邊開磊 周亞薇 熊健

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

摘要：目前常用的高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法多以事故經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)，缺少精確的定量計(jì)算，可能導(dǎo)致無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)及采取有效風(fēng)險(xiǎn)消減措施。采用基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，利用PRISM軟件和Phast軟件對(duì)中俄東線天然氣管道某特定場(chǎng)所高后果區(qū)進(jìn)行管道失效概率及失效后果模擬計(jì)算，從而對(duì)管道失效以及采取消減措施后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。根據(jù)對(duì)該特定場(chǎng)所定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果提出采用非開挖穿越方式以降低管道失效后果，為管道設(shè)計(jì)及建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；特定場(chǎng)所高后果區(qū)；失效概率；失效后果；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)；個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

中俄東線天然氣管道工程（永清—上海）泰安—泰興段管徑1219 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，潛在影響半徑為382 m，沿線共識(shí)別出26處高后果區(qū)，其中包含特定場(chǎng)所21處。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)并評(píng)估采取措施后的風(fēng)險(xiǎn)消減情況，針對(duì)某特定場(chǎng)所開展基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1  定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法概述

定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（Quantitative Risk Assessment，QRA）是將管道的失效概率和失效后果進(jìn)行定量計(jì)算，通過數(shù)值表明所評(píng)價(jià)對(duì)象的危險(xiǎn)程度，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)的精確描述，以便科學(xué)地確定風(fēng)險(xiǎn)防控和消減措施，最大限度減少事故發(fā)生所造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和對(duì)環(huán)境的破壞。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的精度取決于數(shù)據(jù)資料的完整性和精度、數(shù)學(xué)模型和分析方法的合理性。評(píng)價(jià)過程主要包括數(shù)據(jù)收集、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、管段劃分、失效概率和失效后果計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和決策等，其核心是管道失效概率和失效后果的計(jì)算。

目前常用的有基于失效統(tǒng)計(jì)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)、基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)以及故障樹、事件樹、數(shù)值模擬分析等方法。

2  基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法
基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)通過對(duì)管道沿線環(huán)境和荷載狀況進(jìn)行分析，確定可能導(dǎo)致管道失效的主要極限狀態(tài)和狀態(tài)方程，采用應(yīng)力—強(qiáng)度分布干涉理論計(jì)算管道失效概率[1-4]，然后結(jié)合建立的管道大泄漏和破裂失效后果模型計(jì)算管道風(fēng)險(xiǎn)。失效概率計(jì)算需要建立管道各種可能的風(fēng)險(xiǎn)因素相應(yīng)的極限狀態(tài)方程，如對(duì)管道腐蝕、第三方損壞以及環(huán)焊縫失效等因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用PRISM軟件、采用蒙特卡洛仿真算法分別計(jì)算各因素失效概率。失效后果模型考慮在一定的泄漏頻率、泄漏量、立即點(diǎn)火情景下，熱輻射引起管道周圍人員傷亡的程度，從而定量計(jì)算管道風(fēng)險(xiǎn)[5-9]�；�于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程見圖 1。

圖 1 基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程圖

根據(jù)SY/T 7380―2017《輸氣管道高后果區(qū)完整性管理規(guī)范》的規(guī)定，定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則按照《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2014年第13號(hào)公告）評(píng)判。

3  特定場(chǎng)所高后果區(qū)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中俄東線天然氣管道（永清—上海）泰安—泰興段距離臨沂市汪溝鎮(zhèn)眾合醫(yī)院北側(cè)約30 m，屬于特定場(chǎng)所高后果區(qū)，采用基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3.1  管道失效原因及載荷分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)管道失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（圖 2），失效原因依次為外力損壞、腐蝕、制造缺陷、自然災(zāi)害、誤操作和其他原因。結(jié)合中俄東線管道的實(shí)際情況，該特定場(chǎng)所高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要考慮第三方損壞、外部腐蝕、環(huán)焊縫失效三個(gè)因素。

圖 2 國(guó)內(nèi)管道失效原因統(tǒng)計(jì)

中俄東線天然氣管道（永清—上海）為埋地敷設(shè)，在運(yùn)行過程中可能同時(shí)出現(xiàn)永久載荷、可變載荷和偶然載荷。結(jié)合泰安—泰興段管道的敷設(shè)情況，對(duì)上述可能出現(xiàn)的載荷分析如表 1所示。

