基于可靠性的定量風(fēng)險評價技術(shù)及應(yīng)用

——以某天然氣管道地區(qū)等級升級為例 

周亞薇  張振永  田姍姍 

中國石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司

摘 要：隨著我國社會、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，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)（高后果區(qū)），一旦管道發(fā)生泄漏事故，其造成的后果將更加嚴(yán)重。因此，有必要建立相應(yīng)的定量風(fēng)險評價技術(shù)，確定管道實(shí)際風(fēng)險水平。基于可靠性的定量風(fēng)險評價技術(shù)實(shí)質(zhì)是采用基于可靠性的極限狀態(tài)方法計(jì)算評價管段的失效概率，結(jié)合建立的國內(nèi)天然氣管道失效后果模型，綜合計(jì)算管道失效風(fēng)險。之后，引入風(fēng)險可接受準(zhǔn)則，判定地區(qū)等級升級后管道個體風(fēng)險和社會風(fēng)險的可接受性，并有針對性地制定風(fēng)險消減/防護(hù)措施。該技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)天然氣管道失效風(fēng)險的定量計(jì)算和評價，且能夠?qū)Σ煌�風(fēng)險消減/防護(hù)措施進(jìn)行效果檢查及對比，在保障管道風(fēng)險可接受的前提下，實(shí)現(xiàn)技術(shù)性和和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；地區(qū)等級；可靠性；定量風(fēng)險評價；風(fēng)險可接受準(zhǔn)則

 

通常情況下，天然氣管道敷設(shè)路由會盡量避開人口密集、交通頻繁、地下設(shè)施多的區(qū)段。在管道設(shè)計(jì)階段，輸氣管道通過的地區(qū)將按照沿線居民戶數(shù)和/或建筑物的密集程度劃分符合標(biāo)準(zhǔn)要求的地區(qū)等級，并依據(jù)地區(qū)等級，結(jié)合地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃等選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)系數(shù)等管道設(shè)計(jì)方案。但是，隨著我國社會、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，許多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)等級升級使得原始的管道設(shè)計(jì)方案與目前現(xiàn)狀不匹配^[1-3]。

由于天然氣管道的輸送介質(zhì)易燃、易爆，管道失效后因火災(zāi)熱輻射造成的潛在影響半徑高達(dá)上百米至幾百米不等，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；另一方面，地區(qū)等級升級將導(dǎo)致沿線人員活動、設(shè)備撞擊等帶來的管道損壞更加頻繁，管道的失效概率也隨之增大。因此，地區(qū)等級升級將導(dǎo)致管道失效風(fēng)險（失效概率與失效后果的乘積）大幅提升。為了準(zhǔn)確量化管道風(fēng)險，并針對性地制定風(fēng)險管控措施，本文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，對輸氣管道地區(qū)等級升級進(jìn)行定量風(fēng)險評價，通過個體風(fēng)險和社會風(fēng)險水平的判定，制訂風(fēng)險管控措施。

1　基于可靠性的定量風(fēng)險評價

管道風(fēng)險評價方法一般分為定性、半定量和定量風(fēng)險評價方法^[4]。定性評價和半定量評價方法簡單易用，但不能定量計(jì)算管道的失效概率、后果及風(fēng)險，難以評判管道風(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(jì)算科學(xué)地確定風(fēng)險管控措施。定量風(fēng)險評價（Quantitative Risk Assessment，QRA）方法是管道風(fēng)險評價的高級階段，它將管道的失效概率和事故后果的進(jìn)行定量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對管道風(fēng)險的精確描述^[5]。根據(jù)失效概率的計(jì)算方法，定量風(fēng)險評價可以分為基于失效統(tǒng)計(jì)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(jì)的定量風(fēng)險評價技術(shù)是通過對管道失效事故統(tǒng)計(jì)分析，建立基線失效概率，并根據(jù)待評價管道的實(shí)際情況分配不同的修正因子，以此來計(jì)算管道的失效概率^[6]。基于可靠性的天然氣管道定量風(fēng)險評價技術(shù)實(shí)質(zhì)是采用基于可靠性的極限狀態(tài)方法，針對天然氣管道評價管段，通過分析管道沿線環(huán)境和荷載狀況，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)算管段失效概率；失效后果模型考慮了在一定的泄漏頻率、泄漏量、立即點(diǎn)燃情景下，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。

基于可靠性的定量風(fēng)險評價方法工作流程見圖1，主要包括管段劃分、失效概率計(jì)算、失效后果計(jì)算、風(fēng)險計(jì)算、風(fēng)險評價和風(fēng)險決策等。

 

