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(huì ) 

 

摘要：研究管道高后果區安全防護措施有效性對指導企業(yè)高后果區管理有重要意義，提出了一種定量比選方法，基于某個(gè)典型高后果區進(jìn)行試點(diǎn)，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量這3類(lèi)安全防護措施的風(fēng)險降低效果進(jìn)行對比分析。結果表明，降低管道失效概率的效果最好。

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

 

隨著(zhù)天然氣管道和各地經(jīng)濟的不斷發(fā)展，管道周邊人口數量也在逐年增長(cháng)，管道高后果區數量隨之增加。如何保障管道高后果區安全運營(yíng)，對企業(yè)和地方政府提出了嚴峻挑戰。根據GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規范》要求，天然氣管道高后果區風(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檢測、外檢測、缺陷修復、加密和維護管道警示標識、安裝視頻監控等；減輕失效后果包括降低管道輸送壓力、人口密集區搬遷、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(guò)計算分析，對幾類(lèi)常用防護措施降低風(fēng)險的效果進(jìn)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(jià)結果

1.1  樣本選取

依據SY/T 6891.2―2020《油氣管道風(fēng)險評價(jià)法 第2部分：定量評價(jià)法》，使用某軟件對某管道高后果區管段失效頻率和失效后果進(jìn)行量化計算，并將計算得出的風(fēng)險值與風(fēng)險標準進(jìn)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)，高后果區長(cháng)1790 m，管徑914 mm，設計壓力10 MPa，運行壓力6 MPa，3PE防腐層，管道周?chē)�常年平均風(fēng)速2.50 m/s。管道兩側200米緩沖區內有距管道100米的電子廠(chǎng)，人數約為1400人，還有一處工廠(chǎng)職工宿舍，建筑為2棟7層樓，距離管道100米，人數為1000人。周?chē)�還有其他一些零星居民，人數約100人。該區域內總人口數約為2500人。

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

1.2  個(gè)人風(fēng)險結果

個(gè)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(diǎn)火概率；Pd為人員死亡概率。

評價(jià)管段個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)如圖 1。

圖 1 評價(jià)管段個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)分布圖

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

1.3  社會(huì )風(fēng)險結果

評價(jià)管段社會(huì )風(fēng)險F-N曲線(xiàn)（圖 2）。

圖 2 評價(jià)管段社會(huì )風(fēng)險F-N曲線(xiàn)圖

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

2  管道安全防護措施比選方法

本研究假設管道企業(yè)采取某安全防護措施，并對比該措施實(shí)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(shí)現定量比選。研究主要選取了管道失效概率、運行壓力和周邊人口數量三種防護措施進(jìn)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(jìn)行內檢測及修復、加密三樁一牌、高后果區內安裝監控攝像頭，做到管體損傷早發(fā)現早治理，第三方損壞早發(fā)現早介入，全程監督。

假設情景1為當前現狀；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(kāi)展管道內檢測并修復不可接受缺陷。

依次計算這些情景下管道的風(fēng)險變化情況，計算結果如下（表 1）。

表 1 不同管道失效概率下的個(gè)人風(fēng)險

由結果可知（圖 3），隨著(zhù)管道失效概率的降低，管道的個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)與管道距離之間有明顯變化，社會(huì )風(fēng)險F-N曲線(xiàn)也有所降低。

圖 3 不同失效概率下的社會(huì )風(fēng)險

以個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)3×10-6這組數據為例進(jìn)行分析，如表 2。

表 2 管道失效概率與個(gè)人風(fēng)險

由表 2中數據結果可以看出降低失效概率可以有效降低個(gè)人風(fēng)險和社會(huì )風(fēng)險，見(jiàn)表 1、圖 3。當失效概率減小為原來(lái)的67%時(shí)，3×10-6個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)距離管道的距離降低了57.95%；當失效概率減小為原來(lái)的33%時(shí)，3×10-6個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)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(xiàn)距離管道的距離呈正相關(guān)性，個(gè)人風(fēng)險值與社會(huì )風(fēng)險結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(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)變化的對應關(guān)系

2.2  降低管道輸送壓力

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

表 3 不同運行壓力下的個(gè)人風(fēng)險

圖 5 不同壓力下的社會(huì )風(fēng)險曲線(xiàn)

