输油管道改线工程风险评估应用实例

张海营, 赵向南, 廉 爽, 张景飞

(1. 河南省锅炉压力容器安全检测研究院， 郑州 450016；2. 郑州大学 力学与工程科学学院， 郑州 450001)

近年来，作为重要传输系统，管道随着国内油气资源开发的不断深入，其铺设里程逐年递增[1]。管道在设计建设时，通常会避开人口密度大、施工作业频繁的地区，但随着城市建设，管道沿线的建筑物和人口密度均发生了较大变化，原管道设计方案已不能满足安全需要，为了不影响城市的发展规划，会依据GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》对相应管道进行改线建设。

目前在管道风险评估中，大多采用定性[2-12]或半定量[13-22]的评估方法对正常管道进行风险评估，而对改线管道风险评估的相关研究较少。管道改线区域集中了大量人口及重要设施，环境十分复杂，一旦管道失效泄漏，将危及公众安全，对财产、环境造成较大破坏。因此，对管道改线工程进行风险评估研究具有重要意义。

笔者通过分析辨识改线区域高后果区(HCAs)的严重程度，改线区域引起管道失效的风险因素，以及管道失效后可能造成的严重后果，并结合工程实例，提出了针对性的防控措施，为管道后期安全运营维护提供依据。

1 高后果区分析

依据GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》和《管道高后果区识别规程》，将管道HCAs划分为3类[15]：人口密集区、基础设施区、环境敏感区。

1.1 量化评估模型

HCAs的严重程度可从3个方面考评：①危害受体的属性，即管道泄漏可能危及到的目标物的自身属性；②危害受体与管道的距离，通常情况下距管道越近，目标物受到的影响越大；③一个HCAs内可能同时存在多种危害受体，其严重程度应综合考虑。鉴于此，HCAs评估模型为

(1)

式中：H为HCAs评分；i为HCAs类型；A和C为HCAs的类型；j为各类HCAs的识别规则；n为识别规则的数量；Pij为i类型HCAs在j类识别规则下危害受体的属性评分；Sij为i类型HCAs在j类识别规则下危害受体的距离评分。

通过式(1)对HCAs进行量化评估，评分越高则危害程度越严重。依据评估结果，对HCAs进行排序，并按分值高低划分为3个级别：Ⅲ级 (严重)、 Ⅱ级(较重)、Ⅰ级 (一般)，为后续管道管理提供依据。

1.2 HCAs识别及分析

对某成品油管道一站区开展HCAs识别及分析，如图1所示，管道总长度4.1 km，共辨识出12处HCAs，其中6处HCAs内人口密集和重要设施类型共存，1处HCAs内重要设施和环境敏感类型并存，其余5处为单一类型。按类型统计，人口密集区占42%，重要设施区占42%，环境敏感区占16%。

按评分高低对HCAs进行排序，并将其划分为3个等级。12处HCAs中，Ⅲ级、分值大于400的共3处，其中2处以人口密集区为主，分布有重要设施，且距离管道较近，另1处以重要设施区为主，并分布有河流等环境敏感因素，距离管道较近。Ⅱ级、分值200～400的共10处，其中4处人口密集和重要设施共存，其余5处为单一HCAs。

HCAs的01～04号为改线区段，01号经过一处村庄，在两侧200 m范围内，管道西侧有6栋26层安置房，管道东侧为交通主干道，距离管道较近，高后果区长度500 m，该HCAs的综合评分值为420分，地区等级为Ⅲ级，人口密集区和重要设施两个因素同时存在，管道泄漏起火、爆炸可能造成大面积人员伤亡和财产损失，并可能导致公路破坏。02～04号在管道两侧200 m的范围内都有超过50户居民的村庄，在管道50 m内有公路、通信光缆管线、污水管道等，人口密集和重要设施并存，等级均为Ⅱ级。

图1 HCAs识别结果Fig.1 HCAs recognition results

2 管道失效风险评估

2.1 管道失效可能性分析

基于《管道风险管理指南》构建埋地输油管道失效可能性评价指标体系，如图2所示[23]。其中一级指标5个，二级指标20个，然后进一步量化底层指标并制定相应的评分标准，底层指标的分值论域为[0,10]，分值越高则表示指标安全性越好。

图2 埋地输油管道失效可能性评估指标体系Fig.2 Evaluation index system of failure probability for buried pipelines

