韓帥，郭輝，李躍杰，梁昌晶

(1. 中油國(guó)際管道公司中緬油氣管道項(xiàng)目 曼德勒管理處，北京 100029；2. 中國(guó)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(jí)設(shè)計(jì)階段，通常會(huì)選擇人煙稀少、地勢(shì)開(kāi)闊的區(qū)域，但伴隨城鎮(zhèn)化擴(kuò)張和地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道周圍的建筑物、人口密度和商業(yè)活動(dòng)不斷增多，原設(shè)計(jì)方案中的一、二級(jí)地區(qū)逐漸升級(jí)為三、四級(jí)地區(qū)，管道發(fā)生泄漏后的危險(xiǎn)性大幅增加[1-2]。GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定： 當(dāng)?shù)貐^(qū)發(fā)生規(guī)劃與初步設(shè)計(jì)階段設(shè)定的地區(qū)等級(jí)不一致時(shí)，應(yīng)對(duì)地區(qū)等級(jí)進(jìn)行完整性管理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，制定管控措施。但未明確具體相關(guān)作法，不具備可操作性[3-5]。因此，為定量分析輸氣管道地區(qū)等級(jí)升級(jí)后的風(fēng)險(xiǎn)，采用基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，引入極限狀態(tài)函數(shù)計(jì)算失效概率，通過(guò)Stephens[6]危害模型計(jì)算因熱輻射造成的失效后果，并確定個(gè)體和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的可接受準(zhǔn)則判定管道安全狀態(tài)，有針對(duì)性地實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，研究結(jié)果可為相關(guān)規(guī)范的更新提供理論依據(jù)和實(shí)際參考。

1 基于可靠性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1.1 失效概率計(jì)算

目前，對(duì)于失效概率的定量分析方法主要包括基于失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和基于可靠性的評(píng)價(jià)兩種?；谑Ыy(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要是通過(guò)統(tǒng)計(jì)腐蝕、穿孔等失效事件，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)公布的基線失效概率，根據(jù)實(shí)際情況和風(fēng)險(xiǎn)狀況計(jì)算待評(píng)價(jià)管道的修正系數(shù)，從而得到失效概率。該方法最重要的是統(tǒng)計(jì)基線失效概率，目前中國(guó)在這方面的數(shù)據(jù)存在一定程度的缺失，定量分析結(jié)果可信度不高?；诳煽啃缘脑u(píng)價(jià)方法是通過(guò)收集待評(píng)價(jià)管道沿線環(huán)境數(shù)據(jù)和載荷狀況(包括內(nèi)壓、外壓等)，根據(jù)應(yīng)力-干涉原理建立管道極限狀態(tài)方程，計(jì)算管道失效概率。

經(jīng)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(gè)方面，其中因腐蝕和第三方破壞造成的管道失效次數(shù)約占總失效次數(shù)的60%～70%[7]。因此，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，僅計(jì)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(jì)算管道極限狀態(tài)下的失效概率，極限狀態(tài)根據(jù)API581對(duì)管道泄漏孔徑的定義選取大孔泄漏和管道破裂兩種，計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中：PULS——極限狀態(tài)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(shí)的失效概率，次/(km·a)；PRU——管道破裂時(shí)的失效概率，次/(km·a)。

腐蝕缺陷的發(fā)展與時(shí)間相關(guān)，而第三方破壞與時(shí)間無(wú)關(guān)，因此腐蝕和第三方破壞的失效概率分別采用PRISM軟件中時(shí)間序列和非時(shí)間序列函數(shù)計(jì)算。

1.2 失效后果計(jì)算

輸氣管道按照泄漏介質(zhì)是否被點(diǎn)燃以及點(diǎn)燃是否延遲，分為蒸氣云擴(kuò)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(chǎn)生的熱輻射相關(guān)。Stephens等提出了危害模型，該模型根據(jù)危害區(qū)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(nèi)圓以內(nèi)即熱輻射上限閾值定義為死亡率100%，在2個(gè)同心圓中間區(qū)域部分分為室內(nèi)和室外兩種情況，室內(nèi)死亡率為20%，室外死亡率為50%。由此計(jì)算管道失效狀態(tài)下的死亡人數(shù)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(diǎn)燃的概率；ρ——平均人口密度，人/km2，根據(jù)潛在影響半徑、潛在影響范圍和人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定；τ——管道失效發(fā)生后，人員出現(xiàn)在潛在影響范圍內(nèi)的概率，根據(jù)美國(guó)管道及危險(xiǎn)物品安全管理局(PHMSA)的數(shù)據(jù)取0.4；Pin，Pout——管道敷設(shè)路徑沿線范圍內(nèi)人員在室內(nèi)和室外的時(shí)間比例，根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)輸氣管道沿線人員密度和活動(dòng)范圍調(diào)研，室內(nèi)、室外時(shí)間占比分別取0.8和0.2；rin0，rin100——室內(nèi)熱輻射強(qiáng)度危害半徑的上、下閾值，m；rout0，rout100——室外熱輻射強(qiáng)度危害半徑的上、下閾值，m；I——熱輻射強(qiáng)度的閾值，kW/m2；p——管道運(yùn)行壓力，MPa。

