邊開(kāi)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風(fēng)險評價(jià)方法多以事故經(jīng)驗和統計數據為依據，缺少精確的定量計算，可能導致無(wú)法準確評價(jià)高后果區風(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(jià)方法，利用PRISM軟件和Phast軟件對中俄東線(xiàn)天然氣管道某特定場(chǎng)所高后果區進(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。根據對該特定場(chǎng)所定量風(fēng)險評價(jià)結果提出采用非開(kāi)挖穿越方式以降低管道失效后果，為管道設計及建設提供借鑒。

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

中俄東線(xiàn)天然氣管道工程（永清—上海）泰安—泰興段管徑1219 mm，設計壓力10 MPa，潛在影響半徑為382 m，沿線(xiàn)共識別出26處高后果區，其中包含特定場(chǎng)所21處。為準確評價(jià)高后果區風(fēng)險并評估采取措施后的風(fēng)險消減情況，針對某特定場(chǎng)所開(kāi)展基于可靠性的定量風(fēng)險評價(jià)。

1  定量風(fēng)險評價(jià)方法概述

定量風(fēng)險評價(jià)（Quantitative Risk Assessment，QRA）是將管道的失效概率和失效后果進(jìn)行定量計算，通過(guò)數值表明所評價(jià)對象的危險程度，實(shí)現對管道風(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(jià)結果的精度取決于數據資料的完整性和精度、數學(xué)模型和分析方法的合理性。評價(jià)過(guò)程主要包括數據收集、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(jià)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計的定量風(fēng)險評價(jià)技術(shù)、基于可靠性的定量風(fēng)險評價(jià)技術(shù)以及故障樹(shù)、事件樹(shù)、數值模擬分析等方法。

2  基于可靠性的定量風(fēng)險評價(jià)方法
基于可靠性的定量風(fēng)險評價(jià)技術(shù)通過(guò)對管道沿線(xiàn)環(huán)境和荷載狀況進(jìn)行分析，確定可能導致管道失效的主要極限狀態(tài)和狀態(tài)方程，采用應力—強度分布干涉理論計算管道失效概率[1-4]，然后結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(diǎn)火情景下，熱輻射引起管道周?chē)�人員傷亡的程度，從而定量計算管道風(fēng)險[5-9]�；�于可靠性的定量風(fēng)險評價(jià)流程見(jiàn)圖 1。

圖 1 基于可靠性的定量風(fēng)險評價(jià)流程圖

根據SY/T 7380―2017《輸氣管道高后果區完整性管理規范》的規定，定量風(fēng)險評價(jià)的個(gè)人風(fēng)險和社會(huì )風(fēng)險可接受準則按照《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險標準和社會(huì )可接受風(fēng)險標準（試行）》（國家安全生產(chǎn)監督管理總局2014年第13號公告）評判。

3  特定場(chǎng)所高后果區定量風(fēng)險評價(jià)

中俄東線(xiàn)天然氣管道（永清—上海）泰安—泰興段距離臨沂市汪溝鎮眾合醫院北側約30 m，屬于特定場(chǎng)所高后果區，采用基于可靠性的定量風(fēng)險評價(jià)方法進(jìn)行風(fēng)險評價(jià)。

3.1  管道失效原因及載荷分析

根據國內管道失效數據統計（圖 2），失效原因依次為外力損壞、腐蝕、制造缺陷、自然災害、誤操作和其他原因。結合中俄東線(xiàn)管道的實(shí)際情況，該特定場(chǎng)所高后果區風(fēng)險評價(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 國內管道失效原因統計

中俄東線(xiàn)天然氣管道（永清—上海）為埋地敷設，在運行過(guò)程中可能同時(shí)出現永久載荷、可變載荷和偶然載荷。結合泰安—泰興段管道的敷設情況，對上述可能出現的載荷分析如表 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)行結構失效概率的計算，結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壓作用導致的管道無(wú)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，并將管道失效導致的極限狀態(tài)歸為小泄漏、大泄漏和破裂三類(lèi)。

