长输天然气管道高后果区识别与风险管控

安科工程技术研究院(北京)有限公司 吴广春

上海天然气管网有限公司 李德明

国家管网集团西气东输分公司 濮春明

以美国联邦法规49 CFR Part 195《危险液体管道在高后果区开展完整性管理》和49 CFR Part 192《天然气管道在高后果区开展完整性管理》的批准实施为标志，全球长输油气管道由风险管理阶段转入完整性管理阶段，从而实现了长输油气管道管理方式的重大变革。

我国自20世纪90年代起开展管道安全评价研究，逐步建立和完善了我国长输油气管道完整性管理体系。2017年国家安监总局等八部门签发了《关于加强油气输送管道途径人员密集场所高后果区安全管理工作的通知》，要求各相关单位突出加强高后果区的安全管理工作，有效防范油气输送管道重特大生产安全事故。GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》中也强制要求各管道运营单位周期性开展高后果区的识别和更新工作，同时对高后果区管道进行风险评价。然而，在具体的识别界定和风险控制过程中由于对标准规范的认知程度不同，往往会产生一些疑惑，如：工厂和办公楼如何界定、高后果区的边界如何界定、地区发展后等级评定及最大允许操作压力(MAOP)如何确定与修正以及高后果区管段可接受的风险水平如何量化等。

本文就以上问题的现状进行了分析，基于此提出了管道完整性管理发展的一些建议，为国内同行提供一定的借鉴。

1 高后果区识别

1.1 地区等级划分

地区等级划分主要采用单位面积住户数(又称住户密度指数)或人口密度两种指标，其中又以单位面积住户数更为普遍。现国内外关于地区等级划分准则的标准规范主要有：国家标准GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》、国际标准化组织标准ISO 13623:2017 Petroleum and natural gas industries- Pipeline transportation systems、GB/T 24259—2009《石油天然气工业 管道输送系统》(修改采用ISO 13623:2000)、美国机械工程师协会标准 ASME B31.8:2018 Gas Transmission and Distribution Piping Systems和加拿大标准协会标准 CSA-Z662-15 Oil and Gas pipeline systems。其中，ISO 13623:2017和GB/T 24259—2009以人口密度衡量地区等级，其余3种标准均以单位面积住户数衡量。表1为我国现行标准对地区等级划分相关规定的对比，基于单位面积住户数和人口密度两种指标的差异，相应的管道设计系数也存在差异。

在地区等级划分上，GB/T 24259—2009对工业厂房、办公楼、宾馆酒店等进行了更为明确的界定，属于三级地区。但考虑到住户数统计的便利性，国内多采用 GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》进行地区等级划分和管道设计。

表1 GB 50251—2015和GB/T 24259—2009(ISO 13623:2017)地区等级划分准则

GB 50251—2015关于不同地区等级的管道设计采用不同设计系数的办法主要参考了 ASME B31.8:2018标准，同时结合我国人口地区特征差异大的特点，从实际出发对住户密度指数进行了修正。ASME B31.8:2018中该指数为15.6户/km2，GB 50251—2015则根据国情确定为18.75户/km2。

ASME B31.8:2018与CSA-Z662-15关于地区等级划分上要求相近，但ASME B31.8:2018对管道设计系数要求更高，更为保守。由此可见，标准 GB 50251—2015和GB/T 24259—2009在充分考虑我国人口分布实际情况下，对标国际标准更具科学性，尤其在一级一类地区划分要求上更为严格。

1.2 高后果区等级识别

高后果区为管道发生事故后可能对公众和环境产生较大影响的区域，分为I、II和III级。I级表示最小的严重程度，III级表示最大的严重程度。管道高后果区的识别与管道所处地区等级的划分密切相关。GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》中关于输气管道高后果区识别准则做出了规定：管道经过区域符合表2识别项中任何一条的即为高后果区。其中的地区等级划分按照 GB 50251—2015中相关规定执行。对于穿越公路和铁路的燃气管道，该标准中虽未明确定义高后果区级别，但GB 50251—2015和GB 50253—2014《输油管道设计规范》中都相应降低了强度设计系数，即间接提升了高后果区等级。

