，從設(shè)計(jì)、制造、環(huán)境、運(yùn)行等因素進(jìn)行綜合性評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果決定是否采取換管、改線或降壓等措施。以上規(guī)范或研究，均為定性或半定量分析，雖然簡(jiǎn)便易行，但人為因素影響較大，不能定量計(jì)算輸氣管道的失效概率、失效后果及風(fēng)險(xiǎn)值，難以評(píng)判升級(jí)后管道風(fēng)險(xiǎn)是否符合國(guó)家及相關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，是否達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)可接受水平，也無法通過定量計(jì)算確定風(fēng)險(xiǎn)管控的手段。因此，根據(jù)升級(jí)后輸氣管道普遍存在數(shù)據(jù)缺失的問題，采用模糊語言對(duì)美國(guó)管道及危險(xiǎn)物品安全管理局（PHMSA）的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行量化修正，采用完全破裂危害區(qū)域模型計(jì)算管道失效后熱輻射造成的人員傷亡，并根據(jù)ALARP 確定個(gè)人及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的可接受準(zhǔn)則，針對(duì)實(shí)例制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控和減緩措施，為管道完整性及公共安全管理提供理論依據(jù)和實(shí)際參考[5]。

1 地區(qū)等級(jí)升級(jí)后定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

地區(qū)的分級(jí)管理是進(jìn)行高后果區(qū)評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，不同地區(qū)等級(jí)的強(qiáng)度系數(shù)、壁厚計(jì)算、最大允許運(yùn)行壓力等均有不同的取值。對(duì)比GB 50251—2015、ASME B31.8、CSA Z662、ISO 13623、PD 8010-1 等標(biāo)準(zhǔn)，其中ISO 13623、PD 8010-1 地區(qū)等級(jí)是按照人口密度進(jìn)行劃分，其余三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)按照建筑物密度進(jìn)行劃分。與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相比，GB 50251—2015 將一級(jí)一類地區(qū)的設(shè)計(jì)系數(shù)定為0.8，在管段劃分上國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為1.5～1.6 km，我國(guó)為2 km；在對(duì)應(yīng)的建筑物密度上，我國(guó)較國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的取值大。綜上所述，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在地區(qū)等級(jí)劃分上更為嚴(yán)格。

對(duì)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的流程主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、管段劃分、失效概率計(jì)算、失效后果計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)減緩等步驟，如圖1 所示。

1.1 失效概率計(jì)算

目前，對(duì)失效概率的計(jì)算主要有基于失效數(shù)據(jù)和基于可靠性兩種計(jì)算方法，其中基于可靠性的方法是通過收集已建成投產(chǎn)管道的相關(guān)數(shù)據(jù)[6]，包括設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)、運(yùn)行、維搶修等階段的數(shù)據(jù)庫(kù)，采用蒙特卡洛、貝葉斯、集對(duì)分析、結(jié)構(gòu)方程等方法，對(duì)管道的極限狀態(tài)（根據(jù)API581 一般為大孔或完全破裂）進(jìn)行模擬，計(jì)算干涉區(qū)內(nèi)強(qiáng)度大于應(yīng)力分布的概率，得到管道的失效概率。但該方法需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為引導(dǎo)，而現(xiàn)實(shí)工況中升級(jí)后的管道大部分為服役時(shí)間較長(zhǎng)的老舊管道，存在不同程度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失，基于可靠性的計(jì)算結(jié)果容易出現(xiàn)定量過度的現(xiàn)象。在此，結(jié)合美國(guó)PHMSA 的事故數(shù)據(jù)庫(kù)，引入模糊評(píng)價(jià)的方法對(duì)失效概率進(jìn)行修正計(jì)算。

圖1 地區(qū)等級(jí)升級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程Fig.1 Risk assessment process of regional level upgrade

