張華兵1,2

1.河北大學(xué)；2.管道完整性管理技術(shù)委員會 

 

摘要：研究管道高后果區(qū)安全防護措施有效性對指導(dǎo)企業(yè)高后果區(qū)管理有重要意義，提出了一種定量比選方法，基于某個典型高后果區(qū)進行試點，對降低管道失效概率、降低運行壓力和減少管道周邊人口數(shù)量這3類安全防護措施的風(fēng)險降低效果進行對比分析。結(jié)果表明，降低管道失效概率的效果最好。

關(guān)鍵詞：管道高后果區(qū)；定量風(fēng)險評價；安全防護措施；管道失效概率

 

隨著天然氣管道和各地經(jīng)濟的不斷發(fā)展，管道周邊人口數(shù)量也在逐年增長，管道高后果區(qū)數(shù)量隨之增加。如何保障管道高后果區(qū)安全運營，對企業(yè)和地方政府提出了嚴峻挑戰(zhàn)。根據(jù)GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》要求，天然氣管道高后果區(qū)風(fēng)險管控主要包括降低管道失效可能性和減輕管道失效后果兩方面。降低管道失效概率包括采取管道內(nèi)檢測、外檢測、缺陷修復(fù)、加密和維護管道警示標識、安裝視頻監(jiān)控等；減輕失效后果包括降低管道輸送壓力、人口密集區(qū)搬遷、改變管道路由等。

面對以上諸多可供選擇的方法，需要提供明確的定量分析作為參考。筆者通過計算分析，對幾類常用防護措施降低風(fēng)險的效果進行分析，可為天然氣管道企業(yè)方案優(yōu)選提供參考。

1  管道風(fēng)險評價結(jié)果

1.1  樣本選取

依據(jù)SY/T 6891.2―2020《油氣管道風(fēng)險評價法 第2部分：定量評價法》，使用某軟件對某管道高后果區(qū)管段失效頻率和失效后果進行量化計算，并將計算得出的風(fēng)險值與風(fēng)險標準進行比較，判斷風(fēng)險的可接受性，提出降低風(fēng)險的建議措施。

該管道于2012年投產(chǎn)，高后果區(qū)長1790 m，管徑914 mm，設(shè)計壓力10 MPa，運行壓力6 MPa，3PE防腐層，管道周圍常年平均風(fēng)速2.50 m/s。管道兩側(cè)200米緩沖區(qū)內(nèi)有距管道100米的電子廠，人數(shù)約為1400人，還有一處工廠職工宿舍，建筑為2棟7層樓，距離管道100米，人數(shù)為1000人。周圍還有其他一些零星居民，人數(shù)約100人。該區(qū)域內(nèi)總?cè)丝跀?shù)約為2500人。

通過系統(tǒng)收集該管道的檢測、維護數(shù)據(jù)和周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，完成了風(fēng)險計算。計算結(jié)果包括個人風(fēng)險和社會風(fēng)險。個人風(fēng)險在此處代表由于管道發(fā)生火災(zāi)爆炸導(dǎo)致附近一個人死亡的概率，且假定人沒有采取保護措施。個人風(fēng)險在地圖上以不同數(shù)值的等值線的形式給出，不同情況下計算得到的等值線與管道的垂直距離不同。社會風(fēng)險代表有N個或更多人同時死亡事故發(fā)生的概率。社會風(fēng)險一般通過F-N曲線表示（F為概率，N為傷亡人員數(shù)）[1-4]。

1.2  個人風(fēng)險結(jié)果

個人風(fēng)險計算公式如下：

式中：f 為管道失效頻率；PM為氣象條件概率；Pi為點火概率；Pd為人員死亡概率。

評價管段個人風(fēng)險等值線如圖 1。

圖 1 評價管段個人風(fēng)險等值線分布圖

圖 1左上角為比例尺。黃色區(qū)域為人口分布區(qū)，紅色為管線走向，藍色為3×10-5個人風(fēng)險等值線，粉色為1×10-5個人風(fēng)險等值線，橙色為3×10-6個人風(fēng)險等值線。

