地区升级后输气管道定量风险评价与分析

韩帅，郭辉，李跃杰，梁昌晶

(1. 中油国际管道公司中缅油气管道项目 曼德勒管理处，北京 100029；2. 中国石油华北油田公司 第一采油厂，河北 任丘 062552；3. 中石化广元天然气净化有限公司，四川 广元 628000)

输气管道在可研和初级设计阶段，通常会选择人烟稀少、地势开阔的区域，但伴随城镇化扩张和地方经济的发展，管道周围的建筑物、人口密度和商业活动不断增多，原设计方案中的一、二级地区逐渐升级为三、四级地区，管道发生泄漏后的危险性大幅增加[1-2]。GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》中规定： 当地区发生规划与初步设计阶段设定的地区等级不一致时，应对地区等级进行完整性管理和风险评价，制定管控措施。但未明确具体相关作法，不具备可操作性[3-5]。因此，为定量分析输气管道地区等级升级后的风险，采用基于可靠性的定量风险评价技术，引入极限状态函数计算失效概率，通过Stephens[6]危害模型计算因热辐射造成的失效后果，并确定个体和社会风险的可接受准则判定管道安全状态，有针对性地实施风险减缓措施，研究结果可为相关规范的更新提供理论依据和实际参考。

1 基于可靠性风险评价

1.1 失效概率计算

目前，对于失效概率的定量分析方法主要包括基于失效统计数据和基于可靠性的评价两种。基于失效统计数据主要是通过统计腐蚀、穿孔等失效事件，参考国内外相关机构公布的基线失效概率，根据实际情况和风险状况计算待评价管道的修正系数，从而得到失效概率。该方法最重要的是统计基线失效概率，目前中国在这方面的数据存在一定程度的缺失，定量分析结果可信度不高。基于可靠性的评价方法是通过收集待评价管道沿线环境数据和载荷状况(包括内压、外压等)，根据应力-干涉原理建立管道极限状态方程，计算管道失效概率。

经研究表明，管道失效按原因可分为腐蚀、第三方破坏、母材或焊缝失效、自然破坏和人员误操作五个方面，其中因腐蚀和第三方破坏造成的管道失效次数约占总失效次数的60%～70%[7]。因此，为了简化分析过程，仅计算腐蚀和第三方破坏造成的失效概率。采用蒙特卡洛方法计算管道极限状态下的失效概率，极限状态根据API581对管道泄漏孔径的定义选取大孔泄漏和管道破裂两种，计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：PULS——极限状态下的总失效概率，次/(km·a)；D——管道外径，mm；PLL——输气管道大孔泄漏时的失效概率，次/(km·a)；PRU——管道破裂时的失效概率，次/(km·a)。

腐蚀缺陷的发展与时间相关，而第三方破坏与时间无关，因此腐蚀和第三方破坏的失效概率分别采用PRISM软件中时间序列和非时间序列函数计算。

1.2 失效后果计算

输气管道按照泄漏介质是否被点燃以及点燃是否延迟，分为蒸气云扩散、喷射火、闪火、闪燃等危害形式，其中人员伤亡主要与天然气泄漏后产生的热辐射相关。Stephens等提出了危害模型，该模型根据危害区域半径定义热辐射伤害的上限阈值，如图1所示。其中，外圆以外即热辐射下限阈值定义为死亡率0，内圆以内即热辐射上限阈值定义为死亡率100%，在2个同心圆中间区域部分分为室内和室外两种情况，室内死亡率为20%，室外死亡率为50%。由此计算管道失效状态下的死亡人数N如式(2)～(4)所示：

图1 Stephens危害模型示意

(2)

(3)

γ=4.92×10-4D

(4)

式中：γ——管道泄漏后被点燃的概率；ρ——平均人口密度，人/km2，根据潜在影响半径、潜在影响范围和人口统计数据确定；τ——管道失效发生后，人员出现在潜在影响范围内的概率，根据美国管道及危险物品安全管理局(PHMSA)的数据取0.4；Pin，Pout——管道敷设路径沿线范围内人员在室内和室外的时间比例，根据对国内输气管道沿线人员密度和活动范围调研，室内、室外时间占比分别取0.8和0.2；rin0，rin100——室内热辐射强度危害半径的上、下阈值，m；rout0，rout100——室外热辐射强度危害半径的上、下阈值，m；I——热辐射强度的阈值，kW/m2；p——管道运行压力，MPa。