在失效原因方面，PHMSA 將其劃分為第三方破壞、腐蝕、材料或焊縫失效、誤操作、自然力破壞等5 種（表1）。重大事故發(fā)生后雖然造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡最為嚴(yán)重，但發(fā)生概率較低，因此選擇一般事故計(jì)算基本失效概率?？紤]到基本失效概率只能反映不同失效原因的均衡狀態(tài)，具體到我國(guó)不同地區(qū)等級(jí)的管段評(píng)價(jià)還需借助模糊語言進(jìn)行量化。選取油氣儲(chǔ)運(yùn)專家和現(xiàn)場(chǎng)工作10 年以上的技術(shù)人員對(duì)失效可能性進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)集從不失效到完全失效V={不失效、可能性極低、很低、低、較低、中、較高、高、很高、極高、失效}，對(duì)應(yīng)失效可能性的分值為0～1，步長(zhǎng)為0.1。將失效可能性xi轉(zhuǎn)化為修正后的失效概率Fi。

式中：qi為基本失效概率（表1），i=（1，2，3，4，5）對(duì)應(yīng)失效原因；Ki為修正因子。

表1 2002—2016 年輸氣管道基本失效概率（PHMSA）Tab.1 Basic failure probability of gas pipeline（PHMSA）from 2002 to 2016

將公式（1）進(jìn)行變換，得

由于模糊評(píng)價(jià)中考慮了各失效原因所占的權(quán)重，故總失效概率F計(jì)算為

1.2 失效后果計(jì)算

對(duì)于輸氣管道，管道風(fēng)險(xiǎn)來源于泄漏的介質(zhì)是否被點(diǎn)燃，以及是立即點(diǎn)燃還是延遲點(diǎn)燃，但無論發(fā)生哪種形式（蒸氣云爆炸、閃火、噴射火、油池火等）的火災(zāi)后果，在明火范圍之外的傷害主要來自于熱輻射。管道地區(qū)升級(jí)后，人口密度和建筑物密度均增大，受到第三方破壞的可能性也大幅上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，管道發(fā)生完全破裂的失效后果遠(yuǎn)大于其他孔徑泄漏的失效后果。因此，將完全破裂作為失效后果的主控因素，采用STEPHENS等[7]提出的輸氣管道完全破裂危害區(qū)域模型，將危害區(qū)域設(shè)定為兩個(gè)圓環(huán)，其中內(nèi)圓以內(nèi)的范圍致死率為100%，外圓以外的范圍致死率為0，中間區(qū)域部分室外致死率50%，室內(nèi)致死率25%，如圖2所示。

圖2 輸氣管道完全破裂危害區(qū)域模型Fig.2 Hazard zone model for complete rupture of gas pipeline

死亡人數(shù)N的計(jì)算式為

式中：γ為點(diǎn)火概率；ρ為人口密度，人/km2，目前，地區(qū)升級(jí)后輸氣管道周圍的人員主要有管道工作人員和周圍居民兩部分組成，由于國(guó)內(nèi)大部分輸氣管道均實(shí)現(xiàn)SCADA 自動(dòng)控制，只有檢修和應(yīng)急操作時(shí)工作人員才暴露在危險(xiǎn)環(huán)境，因此沿線的人口密度主要考慮周圍居民部分；τ為事故發(fā)生后，人員暴露在危險(xiǎn)環(huán)境下的概率，取0.4；Pin、Pout分別為沿線人口在室內(nèi)或室外活動(dòng)的時(shí)間比例，沿線的建筑物多為居民區(qū)、安置房、學(xué)校等場(chǎng)所，室內(nèi)、室外時(shí)間占比取0.8 和0.2；rin0、rin100、rout0、rout100分別為室內(nèi)和室外熱輻射強(qiáng)度的危害半徑的上限和下限，m，以點(diǎn)源模型計(jì)算；I為熱輻射強(qiáng)度的閾值，室外為12.6～31.6 kW/m2，室內(nèi)為15.8～31.6 kW/m2；p為管道設(shè)計(jì)壓力，MPa；D為管道外徑，mm。

將固定取值代入公式（6）中，可得

1.3 風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則

采用國(guó)際上通用的最低合理性原則（ALARP）作為風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則[8-9]，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果大于風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則時(shí)，表示當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)不可接受，需要根據(jù)管道完整性計(jì)劃采取定期維護(hù)維修措施，且需要考慮進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)減緩所發(fā)生的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)水平之間的平衡。