表 1 泰安—泰興段管道載荷分析

3.2  失效概率計(jì)算

采用基于可靠性的極限狀態(tài)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)失效概率的計(jì)算，結(jié)合上述管道載荷和危害因素分析，在計(jì)算中需考慮的極限狀態(tài)方程主要包括管道內(nèi)壓作用導(dǎo)致的管道無缺陷破裂，外部腐蝕小泄漏、大泄漏和破裂，第三方機(jī)械損壞大泄漏和破裂，并將管道失效導(dǎo)致的極限狀態(tài)歸為小泄漏、大泄漏和破裂三類。

根據(jù)極限狀態(tài)和極限狀態(tài)方程，參與潛在失效損失的每一種管道失效形式應(yīng)由每一種管道失效原因?qū)е碌膶?duì)應(yīng)失效形式相加，即：

管道小泄漏：PSL=PCSL；管道大泄漏：PLL=PTLL+PCLL；管道破裂：PRU=PTRU+PCRU+PNRU。

假定本管道的服役年限為30年，計(jì)算次數(shù)1000萬次。管道投產(chǎn)后假定首次內(nèi)檢測(cè)間隔時(shí)間為3年，之后內(nèi)檢測(cè)周期按照每8年一次進(jìn)行，管道無缺陷破裂參數(shù)見表 2。采用加拿大C-FER公司開發(fā)的PRISM軟件對(duì)該工況下的天然氣管道進(jìn)行失效概率計(jì)算。將上述不同極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的結(jié)果分別相加，得到小泄漏、大泄漏和破裂的總失效概率見表 3。

表 2 無缺陷管道破裂計(jì)算參數(shù)

表 3 眾合醫(yī)院高后果區(qū)失效概率計(jì)算結(jié)果

3.3  定量風(fēng)險(xiǎn)模擬
按照以往工程定量風(fēng)險(xiǎn)模擬經(jīng)驗(yàn)，在模擬過程中主要考慮的因素包括泄漏、氣象條件、點(diǎn)火源及點(diǎn)火概率。

（1）泄漏。①泄漏孔徑：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合PRISM推薦，大口徑輸氣管道泄漏孔徑分為小孔、大孔、破裂，孔徑大小分別為5 mm、150 mm和全尺寸。所有泄漏均按豎直動(dòng)力泄漏考慮；②泄漏速率及泄漏量：當(dāng)管道發(fā)生孔泄漏時(shí)，管道內(nèi)的壓力下降不明顯，因此采用初始泄漏速率、挪威船級(jí)社Phast軟件計(jì)算泄漏量。

（2）氣象條件。大氣穩(wěn)定度分為A、B、C、D、E、F，其中A為最不穩(wěn)定，F(xiàn)為最穩(wěn)定。根據(jù)荷蘭紫皮書《定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》，本次假定氣象條件為：1.5 F/3 D/8 D。

（3）點(diǎn)火源及點(diǎn)火概率。①點(diǎn)火源：點(diǎn)火源主要包括點(diǎn)源、線源及面源，眾合醫(yī)院附近的點(diǎn)火源為汽車、戶外爐、戶內(nèi)爐，S229省道、G2京滬高速及周邊村村通道路，下草溝村、臨沂九州投資公司、昌盛汽修廠等；②立即點(diǎn)火概率：根據(jù)荷蘭《定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》中的規(guī)定，立即點(diǎn)火的可能性由氣體活性及泄漏源泄漏速率來確定，本次選取0.7；③延遲點(diǎn)火可能性：由點(diǎn)火源引起的延遲點(diǎn)火概率模型為

                   P（t）=Ppresent（1-e-ωt）      （1）

式中：P（t）為在0～t時(shí)間間隔內(nèi)的點(diǎn)火概率；Ppresent為當(dāng)蒸氣云經(jīng)過點(diǎn)火源存在的點(diǎn)火概率；ω為點(diǎn)燃率，s-1；t為時(shí)間，s。

點(diǎn)火概率按一定時(shí)間間隔的點(diǎn)火概率計(jì)算，表 4給出了涉及本次特定場(chǎng)所點(diǎn)火源在1分鐘時(shí)間間隔點(diǎn)火的概率。

表 4 眾合醫(yī)院特定場(chǎng)所點(diǎn)火源在1分鐘內(nèi)的點(diǎn)火概率

3.4  個(gè)人和社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)