以個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)3×10-6這組數據為例進(jìn)行分析，結果如表 4。

表 4 運行壓力與個(gè)人風(fēng)險

由表 4數據結果可以看出，運行壓力降低后個(gè)人風(fēng)險和社會(huì )風(fēng)險也隨之降低，見(jiàn)表 3、圖 5。當運行壓力降低為原來(lái)的67%后，3×10-6個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)與管道的距離降低了15.09%。當運行壓力降低為原來(lái)的33%時(shí)，3×10-6個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)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(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)距管道的距離呈正相關(guān)性。但個(gè)人風(fēng)險值和社會(huì )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(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)距離的關(guān)系

2.3  降低周邊人口數量

采取人口搬遷或管道改線(xiàn)措施，能使管道周?chē)�人口數量降低從而達到降低管道風(fēng)險目的。情景1為現狀；情景2為假設其它條件不變，保持周邊人口區域位置不變，將周邊人口數量降為現有人口數量的2/3，一般采取改線(xiàn)或搬遷；情景3為假設其它條件不變，將周邊人口數量降為現有人口數量的1/3。依次計算得到采取措施后導致個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)與管道距離的關(guān)系，計算結果（表 5）。

表 5 運行壓力與個(gè)人風(fēng)險

由表 5數據結果可以看出管道周邊人口數量降低后，個(gè)人風(fēng)險和社會(huì )風(fēng)險也隨之降低，見(jiàn)表 5和圖 7。當人口數量降低后，管道的個(gè)人風(fēng)險等值線(xiàn)與管道的距離保持不變，社會(huì )風(fēng)險的末端變化較大。這是因為個(gè)人風(fēng)險計算的過(guò)程本身與管道周邊人數無(wú)關(guān)，而社會(huì )風(fēng)險曲線(xiàn)的末端本身表征的就是相應人數的累積死亡概率。因此，個(gè)人風(fēng)險值對管道周邊人口數量變化不敏感，社會(huì )風(fēng)險曲線(xiàn)的末端對管道周邊人口數量變化較敏感，建議在社會(huì )風(fēng)險曲線(xiàn)末端不可接受時(shí)考慮采用該方法。

圖 7 不同人口數量下的社會(huì )風(fēng)險曲線(xiàn)

3  結論

綜上所述，通過(guò)對該天然氣管道高后果區安全防護措施有效性評估，得到如下結論：各類(lèi)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量，對個(gè)人風(fēng)險的降低效果并不明顯；降低人口數量，對社會(huì )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，后續可開(kāi)展進(jìn)一步研究。

（1）受當前評價(jià)標準、評價(jià)模型、評價(jià)軟件和可獲取的數據等因素的限制，定量風(fēng)險計算結果存在偏差。

（2）在對管道安全防護措施進(jìn)行比選時(shí)，未考慮各類(lèi)措施的投資規模，即沒(méi)有考慮各類(lèi)措施的經(jīng)濟性。

（3）未考慮管道安全防護措施的作用時(shí)效。如內檢測和缺陷修復措施的效果會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而逐漸降低。一段時(shí)間后，管道風(fēng)險值會(huì )恢復至原水平，需要重新進(jìn)行檢測和修復。而降低管道周邊人口數量的效果受時(shí)間變化的影響有限，將會(huì )持續有效。

 

參考文獻：

[1]張華兵，王新.基于風(fēng)險評價(jià)的管道安全距離確定方法[J].油氣儲運.2018，(1)：20-23.

[2]楊松克，趙正勛，楊曦宇，等.埋地原油長(cháng)輸管道定量風(fēng)險評價(jià)技術(shù)研究[J].油氣田地面工程.2018，(5)：11-15.

[3]朱勇，林冬，劉雅坤，等.基于統計數據與現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(jiǎn)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、油氣管道安全方向學(xué)科帶頭人，石油儲運專(zhuān)委會(huì )管道完整性管理技術(shù)委員會(huì )秘書(shū)長(cháng)，長(cháng)期從事油氣管道完整性管理技術(shù)的研究與應用，聯(lián)系方式：0312-5079330，modify78@163.com。