個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)是指長(zhǎng)期生活、工作在評(píng)價(jià)區(qū)域范圍內(nèi)，且未采取任何防護(hù)措施從而發(fā)生死亡的概率。對(duì)于輸氣管道，個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)與管徑、設(shè)計(jì)壓力、點(diǎn)火概率、潛在影響半徑等均有關(guān)[10]，對(duì)相互作用長(zhǎng)度l進(jìn)行積分計(jì)算個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)rid，公式為

式中：l為相互作用長(zhǎng)度，即當(dāng)管道發(fā)生事故時(shí)，對(duì)某觀察點(diǎn)產(chǎn)生影響的管段長(zhǎng)度，m。

參照SY/T 6859—2012《油氣輸送管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的分類，將個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)以10-4/a 和10-6/a 為界限分為不可接受區(qū)、可接受區(qū)和廣泛接受區(qū)，當(dāng)個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)值落在可接受區(qū)時(shí)，需要考慮風(fēng)險(xiǎn)成本與經(jīng)濟(jì)之間的平衡，在投資控制的范圍內(nèi)，使風(fēng)險(xiǎn)盡可能降低。若采取措施后，風(fēng)險(xiǎn)無明顯降低，則也認(rèn)為該風(fēng)險(xiǎn)不可接受。

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)遵循F-N曲線，即每千米管道每年發(fā)生事故的概率F（總失效概率）與死亡人數(shù)N之間的關(guān)系。參照《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理規(guī)定》的分類，把社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)同樣分為不可接受區(qū)、可接受區(qū)和廣泛接受區(qū)，評(píng)價(jià)方法與個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)相同。

2 案例分析

某輸氣管道管徑508 mm×9.5 mm，設(shè)計(jì)壓力6.5 MPa，采用L360 直縫埋弧焊鋼管，平均管頂埋深1.5 m，在初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段，所在地區(qū)等級(jí)為二級(jí)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道中心線兩側(cè)范圍內(nèi)陸續(xù)建成了學(xué)校、安置房及食品廠、冷庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)等工業(yè)廠房，距離管道最近處為12 m，最遠(yuǎn)處68 m，雖然周邊不存在大量四層及以上的建筑，但存在學(xué)校等人員密集場(chǎng)所，因此地區(qū)等級(jí)升級(jí)為三級(jí)。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

通過收集管道升級(jí)前后的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)、運(yùn)行等相關(guān)資料，該升級(jí)地區(qū)管道處于平原地帶，周圍打孔盜油、挖掘破壞和非法占?jí)旱鹊谌狡茐妮^為嚴(yán)重，管道未設(shè)置內(nèi)涂層，輸送介質(zhì)中含有少量H2S、CO2腐蝕性氣體，但員工素質(zhì)較高，已建立質(zhì)量手冊(cè)、程序文件和作業(yè)文件，誤操作的可能性較低，管理水平較高。其中，升級(jí)管段長(zhǎng)度400 m，潛在影響半徑128 m（圖3），影響區(qū)域?yàn)榫匦危娣e0.153 km2，根據(jù)潛在影響面積和區(qū)域內(nèi)的統(tǒng)計(jì)人口，管道周圍人口密度由89 人/km2升至1 670 人/km2。選取10 名油氣集輸方面的專家和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)升級(jí)前后管段的失效可能性進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果建立模糊評(píng)價(jià)矩陣，與評(píng)價(jià)集對(duì)應(yīng)的分值相乘后得到失效可能性。由于地區(qū)升級(jí)后，主要失效原因來自于第三方破壞，因此只有第三方破壞的失效可能性有所改變，其余失效原因?qū)?yīng)的失效可能性不變。根據(jù)公式（3）～（4）對(duì)失效概率進(jìn)行修正，結(jié)果見表2。

圖3 地區(qū)升級(jí)后管段潛在影響區(qū)域Fig.3 Potential affect area of pipe segment after regional upgrade

表2 地區(qū)等級(jí)升級(jí)前后的失效可能性與失效概率Tab.2 Failure possibility and failure probability before and after regional level upgrade

