基于可靠性的定量風險評價技術及應用

——以某天然氣管道地區等級升級為例 

周亞薇  張振永  田姍姍 

中國石油管道局工程有限公司設計分公司

摘 要：隨著我國社會、經濟高速發展，一些在役天然氣管道通過的地區逐漸由人口稀少的一級、二級地區發展成為人口密集的三級、四級地區（高后果區），一旦管道發生泄漏事故，其造成的后果將更加嚴重。因此，有必要建立相應的定量風險評價技術，確定管道實際風險水平。基于可靠性的定量風險評價技術實質是采用基于可靠性的極限狀態方法計算評價管段的失效概率，結合建立的國內天然氣管道失效后果模型，綜合計算管道失效風險。之后，引入風險可接受準則，判定地區等級升級后管道個體風險和社會風險的可接受性，并有針對性地制定風險消減/防護措施。該技術不僅可以實現天然氣管道失效風險的定量計算和評價，且能夠對不同風險消減/防護措施進行效果檢查及對比，在保障管道風險可接受的前提下，實現技術性和和經濟性的最優化。

關鍵詞：天然氣管道；地區等級；可靠性；定量風險評價；風險可接受準則

 

通常情況下，天然氣管道敷設路由會盡量避開人口密集、交通頻繁、地下設施多的區段。在管道設計階段，輸氣管道通過的地區將按照沿線居民戶數和/或建筑物的密集程度劃分符合標準要求的地區等級，并依據地區等級，結合地區的發展規劃等選擇相應的設計系數等管道設計方案。但是，隨著我國社會、經濟高速發展，許多管道沿線的建筑物和人口密度與建設初期相比均發生了較大變化，一些在役天然氣管道通過的地區逐漸由人口稀少的一級、二級地區發展成為人口密集的三級、四級地區，地區等級升級使得原始的管道設計方案與目前現狀不匹配^[1-3]。

由于天然氣管道的輸送介質易燃、易爆，管道失效后因火災熱輻射造成的潛在影響半徑高達上百米至幾百米不等，管道周邊人口密度顯著增加后，管道失效所帶來的失效后果將更加嚴重；另一方面，地區等級升級將導致沿線人員活動、設備撞擊等帶來的管道損壞更加頻繁，管道的失效概率也隨之增大。因此，地區等級升級將導致管道失效風險（失效概率與失效后果的乘積）大幅提升。為了準確量化管道風險，并針對性地制定風險管控措施，本文提出了一套基于可靠性的定量風險評價流程，依據定量的失效概率與失效后果分析，對輸氣管道地區等級升級進行定量風險評價，通過個體風險和社會風險水平的判定，制訂風險管控措施。

1　基于可靠性的定量風險評價

管道風險評價方法一般分為定性、半定量和定量風險評價方法^[4]。定性評價和半定量評價方法簡單易用，但不能定量計算管道的失效概率、后果及風險，難以評判管道風險是否符合國家行業規定的風險可接受水平，也無法通過量化計算科學地確定風險管控措施。定量風險評價（Quantitative Risk Assessment，QRA）方法是管道風險評價的高級階段，它將管道的失效概率和事故后果的進行定量計算，實現了對管道風險的精確描述^[5]。根據失效概率的計算方法，定量風險評價可以分為基于失效統計的定量風險評價技術和基于可靠性的定量風險評價技術。

基于失效統計的定量風險評價技術是通過對管道失效事故統計分析，建立基線失效概率，并根據待評價管道的實際情況分配不同的修正因子，以此來計算管道的失效概率^[6]。基于可靠性的天然氣管道定量風險評價技術實質是采用基于可靠性的極限狀態方法，針對天然氣管道評價管段，通過分析管道沿線環境和荷載狀況，確定可能導致管道失效的主要極限狀態和狀態方程，采用應力-強度分布干涉理論計算管段失效概率；失效后果模型考慮了在一定的泄漏頻率、泄漏量、立即點燃情景下，熱輻射引起管道周圍人員傷亡的程度，從而定量計算管道風險。

基于可靠性的定量風險評價方法工作流程見圖1，主要包括管段劃分、失效概率計算、失效后果計算、風險計算、風險評價和風險決策等。

 

圖1 基于可靠性的定量風險評價流程圖

1.1　失效概率計算

近年來，中石油集團公司開展了天然氣管道基于可靠性的設計和評價方法研究，收集了國內近4萬公里已建天然氣管道數據，構建了國內天然氣管道管材、施工和運行維護等變量參數數據庫，基于國內管道數據建立了系統了天然氣管道基于可靠性的設計流程，并形成了相應標準^[7-10]。

