邊開磊 周亞薇 熊健

中國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)險評價方法多以事故經(jīng)驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，缺少精確的定量計算，可能導(dǎo)致無法準(zhǔn)確評價高后果區(qū)風(fēng)險及采取有效風(fēng)險消減措施。采用基于可靠性的定量風(fēng)險評價方法，利用PRISM軟件和Phast軟件對中俄東線天然氣管道某特定場所高后果區(qū)進(jìn)行管道失效概率及失效后果模擬計算，從而對管道失效以及采取消減措施后的風(fēng)險進(jìn)行量化。根據(jù)對該特定場所定量風(fēng)險評價結(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)計及建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；特定場所高后果區(qū)；失效概率；失效后果；風(fēng)險評價；社會風(fēng)險；個人風(fēng)險

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)計壓力10 MPa，潛在影響半徑為382 m，沿線共識別出26處高后果區(qū)，其中包含特定場所21處。為準(zhǔn)確評價高后果區(qū)風(fēng)險并評估采取措施后的風(fēng)險消減情況，針對某特定場所開展基于可靠性的定量風(fēng)險評價。

1  定量風(fēng)險評價方法概述

定量風(fēng)險評價（Quantitative Risk Assessment，QRA）是將管道的失效概率和失效后果進(jìn)行定量計算，通過數(shù)值表明所評價對象的危險程度，實現(xiàn)對管道風(fēng)險的精確描述，以便科學(xué)地確定風(fēng)險防控和消減措施，最大限度減少事故發(fā)生所造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡和對環(huán)境的破壞。定量風(fēng)險評價結(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。評價過程主要包括數(shù)據(jù)收集、風(fēng)險識別、管段劃分、失效概率和失效后果計算、風(fēng)險計算、風(fēng)險評價和決策等，其核心是管道失效概率和失效后果的計算。

目前常用的有基于失效統(tǒng)計的定量風(fēng)險評價技術(shù)、基于可靠性的定量風(fēng)險評價技術(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)險評價方法
基于可靠性的定量風(fēng)險評價技術(shù)通過對管道沿線環(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—強度分布干涉理論計算管道失效概率[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算管道風(fēng)險。失效概率計算需要建立管道各種可能的風(fēng)險因素相應(yīng)的極限狀態(tài)方程，如對管道腐蝕、第三方損壞以及環(huán)焊縫失效等因素進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用PRISM軟件、采用蒙特卡洛仿真算法分別計算各因素失效概率。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，從而定量計算管道風(fēng)險[5-9]。基于可靠性的定量風(fēng)險評價流程見圖 1。

圖 1 基于可靠性的定量風(fēng)險評價流程圖

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)險評價的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險可接受準(zhǔn)則按照《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)和社會可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2014年第13號公告）評判。

3  特定場所高后果區(qū)定量風(fēng)險評價

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，屬于特定場所高后果區(qū)，采用基于可靠性的定量風(fēng)險評價方法進(jìn)行風(fēng)險評價。

3.1  管道失效原因及載荷分析

根據(jù)國內(nèi)管道失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計（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際情況，該特定場所高后果區(qū)風(fēng)險評價主要考慮第三方損壞、外部腐蝕、環(huán)焊縫失效三個因素。

圖 2 國內(nèi)管道失效原因統(tǒng)計

中俄東線天然氣管道（永清—上海）為埋地敷設(shè)，在運行過程中可能同時出現(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)失效概率的計算，結(jié)合上述管道載荷和危害因素分析，在計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��?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，計算次數(shù)1000萬次。管道投產(chǎn)后假定首次內(nèi)檢測間隔時間為3年，之后內(nèi)檢測周期按照每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軟件對該工況下的天然氣管道進(jìn)行失效概率計算。將上述不同極限狀態(tài)對應(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 無缺陷管道破裂計算參數(shù)

表 3 眾合醫(yī)院高后果區(qū)失效概率計算結(jié)果

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

（1）泄漏。①泄漏孔徑：根據(jù)工程經(jīng)驗并結(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，管道內(nèi)的壓力下降不明顯，因此采用初始泄漏速率、挪威船級社Phast軟件計算泄漏量。

（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)險評估指南》，本次假定氣象條件為：1.5 F/3 D/8 D。

（3）點火源及點火概率。①點火源：點火源主要包括點源、線源及面源，眾合醫(yī)院附近的點火源為汽車、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立即點火概率：根據(jù)荷蘭《定量風(fēng)險評估指南》中的規(guī)定，立即點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延遲點火可能性：由點火源引起的延遲點火概率模型為

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

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

點火概率按一定時間間隔的點火概率計算，表 4給出了涉及本次特定場所點火源在1分鐘時間間隔點火的概率。

表 4 眾合醫(yī)院特定場所點火源在1分鐘內(nèi)的點火概率

3.4  個人和社會可接受風(fēng)險

參照《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)和社會可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，本項目為新建管道項目，眾合醫(yī)院高后果區(qū)為高敏感場所，其個人風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)概率值不大于3×10-7；社會風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)如圖 3所示。

圖 3 社會風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)

3.5  風(fēng)險評價結(jié)果

（1）個人風(fēng)險。經(jīng)Phast軟件進(jìn)行定量風(fēng)險計算，眾合醫(yī)院高后果區(qū)個人風(fēng)險等高線計算結(jié)果見圖 4。可知眾合醫(yī)院高后果區(qū)個人風(fēng)險概率大于標(biāo)準(zhǔn)值3×10-7（每年），個人風(fēng)險不可接受，需要采取風(fēng)險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)個人風(fēng)險等高線圖

中國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，無點火源和助燃?xì)怏w，故不會引起管道的爆炸燃燒，同時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)險評價軟件模擬計算，其個人風(fēng)險概率小于標(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)管段個人風(fēng)險橫切圖

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

（2）社會風(fēng)險。圖 7為眾合醫(yī)院高后果區(qū)社會風(fēng)險評價F-N曲線，可以看出，其社會風(fēng)險處于圖 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)險消減措施。

圖 7 眾合醫(yī)院高后果區(qū)社會風(fēng)險評價結(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)險評價方法，利用PRISM軟件及挪威船級社開發(fā)的Phast軟件進(jìn)行管道失效概率及失效后果模擬計算，從而對管道失效后的風(fēng)險進(jìn)行了量化。針對個人風(fēng)險不可接受評價結(jié)果，提出采用定向鉆穿越方式敷設(shè)管道，使個人風(fēng)險處于可接受標(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)險評價提供了科學(xué)的方法。

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