由表2 可知，升級(jí)前的總失效概率為5.95×10-4km-1·a-1，升級(jí)后的總失效概率為46.28×10-4km-1·a-1，失效概率大幅提高。由公式（10）計(jì)算不同管道距離的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)均在可接受區(qū)，如圖4 所示。由公式（9）計(jì)算出升級(jí)后管段的死亡人數(shù)N為7 人，對(duì)照F-N曲線，取縱坐標(biāo)46.28×10-4km-1·a-1、橫坐標(biāo)為7 的點(diǎn)，該點(diǎn)落在可接受區(qū)，如圖5 所示（圖中紅色x為計(jì)算后的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)）。綜合個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，需要衡量成本與效益之間的平衡，采取風(fēng)險(xiǎn)減緩措施。

圖4 升級(jí)后個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)Fig.4 Personal risks after upgrade

圖5 升級(jí)后社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)Fig.5 Social risks after upgrade

2.2 風(fēng)險(xiǎn)減緩措施

常用的風(fēng)險(xiǎn)減緩措施有以下幾點(diǎn)：①縮短內(nèi)檢測(cè)的時(shí)間間隔，并開展應(yīng)力腐蝕開裂直接評(píng)價(jià)；②按照ASME B31.8—2014 要求，取0.667 倍的測(cè)試壓力與0.6 倍的屈服強(qiáng)度兩者最小值，確定升級(jí)后的管道最大允許運(yùn)行壓力；③根據(jù)升級(jí)后的設(shè)計(jì)系數(shù)，增加管道壁厚；④加大管道埋深；⑤進(jìn)行蓋板防護(hù)；⑥進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和防腐層修復(fù)[10-12]。

針對(duì)以上措施，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析，結(jié)果表明，任何一種措施均可使風(fēng)險(xiǎn)減緩，個(gè)人和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)降低至廣泛接受區(qū)。但考慮將內(nèi)檢測(cè)周期從8 年縮短至5 年，會(huì)大幅增加一次性投入；降低最大允許運(yùn)行壓力，將降低輸氣管道的管輸量，影響上游氣田的產(chǎn)能和下游用戶的用氣需求；增加壁厚、加大埋深均涉及換管、改線或重新開挖，升級(jí)區(qū)域人口密度較大，施工組織協(xié)調(diào)較為困難。因此，首先參照《中華人民共和國(guó)天然氣管道保護(hù)法》，針對(duì)升級(jí)后的管段上方存在的違法、違章占?jí)哼M(jìn)行清理拆除；其次對(duì)壁厚等級(jí)不符合強(qiáng)度要求的管段上方加蓋水泥蓋板或蓋板涵洞，其中水泥蓋板直接放置在管道上方，用于管道上方無重載的情況，蓋板涵洞架設(shè)在水泥基樁上方，用于管道上方有重載的情況，兩種方式均可防止管道受力不均發(fā)生變形；通過DCVG、ACVG、CIPS 等技術(shù)，對(duì)管體及防腐層缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)和修復(fù)（圖6）。

圖6 補(bǔ)板修復(fù)與套袖補(bǔ)強(qiáng)Fig.6 Patch repair and sleeve reinforcement

3 結(jié)束語

（1）針對(duì)輸氣管道地區(qū)升級(jí)后的風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，建立了一套完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程。

（2）結(jié)合PHMSA 的事故數(shù)據(jù)庫(kù)，引入模糊評(píng)價(jià)的方法對(duì)失效概率進(jìn)行修正，量化結(jié)果更符合當(dāng)?shù)剌敋夤艿缹?shí)際工況。

（3）通過計(jì)算個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，有針對(duì)性地采取風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，針對(duì)實(shí)例可采取清除占?jí)?、蓋板防護(hù)和防腐層修復(fù)等措施。

（4）地區(qū)等級(jí)發(fā)生變化的根本原因是線路設(shè)計(jì)與市政規(guī)劃、公共安全、公眾保護(hù)等結(jié)合不緊密，今后應(yīng)隨時(shí)關(guān)注當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展規(guī)劃，提前進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，采取相應(yīng)的措施，由事后處理轉(zhuǎn)為事前處理。