2 風(fēng)險(xiǎn)管控原則

輸氣管道風(fēng)險(xiǎn)管控主要遵循ALARP原則[8]。ALARP原則認(rèn)為任何設(shè)備及工業(yè)系統(tǒng)都存在一定風(fēng)險(xiǎn)，如想將風(fēng)險(xiǎn)降到很低的狀態(tài)，需投資的邊際效益會(huì)迅速遞減，故需在成本和風(fēng)險(xiǎn)水平之間做出折中選擇。ALARP原則將風(fēng)險(xiǎn)分為3個(gè)區(qū)域，分別為不可接受區(qū)、合理可行區(qū)和可接受區(qū)，如風(fēng)險(xiǎn)落在不可接受區(qū)，應(yīng)立即采取風(fēng)險(xiǎn)減緩相關(guān)措施；如落在合理可行區(qū)，應(yīng)對(duì)減緩措施花費(fèi)的成本和效益之間進(jìn)行平衡；如落在可接受區(qū)，應(yīng)保持現(xiàn)狀并加強(qiáng)監(jiān)控力度，無(wú)需采取任何措施。

采用個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)rid和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)衡量輸氣管道地區(qū)等級(jí)升級(jí)后的風(fēng)險(xiǎn)值。rid是指在特定位置遭受特定危害而死亡的概率，計(jì)算公式如式(5)所示：

(5)

式中：Y——泄漏后事故后果發(fā)生的概率；l——臨界失效點(diǎn)距離管道中心點(diǎn)的距離。L——管道長(zhǎng)度。

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)采用F-N曲線，根據(jù)PULS和N之間的關(guān)系確定社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。

個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)均參照SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》和《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》(2011年國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局第40號(hào)文)中推薦的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則見(jiàn)表1所列，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則如圖2所示。

表1 個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則

圖2 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則示意

3 實(shí)例分析

某輸氣管道管徑為323 mm，設(shè)計(jì)壁厚為6.3 mm，防腐層采用3PE，補(bǔ)口處采用交聯(lián)聚乙烯膠帶，在設(shè)計(jì)初期沿管道中心線100 m范圍內(nèi)的戶數(shù)在15戶以下，為一級(jí)二類地區(qū)，經(jīng)過(guò)城市規(guī)劃，管道中心線兩側(cè)建設(shè)了學(xué)校、醫(yī)院、安置房小區(qū)等，影響范圍內(nèi)的戶數(shù)大幅提高，地區(qū)等級(jí)升為三級(jí)。根據(jù)地區(qū)等級(jí)劃分原則，升級(jí)后平均人口密度為2 470人/km2。

根據(jù)管道制管、成管、焊接、運(yùn)行、維護(hù)、檢修等相關(guān)資料，建立極限狀態(tài)函數(shù)模型，采用Matlab模擬計(jì)算，預(yù)計(jì)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(fā)展與時(shí)間相關(guān)，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(jì)算大孔泄漏和管道破裂失效概率時(shí)，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(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 總失效概率結(jié)果匯總 次/(km·a)

根據(jù)式(5)計(jì)算地區(qū)等級(jí)升級(jí)后的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，如圖3所示。隨著目標(biāo)與管道距離的增加，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值逐漸降低，最大個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值為1.13×10-5，在合理可行區(qū)的范圍內(nèi)。根據(jù)式(2)～(4)計(jì)算地區(qū)等級(jí)升級(jí)后的影響范圍內(nèi)死亡人數(shù)為12人，對(duì)照?qǐng)D1，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)值落在可接受區(qū)，但與合理可行區(qū)和可接受區(qū)的邊界線距離較近，應(yīng)采取一定減緩措施，如圖4所示。

圖3 地區(qū)升級(jí)后的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值示意

圖4 地區(qū)升級(jí)后的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)值示意

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，可采用以下措施進(jìn)行減緩： 對(duì)升級(jí)地區(qū)內(nèi)的管道換線；縮短內(nèi)檢測(cè)周期；降低最大運(yùn)行壓力；增加管道壁厚；加大管道埋深；增加第三方防護(hù)措施，架設(shè)水泥蓋板或蓋板涵洞。

針對(duì)以上措施重新評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)，顯示無(wú)論采用哪一種方式，均會(huì)降低個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)到可接受區(qū)。但綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，其中管道換線需要將廢棄管道進(jìn)行充填處置，且需要重新規(guī)劃、設(shè)計(jì)和土地審批，費(fèi)用最高；縮短內(nèi)檢測(cè)周期將大幅增加運(yùn)行費(fèi)用和堵管風(fēng)險(xiǎn)；降低最大運(yùn)行壓力對(duì)于下游分輸站及用戶的影響較大，影響供氣穩(wěn)定；增加壁厚和加大埋深均需要涉及管道重新開(kāi)挖，對(duì)于人員密集區(qū)域難度較大。最終，確定采用蓋板方式進(jìn)行第三方防護(hù)，保證管道在受車輛、人員碾壓的情況下不發(fā)生變形。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)采用蒙特卡洛方法計(jì)算管道極限狀態(tài)下的失效概率，通過(guò)Stephens危害模型計(jì)算因熱輻射造成的失效后果，并研究了個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的可接受準(zhǔn)則。

2)通過(guò)經(jīng)濟(jì)性和可行性分析，采取有效的風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，提供了一套完整用于地區(qū)等級(jí)升級(jí)后的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)。

3)對(duì)于地區(qū)等級(jí)尚未升級(jí)的區(qū)域，應(yīng)密切結(jié)合地區(qū)規(guī)劃局、土地局的相關(guān)部署，確定未來(lái)可能升級(jí)的區(qū)域，提前部署風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，提高風(fēng)險(xiǎn)管控水平。