2.1.1 指标权重计算

首先通过模糊分析法(FAHP)主观赋权[11]，确定各指标主观权重，然后基于熵权法确定客观权重[10]，再通过基于博弈论的组合赋权方法，确定组合权重，以寻求最优的权重方案，降低主观随意性，增加客观依据，确保评价结果更加客观。

基于博弈论的组合赋权方法的主要目的是为了使各基本权重方案与理想权重的偏差和最小化，最大程度保留各权重方案反映的信息[8]。

2.1.2 风险等级划分

完成所有底层指标的分值评价之后，根据综合权重，即可得到管道的相对风险值R

(2)

式中：uij为一级指标ui中的第j个底层指标的权重值；Fij为ui的第j个底层指标的评分值；m为ui的底层指标总数。

相对风险值R总体上反映了管道的安全状况，借鉴文献[24]中的风险等级划分原则，将管道风险分为5个等级，管道风险评估等级及意义见表1。

表1 管道风险评估等级Tab.1 Grade of pipeline risk assessment

2.2 管道失效后果分析

管道失效可能引起管道泄漏，埋地输油管道一旦发生泄漏，假设管道泄漏口位于管道正上方，由文献[19]可知油品泄漏后，受到毛细管力、黏性阻力及惯性阻力的作用且泄漏口处存在一定压力，因此油品向上泄漏，随泄漏量增加，油品渗透到地面后油品的上表面没有了黏性阻力及惯性阻力的作用，此时油品在其流动性及表面土壤的毛细管力作用下，迅速向四周扩散，范围不断增大形成油池，在此过程中油品将会持续地蒸发到大气中。而油蒸气在地面上的扩散会受到风速以及风向的影响，在扩散过程中若有点火源存在，会导致事故的发生，且油品蒸发过程中产生的有毒气体也会逐渐在空气中扩散，造成大气污染。因此，一旦发现管道泄漏，应迅速通过挖储油池或一些隔离措施防止油品扩散。

由于管道发生泄漏以自由泄流为主，因此在空间直角坐标系下采用标准κ(湍流动能)-ε(湍流耗散率)湍流模型进行数值模拟[21]。通过CFD仿真软件模拟油蒸汽在管道泄漏后的扩散趋势，分析泄漏事故后果影响范围，制定合理防护及救援措施。

3 实例分析

3.1 改线管道基本情况

某成品油管道改线工程，改线段总长度约3 km，管道设计压力6.4 MPa，采用L360M直缝电阻焊钢管，管道规格φ273.1 mm×6.4 mm，外防腐层采用环氧粉末，阴极保护采用外加强制电流。由于市政规划某国道东移改建施工，道路改造后将会占压部分成品油管道，存在安全隐患，因此对管段进行改线。

管道改线工程周边为城市主干道，人员、车辆及施工建设频繁，严重威胁管道安全运行，一旦引起管道失效泄漏，后果将十分严重。通过对该改线工程进行风险评估，分析管道失效可能性以及失效后果，并提出了防控措施，以有利于管道后期安全运营维护以及道路施工工程的顺利进行和安全建设。

3.2 失效可能性分析

图1中01～04号HCAs为这一改线工程的范围。对管道改线范围内HCAs进行管道划分得到3个管段，对这3段管道的20项底层指标进行分值评价，再确定二级指标的FAHP权重、熵权及基于博弈论的组合权重，结果见表2。

由表2可知，从一级指标的权重分布来看，管道第3方破坏因素指标占38.44%，腐蚀因素指标占28.42%；从3个管段的腐蚀情况来看，管段2的腐蚀性高于管段1和管段3的腐蚀性，得分较低，3个管段的第3方破坏情况相差不大，但都存在地上活动频繁、违章占压以及巡线频率低等情况，管道的腐蚀因素和第3方破坏两方面因素应作为管道安全保护的工作重点。

结合式(2)和表2可得管段1的风险值为79.48，管段3的风险值为74.61，风险等级均为“较低”，仅需进一步巩固即可，管段2的风险值为63.73，处于“中等”的风险水平，应在严格监控下运行。

表2 各指标的评价分值及权重Tab.2 Evaluation value and weight of eachindexs

3.3 失效后果分析

利用CFD仿真软件模拟了管道泄漏后油蒸气的扩散，初步设定地面油池宽度5 m，压力按最危险条件设定，采用标准κ-ε湍流模型进行模拟，边界条件为空气速度入口，油蒸气扩散入口，自由出流。计算模型整体网格见图3，x-y面表示油蒸气在空气中的扩散范围，x-z面表示油蒸气在地面上的扩散范围。