參照《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，本項(xiàng)目為新建管道項(xiàng)目，眾合醫(yī)院高后果區(qū)為高敏感場(chǎng)所，其個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)概率值不大于3×10-7；社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)如圖 3所示。

圖 3 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)

3.5  風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

（1）個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)Phast軟件進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，眾合醫(yī)院高后果區(qū)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等高線計(jì)算結(jié)果見圖 4。可知眾合醫(yī)院高后果區(qū)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)概率大于標(biāo)準(zhǔn)值3×10-7（每年），個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)不可接受，需要采取風(fēng)險(xiǎn)消減措施使其處于可接受范圍內(nèi)。

圖 4 眾合醫(yī)院高后果區(qū)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等高線圖

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司“天然氣管道高后區(qū)安全防控設(shè)計(jì)技術(shù)研究”課題表明，定向鉆管道的埋深較深，且穿越段管道與周圍土壤緊密貼合，無氣體存儲(chǔ)空間，假設(shè)定向鉆管道失效破裂后在彈坑不影響地表完整性的情況下，管道破裂處不與外界接觸，無點(diǎn)火源和助燃?xì)怏w，故不會(huì)引起管道的爆炸燃燒，同時(shí)可降低第三方損壞概率。因此眾合醫(yī)院高后果區(qū)采取定向鉆（埋深不小于10 m）方式敷設(shè)管道，之后再次經(jīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件模擬計(jì)算，其個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)概率小于標(biāo)準(zhǔn)值3×10-7（每年），在可接受標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。如圖 5、圖 6所示。

圖 5 眾合醫(yī)院高后果區(qū)定向鉆敷設(shè)管段個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)橫切圖

圖 6 眾合醫(yī)院高后果區(qū)定向鉆敷設(shè)管段個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等高線圖

（2）社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。圖 7為眾合醫(yī)院高后果區(qū)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)F-N曲線，可以看出，其社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)處于圖 3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的F-N曲線可接受區(qū)，不需要采取風(fēng)險(xiǎn)消減措施。

圖 7 眾合醫(yī)院高后果區(qū)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

4  結(jié)論

中俄東線天然氣管道（永清—上海）泰安—泰興段眾合醫(yī)院高后果區(qū)采用基于可靠性的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，利用PRISM軟件及挪威船級(jí)社開發(fā)的Phast軟件進(jìn)行管道失效概率及失效后果模擬計(jì)算，從而對(duì)管道失效后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了量化。針對(duì)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)不可接受評(píng)價(jià)結(jié)果，提出采用定向鉆穿越方式敷設(shè)管道，使個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)處于可接受標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，有效降低了管道失效后果，為高后果區(qū)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了科學(xué)的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhang Wenwei, Zhang Zhengyong, Zhang Jinyuan, et al. Research on reliability-based design technique of China domestic onshore gas pipeline[C]. Proceedings of the 10th International Conference on Reliability, Maintain ability and Safety. Guangzhou: IEEE, 2014.

[2]Zhang Jinyuag, Zhang Zhenyong, Yu Zhifeng, et al. Building a target reliability adaptive to China onshore natural gas pipeline[C]. Proceedings of the 10th International Pipeline Conference. Alberta: ASME, 2014.

[3]溫凱，張文偉，宮敬，等. 天然氣管道可靠性的計(jì)算方法[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2014, 33(7): 729-733.

[4]Nessim M, Zimmerman T, Glover A, et al. Reliability-based limit states design for onshore pipelines[C]. Proceedings of the 4th International Pipeline Conference. Calgary: ASME, 2002.

[5]苗金明. 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)概述[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6]董紹華. 管道完整性技術(shù)與管理[M]. 北京: 中國(guó)石化出版社，2007.

[7]張圣柱，吳宗之. 油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與安全管理[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

[8]王其磊，程五一，張麗麗，等. 管道量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(7)：494-496.

[9]馬志祥. 油氣長(zhǎng)輸管道的風(fēng)險(xiǎn)管理[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2005，24(2)：1-7.

作者簡(jiǎn)介：邊開磊，1984年生，工程師，2010年碩士畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)。主要從事線路工程設(shè)計(jì)、管道可靠性、完整性管理及評(píng)價(jià)等相關(guān)研究工作。聯(lián)系方式：15097627930，biankailei@cnpc.com.cn。