根據極限狀態(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由每一種管道失效原因導致的對應失效形式相加，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1000萬(wàn)次。管道投產(chǎn)后假定首次內檢測間隔時(shí)間為3年，之后內檢測周期按照每8年一次進(jìn)行，管道無(wú)缺陷破裂參數見(jiàn)表 2。采用加拿大C-FER公司開(kāi)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)對應的結果分別相加，得到小泄漏、大泄漏和破裂的總失效概率見(jiàn)表 3。

表 2 無(wú)缺陷管道破裂計算參數

表 3 眾合醫院高后果區失效概率計算結果

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(guò)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：根據工程經(jīng)驗并結合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：當管道發(fā)生孔泄漏時(shí)，管道內的壓力下降不明顯，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。大氣穩定度分為A、B、C、D、E、F，其中A為最不穩定，F為最穩定。根據荷蘭紫皮書(shū)《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(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(xiàn)源及面源，眾合醫院附近的點(diǎn)火源為汽車(chē)、戶(hù)外爐、戶(hù)內爐，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(chǎng)等；②立即點(diǎn)火概率：根據荷蘭《定量風(fēng)險評估指南》中的規定，立即點(diǎn)火的可能性由氣體活性及泄漏源泄漏速率來(lái)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)間間隔內的點(diǎn)火概率；Ppresent為當蒸氣云經(jīng)過(guò)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 眾合醫院特定場(chǎng)所點(diǎn)火源在1分鐘內的點(diǎn)火概率

3.4  個(gè)人和社會(huì )可接受風(fēng)險

參照《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險標準和社會(huì )可接受風(fēng)險標準（試行）》，本項目為新建管道項目，眾合醫院高后果區為高敏感場(chǎng)所，其個(gè)人風(fēng)險可接受標準概率值不大于3×10-7；社會(huì )風(fēng)險可接受標準如圖 3所示。

圖 3 社會(huì )風(fēng)險可接受標準

3.5  風(fēng)險評價(jià)結果

（1）個(gè)人風(fēng)險。經(jīng)Phast軟件進(jìn)行定量風(fēng)險計算，眾合醫院高后果區個(gè)人風(fēng)險等高線(xiàn)計算結果見(jiàn)圖 4�？芍�眾合醫院高后果區個(gè)人風(fēng)險概率大于標準值3×10-7（每年），個(gè)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。

圖 4 眾合醫院高后果區個(gè)人風(fēng)險等高線(xiàn)圖

中國石油天然氣管道工程有限公司“天然氣管道高后區安全防控設計技術(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?chē)�土壤緊密貼合，無(wú)氣體存儲空間，假設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(wú)點(diǎn)火源和助燃氣體，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。因此眾合醫院高后果區采取定向鉆（埋深不小于10 m）方式敷設管道，之后再次經(jīng)定量風(fēng)險評價(jià)軟件模擬計算，其個(gè)人風(fēng)險概率小于標準值3×10-7（每年），在可接受標準范圍內。如圖 5、圖 6所示。

圖 5 眾合醫院高后果區定向鉆敷設管段個(gè)人風(fēng)險橫切圖

圖 6 眾合醫院高后果區定向鉆敷設管段個(gè)人風(fēng)險等高線(xiàn)圖

（2）社會(huì )風(fēng)險。圖 7為眾合醫院高后果區社會(huì )風(fēng)險評價(jià)F-N曲線(xiàn)，可以看出，其社會(huì )風(fēng)險處于圖 3標準規定的F-N曲線(xiàn)可接受區，不需要采取風(fēng)險消減措施。

圖 7 眾合醫院高后果區社會(huì )風(fēng)險評價(jià)結果

4  結論

中俄東線(xiàn)天然氣管道（永清—上海）泰安—泰興段眾合醫院高后果區采用基于可靠性的定量風(fēng)險評價(jià)方法，利用PRISM軟件及挪威船級社開(kāi)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(gè)人風(fēng)險不可接受評價(jià)結果，提出采用定向鉆穿越方式敷設管道，使個(gè)人風(fēng)險處于可接受標準范圍內，有效降低了管道失效后果，為高后果區定量風(fēng)險評價(jià)提供了科學(xué)的方法。

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