问题计算基于常年风向(东南风、西北风)及风速特征进行分析，选择一般(1 m·s-1)和危险条件(10 m·s-1)下，管道泄漏后油蒸气扩散过程进行计算。

从图4油蒸气扩散云图结果可以看出，风向决定了油蒸气扩散方向，而风速的大小影响了油气垂直风向的扩散范围以及扩散的高度。在一般(1 m·s-1)风速条件时，油蒸气扩散范围较小，高含量区域相对扩散区域来说面积较大；随着风速的增大(10 m·s-1)，油蒸气扩散范围变大而含量呈现出减小的趋势，高含量区域相对面积缩小。分析认为：当风速越大，风对油蒸汽的输送作用越显著；风速越大，大气越不稳定，湍流扩散作用增大，空气稀释油蒸气的速度增大，所以油蒸气扩散范围变大而浓度降低。

图3 模型整体网格示意图Fig.3 Global mesh diagram of the model

图4 不同情况下油蒸气的扩散云图Fig.4 Diffusion nephogram of oil vapor under different conditions: a) 1 m·s-1, northwest wind; b) 1 m·s-1, southeast wind; c) 10 m·s-1, northwest wind; d) 10 m·s-1, southeast wind

3.4 防控措施

(1) 依据管道改线现场识别和分级结果， 01号为Ⅲ级HCAs区，人口密集和重要设施并存;在改线过程中:①与地方政府部门沟通，加大对管道保护法及管道安全知识的宣传力度，并请城市管理部门协助HCAs 的日常管理；②加强HCAs 管道安全警示；③制定检测评价计划，列入重点整治管段并持续跟踪；④对于地下隐蔽设施、其他光缆管线等，勘察掌握其详细信息，施工时注意，以防造成对其他管线的损伤。02～04号3处Ⅱ级HCAs区，应制定风险评价和检验检测计划，加强日常巡护和安全宣传。

(2) 加强风险防控，提升管道本质安全。在改线过程中：①规划阶段对管道环境进行全面调研，尤其应充分考虑城市发展速度；②设计阶段严格执行国家、行业相关法规标准，做好管道阴极保护设计；③施工阶段，提升焊接质量，对于焊缝内部质量，采用100%超声波检测和100%射线检测，避免出现气孔、未焊透、延迟性裂纹等焊缝缺陷问题；④与特种设备监管、检验部门相结合，定期对管道进行基于风险的检验，不断完善提升管道运行管理水平。

(3) 针对3个管段失效的主要影响因素：①对于违规占压或安全距离不足等情况，联合城市管理部门予以清除；②增加巡线频次，加大对第三方施工、蓄意破坏等外部干扰活动的防治力度；③改线过程中，定期对管道本体进行检测，及时对管道风险进行治理，确保风险可控；④针对城镇热力、燃气、电力等基础设施，与其隶属部门，加强沟通，建立信息互通机制，提前做好事故应急预案。

(4) 管段2得分较低，失效可能性较大。①识别和评估重大危险源，在进行风险分析和应急能力分析的基础上，制定《应急预案》；②若一旦发生泄漏，立即疏散人员、封闭现场，并设置警示标识，关闭附近所有的火源，避免发生二次事故；③查明管道周围情况，制定有针对性的抢修方案，避免发生连锁效应产生次生事故；④对于泄漏反冲到路面的情况，采用鼓风机等强制通风方式降低油蒸气浓度，防止造成中毒及遇明火发生爆炸的情况出现。

4 结论

(1) 通过对管道改线工程HCAs的识别和量化评估，对HCAs进行排序和等级划分，明确了造成管道HCAs的原因及主要特征因素。

(2) 针对埋地输油管道失效可能性评估指标体系，采用FAHP确定各指标主观权重，熵权法确定客观权重，引入基于博弈论的组合赋权方法，确定组合权重，得出管道改线工程第3方破坏因素指标占38.44%，腐蚀因素指标占28.42%，是管道失效的主要原因，在第3方破坏中地上活动频繁、违章占压以及巡线频率低占主要因素，管段2的风险值为63.73，处于“中等”的风险水平，应在严格监控下运行，以防造成管段失效。

(3) 模拟分析管道失效泄漏时，分别模拟油蒸气在1 m·s-1和10 m·s-1情况下的扩散情况，风向是导致油蒸气扩散方向的决定性因素，随着风速增大油蒸气扩散范围变大而含量变少。