2 风险管控原则

输气管道风险管控主要遵循ALARP原则[8]。ALARP原则认为任何设备及工业系统都存在一定风险，如想将风险降到很低的状态，需投资的边际效益会迅速递减，故需在成本和风险水平之间做出折中选择。ALARP原则将风险分为3个区域，分别为不可接受区、合理可行区和可接受区，如风险落在不可接受区，应立即采取风险减缓相关措施；如落在合理可行区，应对减缓措施花费的成本和效益之间进行平衡；如落在可接受区，应保持现状并加强监控力度，无需采取任何措施。

采用个人风险rid和社会风险衡量输气管道地区等级升级后的风险值。rid是指在特定位置遭受特定危害而死亡的概率，计算公式如式(5)所示：

(5)

式中：Y——泄漏后事故后果发生的概率；l——临界失效点距离管道中心点的距离。L——管道长度。

社会风险采用F-N曲线，根据PULS和N之间的关系确定社会风险。

个人风险和社会风险均参照SY/T 6859—2020《油气输送管道风险评价导则》和《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》(2011年国家安全生产监督管理总局第40号文)中推荐的风险标准，个人风险准则见表1所列，社会风险准则如图2所示。

表1 个人风险准则

图2 社会风险准则示意

3 实例分析

某输气管道管径为323 mm，设计壁厚为6.3 mm，防腐层采用3PE，补口处采用交联聚乙烯胶带，在设计初期沿管道中心线100 m范围内的户数在15户以下，为一级二类地区，经过城市规划，管道中心线两侧建设了学校、医院、安置房小区等，影响范围内的户数大幅提高，地区等级升为三级。根据地区等级划分原则，升级后平均人口密度为2 470人/km2。

根据管道制管、成管、焊接、运行、维护、检修等相关资料，建立极限状态函数模型，采用Matlab模拟计算，预计管道寿命为30 a，得到腐蚀和第三方破坏分别在大孔泄漏和管道破裂两种条件下的失效概率，由于腐蚀缺陷的发展与时间相关，保守情况下腐蚀失效概率取30 a中的最大值。为综合考虑其他失效原因造成的管道失效，在计算大孔泄漏和管道破裂失效概率时，取最大腐蚀失效概率和第三方破坏失效概率之和的1.5倍，PULS按照式(1)计算，结果见表2所列。

表2 总失效概率结果汇总 次/(km·a)

根据式(5)计算地区等级升级后的个人风险，如图3所示。随着目标与管道距离的增加，个人风险值逐渐降低，最大个人风险值为1.13×10-5，在合理可行区的范围内。根据式(2)～(4)计算地区等级升级后的影响范围内死亡人数为12人，对照图1，社会风险值落在可接受区，但与合理可行区和可接受区的边界线距离较近，应采取一定减缓措施，如图4所示。

图3 地区升级后的个人风险值示意

图4 地区升级后的社会风险值示意

针对风险评价结果，可采用以下措施进行减缓： 对升级地区内的管道换线；缩短内检测周期；降低最大运行压力；增加管道壁厚；加大管道埋深；增加第三方防护措施，架设水泥盖板或盖板涵洞。

针对以上措施重新评价风险，显示无论采用哪一种方式，均会降低个人风险和社会风险到可接受区。但综合考虑经济效益，其中管道换线需要将废弃管道进行充填处置，且需要重新规划、设计和土地审批，费用最高；缩短内检测周期将大幅增加运行费用和堵管风险；降低最大运行压力对于下游分输站及用户的影响较大，影响供气稳定；增加壁厚和加大埋深均需要涉及管道重新开挖，对于人员密集区域难度较大。最终，确定采用盖板方式进行第三方防护，保证管道在受车辆、人员碾压的情况下不发生变形。

4 结束语

1)采用蒙特卡洛方法计算管道极限状态下的失效概率，通过Stephens危害模型计算因热辐射造成的失效后果，并研究了个人风险和社会风险的可接受准则。

2)通过经济性和可行性分析，采取有效的风险减缓措施，提供了一套完整用于地区等级升级后的定量风险评价技术。

3)对于地区等级尚未升级的区域，应密切结合地区规划局、土地局的相关部署，确定未来可能升级的区域，提前部署风险减缓措施，提高风险管控水平。