根據建立的極限狀態方程，利用蒙特卡洛方法，對管道的極端極限狀態（大孔泄漏和破裂）進行模擬仿真計算，以此確定特定管道設計工況的失效概率。為了簡化分析，僅計算腐蝕和第三方破壞失效概率。根據國內外數據統計，腐蝕和施工設備等撞擊造成的大泄漏和破裂約占所有失效的60%～76%。為了統籌考慮導致管道失效的其他因素，腐蝕與設備沖擊的失效概率應分別在計算結果的基礎上放大1.5倍^[11-13]。管道極端極限狀態下的總失效概率計算如下^[14]：

                            （1）

式中P_ULS表示極端極限狀態失效概率，/km·a；P_LL和P_RU分別為大泄漏失效概率和破裂失效概率，/km·a。

腐蝕缺陷的尺寸是隨時間增長的，腐蝕失效概率與時間具有相關性；第三方設備撞擊造成的失效概率與時間無關，管道每公里每年的失效概率等于每公里每年的沖擊次數和每次沖擊造成的失效概率之積。管道腐蝕失效概率和第三方破壞失效概率分別使用加拿大C-FER公司PRISM^TM軟件中的時間相關模型和時間無關模型進行年失效概率的計算。

1.2　失效后果計算

失效后果模型考慮了在一定的泄漏頻率、泄漏量、立即點燃情景下，熱輻射引起管道周圍人員傷亡的程度。根據天然氣研究協會（Gas Research Institute， GRI）研究成果，將失效后果定義為死亡人數的函數，與天然氣著火釋放的熱量有關。由于破裂的失效后果遠大于泄漏的后果，因此破裂是失效后果的主要控制因素，管道破裂情況下的預期死亡人數計算如下：

                                 （2）

                               （3）

式中，為預期死亡人數；為著火概率；為失效事故影響范圍；為人口密度，人/公頃；為實際占有概率（失效事故發生時，公眾出現在事故影響范圍內的概率），D為管道的直徑，mm。

根據Stephen^[15]等人建立的模型，危害區域假定為圓形。圖2中兩個危害區域和相應的半徑定義了對應的熱強度的上下限門檻值，上限門檻值確定的范圍內，假定致死率是100%，在下限門檻值確定的范圍外，致死率是0。在這兩個門檻值之間，室外的致死率是50%，室內的致死率是25%，管道破裂條件下的死亡人數表達為式（4）：

        （4）

                                   （5）

根據對國內陸上天然氣管道沿線人口密度及其活動頻率調查分析，P_in=80%；P_out=20%；對于室外情況，下限和上限分別是12.6 kw/m²和31.6 kw/m²；對于室內情況，下限和上限分別是15.8 kw/m²和31.6 kw/m²；=40%。由此得：

                            （6）

式中，為人口密度，人/公頃；為管道運行壓力，MPa；為管道直徑，mm。其中，人口密度根據評價初期人口數據調研收集和潛在影響范圍綜合確定。

 

圖2 估計預期死亡人數的危害區域

1.3　風險可接受準則

輸氣管道風險可接受準則工程上較多地采用最低合理可行（As Low As Reasonably Practically，ALARP）原則，ALA RP原則認為任何工業系統都存在風險，不可能通過預防措施徹底消除，當系統的風險水平超低時，要進一步降低就很困難。為此所花費的成本往往呈上升趨勢，也可以表示為安全風險改進措施投資的邊際效益遞減，趨于零，最終為負值。因此，必須在工業系統的風險水平和成本之間做出折衷^[16]。

分別用個體風險與社會風險來衡量輸氣管道地區等級升級后的管道風險^[17]。

（1）個體風險是指在評價位置長期生活、工作的，并未采取任何防護措施的人員遭受特定危害而死亡的概率。可以按下式計算：

                                    （7）

式中P為失效概率；P_i為點燃概率；L_ir為相互作用長度，該長度定義為事故有可能影響所考慮位置的管段長度，計算方法參考圖3；為占用概率。

 

a-相互作用長度為2×R； b-相互作用長度為2×

1-觀察點位置； 2-環向影響半徑； 3-管道； 4-相互作用長度

圖3 相互作用長度計算示意圖

基于ALARP原則，根據《油氣輸送管道風險評價導則》（SY/T 6859-2012），個體風險分別以1×10^-4和1×10^-6為界分為不可接受區、可接受區（即最低合理可行區ALARP）和廣泛接受區^[18]三個區域（圖4）。

 

圖4 個體風險可接受標準推薦值

（2）社會風險用于描述事故發生的可能性和災害導致人員傷亡數量之間的關系，或者解釋為每公里管道事故發生概率（每年）F和事故導致的死亡人數N之間的關系。F即為極端極限狀態失效概率P_ULS。