1.3  社會風(fēng)險結(jié)果

評價管段社會風(fēng)險F-N曲線（圖 2）。

圖 2 評價管段社會風(fēng)險F-N曲線圖

圖 2中紅線與綠線之間的區(qū)域表示可能造成死亡人數(shù)小于1000的區(qū)域為風(fēng)險可接受區(qū)。紅線之上以及可能造成死亡人數(shù)大于1000的區(qū)域為不可接受區(qū)。綠線之下以及可能造成死亡的人數(shù)小于1000的區(qū)域為風(fēng)險可接受區(qū)。

2  管道安全防護措施比選方法

本研究假設(shè)管道企業(yè)采取某安全防護措施，并對比該措施實施前后的風(fēng)險變化情況，分析不同措施對降低管道風(fēng)險的效果，以實現(xiàn)定量比選。研究主要選取了管道失效概率、運行壓力和周邊人口數(shù)量三種防護措施進行了模擬計算和比較。

2.1  降低管道失效概率

目前管道企業(yè)降低管道失效概率通常采用的措施有：定期進行內(nèi)檢測及修復(fù)、加密三樁一牌、高后果區(qū)內(nèi)安裝監(jiān)控攝像頭，做到管體損傷早發(fā)現(xiàn)早治理，第三方損壞早發(fā)現(xiàn)早介入，全程監(jiān)督。

假設(shè)情景1為當前現(xiàn)狀；情景2為其它條件不變的情況下，加密三樁一牌，巡檢次數(shù)翻倍；情景3為其它條件不變的情況下，采取前述措施后當年開展管道內(nèi)檢測并修復(fù)不可接受缺陷。

依次計算這些情景下管道的風(fēng)險變化情況，計算結(jié)果如下（表 1）。

表 1 不同管道失效概率下的個人風(fēng)險

由結(jié)果可知（圖 3），隨著管道失效概率的降低，管道的個人風(fēng)險等值線與管道距離之間有明顯變化，社會風(fēng)險F-N曲線也有所降低。

圖 3 不同失效概率下的社會風(fēng)險

以個人風(fēng)險等值線3×10-6這組數(shù)據(jù)為例進行分析，如表 2。

表 2 管道失效概率與個人風(fēng)險

由表 2中數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出降低失效概率可以有效降低個人風(fēng)險和社會風(fēng)險，見表 1、圖 3。當失效概率減小為原來的67%時，3×10-6個人風(fēng)險等值線距離管道的距離降低了57.95%；當失效概率減小為原來的33%時，3×10-6個人風(fēng)險等值線距離管道的距離降低了86.18%。從圖4中可以看出失效概率與人風(fēng)險等值線距離管道的距離呈正相關(guān)性，個人風(fēng)險值與社會風(fēng)險結(jié)果對管道失效概率值的變化都較敏感。

圖 4 管道失效概率與個人風(fēng)險等值線變化的對應(yīng)關(guān)系

2.2  降低管道輸送壓力

在假設(shè)其它條件不變的情況下，降低管道輸送壓力也會降低管道風(fēng)險。假設(shè)情景1為當前現(xiàn)狀，情景2為改變運行壓力為目前實際運行壓力的2/3，情景3為改變運行壓力為目前實際運行壓力的1/3。依次計算得到采取降壓措施導(dǎo)致個人風(fēng)險等值線與管道距離的關(guān)系，計算結(jié)果（表 3，圖 5）。

表 3 不同運行壓力下的個人風(fēng)險

圖 5 不同壓力下的社會風(fēng)險曲線

以個人風(fēng)險等值線3×10-6這組數(shù)據(jù)為例進行分析，結(jié)果如表 4。

表 4 運行壓力與個人風(fēng)險

由表 4數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，運行壓力降低后個人風(fēng)險和社會風(fēng)險也隨之降低，見表 3、圖 5。當運行壓力降低為原來的67%后，3×10-6個人風(fēng)險等值線與管道的距離降低了15.09%。當運行壓力降低為原來的33%時，3×10-6個人風(fēng)險等值線與管道的距離降低了28.75%。從圖 6中可以看出，運行壓力與個人風(fēng)險等值線距管道的距離呈正相關(guān)性。但個人風(fēng)險值和社會風(fēng)險值對管道運行壓力值的變化不敏感。