圖1 基于可靠性的定量風(fēng)險評價流程圖

1.1　失效概率計(jì)算

近年來，中石油集團(tuán)公司開展了天然氣管道基于可靠性的設(shè)計(jì)和評價方法研究，收集了國內(nèi)近4萬公里已建天然氣管道數(shù)據(jù)，構(gòu)建了國內(nèi)天然氣管道管材、施工和運(yùn)行維護(hù)等變量參數(shù)數(shù)據(jù)庫，基于國內(nèi)管道數(shù)據(jù)建立了系統(tǒng)了天然氣管道基于可靠性的設(shè)計(jì)流程，并形成了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)^[7-10]。

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(jìn)行模擬仿真計(jì)算，以此確定特定管道設(shè)計(jì)工況的失效概率。為了簡化分析，僅計(jì)算腐蝕和第三方破壞失效概率。根據(jù)國內(nèi)外數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，腐蝕和施工設(shè)備等撞擊造成的大泄漏和破裂約占所有失效的60%～76%。為了統(tǒng)籌考慮導(dǎo)致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(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上放大1.5倍^[11-13]。管道極端極限狀態(tài)下的總失效概率計(jì)算如下^[14]：

                            （1）

式中P_ULS表示極端極限狀態(tài)失效概率，/km·a；P_LL和P_RU分別為大泄漏失效概率和破裂失效概率，/km·a。

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)，管道每公里每年的失效概率等于每公里每年的沖擊次數(shù)和每次沖擊造成的失效概率之積。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PRISM^TM軟件中的時間相關(guān)模型和時間無關(guān)模型進(jìn)行年失效概率的計(jì)算。

1.2　失效后果計(jì)算

失效后果模型考慮了在一定的泄漏頻率、泄漏量、立即點(diǎn)燃情景下，熱輻射引起管道周圍人員傷亡的程度。根據(jù)天然氣研究協(xié)會（Gas Research Institute， GRI）研究成果，將失效后果定義為死亡人數(shù)的函數(shù)，與天然氣著火釋放的熱量有關(guān)。由于破裂的失效后果遠(yuǎn)大于泄漏的后果，因此破裂是失效后果的主要控制因素，管道破裂情況下的預(yù)期死亡人數(shù)計(jì)算如下：

                                 （2）

                               （3）

式中，為預(yù)期死亡人數(shù)；為著火概率；為失效事故影響范圍；為人口密度，人/公頃；為實(shí)際占有概率（失效事故發(fā)生時，公眾出現(xiàn)在事故影響范圍內(nèi)的概率），D為管道的直徑，mm。

根據(jù)Stephen^[15]等人建立的模型，危害區(qū)域假定為圓形。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(qiáng)度的上下限門檻值，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%，管道破裂條件下的死亡人數(shù)表達(dá)為式（4）：

        （4）

                                   （5）

根據(jù)對國內(nèi)陸上天然氣管道沿線人口密度及其活動頻率調(diào)查分析，P_in=80%；P_out=20%；對于室外情況，下限和上限分別是12.6 kw/m²和31.6 kw/m²；對于室內(nèi)情況，下限和上限分別是15.8 kw/m²和31.6 kw/m²；=40%。由此得：

                            （6）

式中，為人口密度，人/公頃；為管道運(yùn)行壓力，MPa；為管道直徑，mm。其中，人口密度根據(jù)評價初期人口數(shù)據(jù)調(diào)研收集和潛在影響范圍綜合確定。

 

圖2 估計(jì)預(yù)期死亡人數(shù)的危害區(qū)域

1.3　風(fēng)險可接受準(zhǔn)則

輸氣管道風(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 Practically，ALARP）原則，ALA RP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(jìn)一步降低就很困難。為此所花費(fèi)的成本往往呈上升趨勢，也可以表示為安全風(fēng)險改進(jìn)措施投資的邊際效益遞減，趨于零，最終為負(fù)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^[16]。

分別用個體風(fēng)險與社會風(fēng)險來衡量輸氣管道地區(qū)等級升級后的管道風(fēng)險^[17]。

（1）個體風(fēng)險是指在評價位置長期生活、工作的，并未采取任何防護(hù)措施的人員遭受特定危害而死亡的概率。可以按下式計(jì)算：

                                    （7）

式中P為失效概率；P_i為點(diǎn)燃概率；L_ir為相互作用長度，該長度定義為事故有可能影響所考慮位置的管段長度，計(jì)算方法參考圖3；為占用概率。

 

a-相互作用長度為2×R； b-相互作用長度為2×

1-觀察點(diǎn)位置； 2-環(huán)向影響半徑； 3-管道； 4-相互作用長度

圖3 相互作用長度計(jì)算示意圖

基于ALARP原則，根據(jù)《油氣輸送管道風(fēng)險評價導(dǎo)則》（SY/T 6859-2012），個體風(fēng)險分別以1×10^-4和1×10^-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)ALARP）和廣泛接受區(qū)^[18]三個區(qū)域（圖4）。