社會風險的ALARP準則是建立在F-N曲線的基礎上，根據事故頻率F與死亡人數N分析輸氣管道失效的社會風險。結合《油氣輸送管道風險評價導則》（SY/T 6859-2012），社會風險可接受標準（F-N曲線）如圖5所示。

 

圖5 社會風險可接受標準（F-N）曲線

3　地區等級升級地區應用案例

某管線鋼管直徑為D610mm，直管段全部采用L415螺旋縫埋弧焊鋼管，設計壓力為6.3 MPa。在施工圖設計階段，該評價段管道所處地區等級為二級地區，鋼管設計壁厚為9.5 mm。評價段管道全部采用溝埋敷設，根據施工圖信息，評價段管道管頂平均埋深為1.5 m。目前，評價段管道兩側5米間距處均建有兩排多層民房（見圖6），人口密度與施工建設活動增多，導致管段所處區域的地區等級升級至三級地區。

圖6  評價段管道現場情況

3.1  管段風險評價

根據GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規范》規定的潛在影響半徑計算方法，將該評價段的潛在影響范圍識別為圖7的矩形區域，評價段長度400 m，潛在影響半徑153 m，潛在影響范圍面積約12.4公頃。根據收集的潛在影響范圍內人口數據，計算得地區等級升級后人口密度為16.9人/公頃。

 

圖7 潛在影響區域

結合國內的管材、焊接、腐蝕和運行維護等數據的統計分析結果，建立參數的計算模型，選擇合適的設計參數及維修計劃等，利用軟件計算失效概率，計算模擬次數為1億次，假定管道設計壽命為30年，分別取30年模擬計算中外部腐蝕失效概率（圖8）和第三方破壞失效概率（圖9）的最大失效概率（大孔泄漏、破裂），計算得總失效概率為1.32E-06（表1）。采用已有失效后果模型計算評價范圍內的預期死亡人數N=10人。

 

圖8 外部腐蝕失效概率計算結果/km·a

 

圖9  第三方破壞失效概率計算結果/km·a

                                      表1 失效概率計算結果                             /km·a

采用已有模型，計算得出個體風險為4.85E-05，處于個體風險可接受區；將計算所得的死亡人數和事故發生概率通過F-N曲線進行風險評價。由圖10可見，評價管段的社會風險位于F-N曲線的不可接受區，說明該管段所處地區等級升級后，社會風險水平略高于標準規定，需要采取相應的風險減緩措施。

 

圖10  社會風險評價結果

3.2　風險管控措施

對于風險水平高的管道，應采取風險減緩措施，并對采取措施后的工況再次進行風險評價，并衡量不同措施之間的經濟效益。常用的措施可為下列任意一種或幾種的組合形式：增加第三方防護措施，選擇混凝土蓋板防護；縮短內檢測的時間間隔；降低運行壓力；增加管道壁厚；加大管道埋深；改變管道路由等。

針對上述措施，分別對風險重新評價，結果顯示選擇上述任意一種措施后，均能將社會風險降低至可接受區范圍內；但是考慮到縮短內檢測間隔至5年/次將大幅增加管道運營資金投入；降低運行壓力可能影響到下游用戶的用氣需求以及降低管道運營盈利；增加壁厚和加大埋深都將導致大量的工程投入和實施困難等，最終建議對該地區等級升級段采取增加混凝土蓋板進行第三方防護的措施，以此保證該評價段管道風險水平符合標準的規定。

4　結論及建議

（1）在役天然氣管道的地區等級升級導致原始的管道設計方案與目前現狀不匹配，存在管道失效風險隱患，通過定量風險評價技術能夠準確地量化和評價管道風險，并有針對性地制定風險管控措施，可以明確管控重點，且降低管理成本。

（2）基于可靠性的設計方法通過對國內已建天然氣管道及其沿線相關數據的統計分析，結合國內實際科學地進行失效概率的定量計算，避免了傳統失效可能性計算過程中主觀因素的影響，使量化結果更加適用于我國的天然氣管道的建設實際。

（3）風險管控措施種類較多，依據風險可接受準則，對于風險評價結果顯示需采取風險減緩措施的地區，應分別針對特定風險管控措施的定量分析確定其有效性的基礎上，結合經濟性和可行性綜合確定風險減緩措施。

（4）對于地區等級暫時未發生變化，但根據地區規劃等發展需求有可能導致地區等級升級的區域，可通過基于可靠性的定量風險評價技術，確定其未來可能出現的風險水平，并制定相應的風險防控措施。

 

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作者：周亞薇，女，1986年生，工程師，2012年碩士畢業于中國地質大學（北京）礦產普查與勘探專業，現主要從事油氣長輸管道線路工程設計和管道材料、可靠性以及風險評估相關研究。

《管道保護》2017年第6期（總第37期）