圖 6 運行壓力與個人風(fēng)險等值線距離的關(guān)系

2.3  降低周邊人口數(shù)量

采取人口搬遷或管道改線措施，能使管道周圍人口數(shù)量降低從而達到降低管道風(fēng)險目的。情景1為現(xiàn)狀；情景2為假設(shè)其它條件不變，保持周邊人口區(qū)域位置不變，將周邊人口數(shù)量降為現(xiàn)有人口數(shù)量的2/3，一般采取改線或搬遷；情景3為假設(shè)其它條件不變，將周邊人口數(shù)量降為現(xiàn)有人口數(shù)量的1/3。依次計算得到采取措施后導(dǎo)致個人風(fēng)險等值線與管道距離的關(guān)系，計算結(jié)果（表 5）。

表 5 運行壓力與個人風(fēng)險

由表 5數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出管道周邊人口數(shù)量降低后，個人風(fēng)險和社會風(fēng)險也隨之降低，見表 5和圖 7。當人口數(shù)量降低后，管道的個人風(fēng)險等值線與管道的距離保持不變，社會風(fēng)險的末端變化較大。這是因為個人風(fēng)險計算的過程本身與管道周邊人數(shù)無關(guān)，而社會風(fēng)險曲線的末端本身表征的就是相應(yīng)人數(shù)的累積死亡概率。因此，個人風(fēng)險值對管道周邊人口數(shù)量變化不敏感，社會風(fēng)險曲線的末端對管道周邊人口數(shù)量變化較敏感，建議在社會風(fēng)險曲線末端不可接受時考慮采用該方法。

圖 7 不同人口數(shù)量下的社會風(fēng)險曲線

3  結(jié)論

綜上所述，通過對該天然氣管道高后果區(qū)安全防護措施有效性評估，得到如下結(jié)論：各類安全防護措施中，采取多種檢測維護措施降低管道失效概率的效果最好；降低管道輸送壓力和周邊人口數(shù)量，對個人風(fēng)險的降低效果并不明顯；降低人口數(shù)量，對社會風(fēng)險的末端降低效果比較明顯。

本文分析存在以下限制與不足，后續(xù)可開展進一步研究。

（1）受當前評價標準、評價模型、評價軟件和可獲取的數(shù)據(jù)等因素的限制，定量風(fēng)險計算結(jié)果存在偏差。

（2）在對管道安全防護措施進行比選時，未考慮各類措施的投資規(guī)模，即沒有考慮各類措施的經(jīng)濟性。

（3）未考慮管道安全防護措施的作用時效。如內(nèi)檢測和缺陷修復(fù)措施的效果會隨著時間的推移而逐漸降低。一段時間后，管道風(fēng)險值會恢復(fù)至原水平，需要重新進行檢測和修復(fù)。而降低管道周邊人口數(shù)量的效果受時間變化的影響有限，將會持續(xù)有效。

 

參考文獻：

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[3]朱勇，林冬，劉雅坤，等.基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀分析的管道失效頻率計算方法[J].焊管.2016，(8)：42-48.

[4]王天瑜. 天然氣管道風(fēng)險分析與安全距離計算方法研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2017.

作者簡介：張華兵，男，河北大學(xué)教授，兼任河北大學(xué)精密儀器與計量研究所主任工程師、油氣管道安全方向?qū)W科帶頭人，石油儲運專委會管道完整性管理技術(shù)委員會秘書長，長期從事油氣管道完整性管理技術(shù)的研究與應(yīng)用，聯(lián)系方式：0312-5079330，modify78@163.com。