表2 输气管道高后果区管段识别分级

2 地区等级升级影响

2.1 地区等级变更限值

随着地区经济发展、地区内户数或人口增长，地区等级升级是管道运营单位日常高后果区管控中经常遇见的情形。常规的做法是根据发展后的户数或人口重新评定地区等级。ISO 13623:2017在评定地区等级时，同时考虑了在役管道周边环境的发展，提出了区域发展后人口密度的限值，对于一级、二级、三级和四级地区分别给出了发展后的人口密度限值区间：25 人/km2、(25～100)人/km2、(100～350)人/km2和＞350人/km2(但未达到五级地区的要求)，不超过给定的区间，可不做地区等级升级处理。ASME B31.8:2018则给出了地区发展后户数变化的允许区间，分别为：一级地区11～25户、二级地区26～65户和三级地区＞66户(但未达到四级地区的要求)。允许区域发展，设置合理的变更限值，是较为合理和科学的做法。管道运营单位在日常管理过程中可参考借鉴。

2.2 现役管道MAOP调整

地区等级升级后，会造成现役管道与升级后地区的MAOP不匹配。如何对现役管道MAOP进行调整与修正，是困扰管道运营单位的一个突出问题。ASME B31.8:2018给出了推荐做法，可供参考。

(1) 如果管段的实际服役状况良好，地区等级变化前经适用性评价满足合于使用评价强度要求的或开展过不小于2 h的强度试压的，应在地区等级变化后的18个月内对其MAOP予以确认或降低，使其不超过表3中允许的数值。

表3 地区等级变化后MAOP限值

(2) 当操作条件需要保持现有的MAOP，但又与(1)不相符合时，则地区等级升级区域应敷设符合相应要求的管道，并按照升级后的地区等级选择适宜的设计系数。

3 高后果区风险控制

3.1 管道完整性管理

之所以称之为高后果区是因为其一旦发生泄漏，其后果非常严重。因此，对于高后果区的风险控制显得尤为重要。对高后果区的风险管控主要通过两个方面：

(1) 在管道设计阶段针对不同地区等级设置不同的强度设计系数，确保管道安全。

(2) 在管道运营期内加强管道完整性管理，预防事故发生。

ASME统计分析了 1984—2001年美国管道安全办公室的管道事故数据库，结果表明应力水平和设计系数并不是管道失效数据和安全行的控制因素。EGIG、PHMSA、AER和Concawe等国外管道失效数据库的最新统计数据表明：外力破坏、设备失效、腐蚀和误操作成为导致管道失效的主要原因，而通过加强管道完整性管理可有效地降低管道事故发生率[1]。

3.2 失效概率分析

加强高后果区的完整性管理，有必要对不同地区管道可接受的失效概率进行量化。目标可接受失效概率的获取可通过两种方法，基于历史统计失效数据库和基于目标可靠性理论分析。

(1) 基于历史统计失效数据库。国际上知名的油气管道失效数据库有：欧洲输气管道事故组织EGIG、美国管道和危险材料安全管理局PHMSA、英国陆上管道运营商协会UKOPA和加拿大能源管道协会CEPA数据库。汇总各数据库最新发布的数据，失效概率数值如表4所示。

表4 油气管道平均失效概率

EGIG和UKOPA统计了5年移动平均失效概率，在最新发布的报告中给出了 2012—2016年 5年移动平均失效概率，代表了其目前的完整性管理水平。PHMSA和CEPA则没有对此数据进行统计分析，分别采用 2005—2010年整体平均失效概率和2015年整体平均概率来表征。另外，由于PHMSA只统计符合某些标准的事故(如：超过50 000美元的经济损失等)，表4中的数值已在其发布的失效概率基础上乘以4来说明其未统计的事故数据。

基于以上各失效数据库的历史统计数据，建议总平均失效概率目标可设为：1×10-4/(km•a)。

(2) 基于目标可靠性理论分析。基于目标可靠性理论分析标准主要有国家标准 GB/T 29167—2012《石油天然气工业 管道输送系统 基于可靠性的极限状态方法》(等同采用 ISO 16708:2006)、加拿大标准协会标准 CSA-Z662-15 Oil and Gas pipeline systems、挪威船级社(DNV)与德国劳氏船级社(GL)标准 DNVGL-RP-F101:2017 Corroded pipelines等。此外，中石油在2012年立项“天然气管道基于可靠性的设计和评价方法研究”，在国外已有研究成果的基础上，结合国内天然气管道的设计、材料、施工和运维情况，给出了国内天然气管道的目标可靠度计算公式。相关规定如表5所示。

表5 国内外相关标准对于不同等级地区管道最大可接受失效概率的规定

4 结语

对国内外标准推荐做法和研究现状作系统的总结和梳理，可以为高后果区的风险评价和风险控制提供量化的依据。未来，高后果区的识别与管控应向智能化识别、潜在影响半径的精准化界定、管控效果量化等方向发展，以提高管道运营单位的完整性管理水平和智能化程度。