 

圖4 個體風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)推薦值

（2）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，或者解釋為每公里管道事故發(fā)生概率（每年）F和事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)N之間的關(guān)系。F即為極端極限狀態(tài)失效概率P_ULS。

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)事故頻率F與死亡人數(shù)N分析輸氣管道失效的社會風(fēng)險。結(jié)合《油氣輸送管道風(fēng)險評價導(dǎo)則》（SY/T 6859-2012），社會風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)（F-N曲線）如圖5所示。

 

圖5 社會風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)（F-N）曲線

3　地區(qū)等級升級地區(qū)應(yīng)用案例

某管線鋼管直徑為D610mm，直管段全部采用L415螺旋縫埋弧焊鋼管，設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa。在施工圖設(shè)計(jì)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(jì)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米間距處均建有兩排多層民房（見圖6），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)等級升級至三級地區(qū)。

圖6  評價段管道現(xiàn)場情況

3.1  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》規(guī)定的潛在影響半徑計(jì)算方法，將該評價段的潛在影響范圍識別為圖7的矩形區(qū)域，評價段長度400 m，潛在影響半徑153 m，潛在影響范圍面積約12.4公頃。根據(jù)收集的潛在影響范圍內(nèi)人口數(shù)據(jù)，計(jì)算得地區(qū)等級升級后人口密度為16.9人/公頃。

 

圖7 潛在影響區(qū)域

結(jié)合國內(nèi)的管材、焊接、腐蝕和運(yùn)行維護(hù)等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，建立參數(shù)的計(jì)算模型，選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù)及維修計(jì)劃等，利用軟件計(jì)算失效概率，計(jì)算模擬次數(shù)為1億次，假定管道設(shè)計(jì)壽命為30年，分別取30年模擬計(jì)算中外部腐蝕失效概率（圖8）和第三方破壞失效概率（圖9）的最大失效概率（大孔泄漏、破裂），計(jì)算得總失效概率為1.32E-06（表1）。采用已有失效后果模型計(jì)算評價范圍內(nèi)的預(yù)期死亡人數(shù)N=10人。

 

圖8 外部腐蝕失效概率計(jì)算結(jié)果/km·a

 

圖9  第三方破壞失效概率計(jì)算結(jié)果/km·a

                                      表1 失效概率計(jì)算結(jié)果                             /km·a

采用已有模型，計(jì)算得出個體風(fēng)險為4.85E-05，處于個體風(fēng)險可接受區(qū)；將計(jì)算所得的死亡人數(shù)和事故發(fā)生概率通過F-N曲線進(jìn)行風(fēng)險評價。由圖10可見，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。

 

圖10  社會風(fēng)險評價結(jié)果

3.2　風(fēng)險管控措施

對于風(fēng)險水平高的管道，應(yīng)采取風(fēng)險減緩措施，并對采取措施后的工況再次進(jìn)行風(fēng)險評價，并衡量不同措施之間的經(jīng)濟(jì)效益。常用的措施可為下列任意一種或幾種的組合形式：增加第三方防護(hù)措施，選擇混凝土蓋板防護(hù)；縮短內(nèi)檢測的時間間隔；降低運(yùn)行壓力；增加管道壁厚；加大管道埋深；改變管道路由等。

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)范圍內(nèi)；但是考慮到縮短內(nèi)檢測間隔至5年/次將大幅增加管道運(yùn)營資金投入；降低運(yùn)行壓力可能影響到下游用戶的用氣需求以及降低管道運(yùn)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(shí)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(jìn)行第三方防護(hù)的措施，以此保證該評價段管道風(fēng)險水平符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4　結(jié)論及建議

（1）在役天然氣管道的地區(qū)等級升級導(dǎo)致原始的管道設(shè)計(jì)方案與目前現(xiàn)狀不匹配，存在管道失效風(fēng)險隱患，通過定量風(fēng)險評價技術(shù)能夠準(zhǔn)確地量化和評價管道風(fēng)險，并有針對性地制定風(fēng)險管控措施，可以明確管控重點(diǎn)，且降低管理成本。

（2）基于可靠性的設(shè)計(jì)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(jì)分析，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際科學(xué)地進(jìn)行失效概率的定量計(jì)算，避免了傳統(tǒng)失效可能性計(jì)算過程中主觀因素的影響，使量化結(jié)果更加適用于我國的天然氣管道的建設(shè)實(shí)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確定其有效性的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)濟(jì)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，并制定相應(yīng)的風(fēng)險防控措施。

 

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作者：周亞薇，女，1986年生，工程師，2012年碩士畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣長輸管道線路工程設(shè)計(jì)和管道材料、可靠性以及風(fēng)險評估相關(guān)研究。

《管道保護(hù)》2017年第6期（總第37期）