邊開磊 周亞薇 熊健

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘要：目前常用的高后果區風險評價方法多以事故經驗和統計數據為依據，缺少精確的定量計算，可能導致無法準確評價高后果區風險及采取有效風險消減措施。采用基于可靠性的定量風險評價方法，利用PRISM軟件和Phast軟件對中俄東線天然氣管道某特定場所高后果區進行管道失效概率及失效后果模擬計算，從而對管道失效以及采取消減措施后的風險進行量化。根據對該特定場所定量風險評價結果提出采用非開挖穿越方式以降低管道失效后果，為管道設計及建設提供借鑒。

關鍵詞：天然氣管道；特定場所高后果區；失效概率；失效后果；風險評價；社會風險；個人風險

中俄東線天然氣管道工程（永清—上海）泰安—泰興段管徑1219 mm，設計壓力10 MPa，潛在影響半徑為382 m，沿線共識別出26處高后果區，其中包含特定場所21處。為準確評價高后果區風險并評估采取措施后的風險消減情況，針對某特定場所開展基于可靠性的定量風險評價。

1  定量風險評價方法概述

定量風險評價（Quantitative Risk Assessment，QRA）是將管道的失效概率和失效后果進行定量計算，通過數值表明所評價對象的危險程度，實現對管道風險的精確描述，以便科學地確定風險防控和消減措施，最大限度減少事故發生所造成的經濟損失、人員傷亡和對環境的破壞。定量風險評價結果的精度取決于數據資料的完整性和精度、數學模型和分析方法的合理性。評價過程主要包括數據收集、風險識別、管段劃分、失效概率和失效后果計算、風險計算、風險評價和決策等，其核心是管道失效概率和失效后果的計算。

目前常用的有基于失效統計的定量風險評價技術、基于可靠性的定量風險評價技術以及故障樹、事件樹、數值模擬分析等方法。

2  基于可靠性的定量風險評價方法
基于可靠性的定量風險評價技術通過對管道沿線環境和荷載狀況進行分析，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道失效概率[1-4]，然后結合建立的管道大泄漏和破裂失效后果模型計算管道風險。失效概率計算需要建立管道各種可能的風險因素相應的極限狀態方程，如對管道腐蝕、第三方損壞以及環焊縫失效等因素進行統計分析，利用PRISM軟件、采用蒙特卡洛仿真算法分別計算各因素失效概率。失效后果模型考慮在一定的泄漏頻率、泄漏量、立即點火情景下，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[5-9]。基于可靠性的定量風險評價流程見圖 1。

圖 1 基于可靠性的定量風險評價流程圖

根據SY/T 7380―2017《輸氣管道高后果區完整性管理規范》的規定，定量風險評價的個人風險和社會風險可接受準則按照《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準（試行）》（國家安全生產監督管理總局2014年第13號公告）評判。

3  特定場所高后果區定量風險評價

中俄東線天然氣管道（永清—上海）泰安—泰興段距離臨沂市汪溝鎮眾合醫院北側約30 m，屬于特定場所高后果區，采用基于可靠性的定量風險評價方法進行風險評價。

3.1  管道失效原因及載荷分析

根據國內管道失效數據統計（圖 2），失效原因依次為外力損壞、腐蝕、制造缺陷、自然災害、誤操作和其他原因。結合中俄東線管道的實際情況，該特定場所高后果區風險評價主要考慮第三方損壞、外部腐蝕、環焊縫失效三個因素。

圖 2 國內管道失效原因統計

中俄東線天然氣管道（永清—上海）為埋地敷設，在運行過程中可能同時出現永久載荷、可變載荷和偶然載荷。結合泰安—泰興段管道的敷設情況，對上述可能出現的載荷分析如表 1所示。

表 1 泰安—泰興段管道載荷分析

3.2  失效概率計算

采用基于可靠性的極限狀態方法進行結構失效概率的計算，結合上述管道載荷和危害因素分析，在計算中需考慮的極限狀態方程主要包括管道內壓作用導致的管道無缺陷破裂，外部腐蝕小泄漏、大泄漏和破裂，第三方機械損壞大泄漏和破裂，并將管道失效導致的極限狀態歸為小泄漏、大泄漏和破裂三類。

根據極限狀態和極限狀態方程，參與潛在失效損失的每一種管道失效形式應由每一種管道失效原因導致的對應失效形式相加，即：

管道小泄漏：PSL=PCSL；管道大泄漏：PLL=PTLL+PCLL；管道破裂：PRU=PTRU+PCRU+PNRU。

假定本管道的服役年限為30年，計算次數1000萬次。管道投產后假定首次內檢測間隔時間為3年，之后內檢測周期按照每8年一次進行，管道無缺陷破裂參數見表 2。采用加拿大C-FER公司開發的PRISM軟件對該工況下的天然氣管道進行失效概率計算。將上述不同極限狀態對應的結果分別相加，得到小泄漏、大泄漏和破裂的總失效概率見表 3。

表 2 無缺陷管道破裂計算參數

表 3 眾合醫院高后果區失效概率計算結果

3.3  定量風險模擬
按照以往工程定量風險模擬經驗，在模擬過程中主要考慮的因素包括泄漏、氣象條件、點火源及點火概率。

（1）泄漏。①泄漏孔徑：根據工程經驗并結合PRISM推薦，大口徑輸氣管道泄漏孔徑分為小孔、大孔、破裂，孔徑大小分別為5 mm、150 mm和全尺寸。所有泄漏均按豎直動力泄漏考慮；②泄漏速率及泄漏量：當管道發生孔泄漏時，管道內的壓力下降不明顯，因此采用初始泄漏速率、挪威船級社Phast軟件計算泄漏量。

（2）氣象條件。大氣穩定度分為A、B、C、D、E、F，其中A為最不穩定，F為最穩定。根據荷蘭紫皮書《定量風險評估指南》，本次假定氣象條件為：1.5 F/3 D/8 D。

（3）點火源及點火概率。①點火源：點火源主要包括點源、線源及面源，眾合醫院附近的點火源為汽車、戶外爐、戶內爐，S229省道、G2京滬高速及周邊村村通道路，下草溝村、臨沂九州投資公司、昌盛汽修廠等；②立即點火概率：根據荷蘭《定量風險評估指南》中的規定，立即點火的可能性由氣體活性及泄漏源泄漏速率來確定，本次選取0.7；③延遲點火可能性：由點火源引起的延遲點火概率模型為

                   P（t）=Ppresent（1-e-ωt）      （1）

式中：P（t）為在0～t時間間隔內的點火概率；Ppresent為當蒸氣云經過點火源存在的點火概率；ω為點燃率，s-1；t為時間，s。

點火概率按一定時間間隔的點火概率計算，表 4給出了涉及本次特定場所點火源在1分鐘時間間隔點火的概率。

表 4 眾合醫院特定場所點火源在1分鐘內的點火概率

3.4  個人和社會可接受風險

參照《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準（試行）》，本項目為新建管道項目，眾合醫院高后果區為高敏感場所，其個人風險可接受標準概率值不大于3×10-7；社會風險可接受標準如圖 3所示。

圖 3 社會風險可接受標準

3.5  風險評價結果

（1）個人風險。經Phast軟件進行定量風險計算，眾合醫院高后果區個人風險等高線計算結果見圖 4。可知眾合醫院高后果區個人風險概率大于標準值3×10-7（每年），個人風險不可接受，需要采取風險消減措施使其處于可接受范圍內。

圖 4 眾合醫院高后果區個人風險等高線圖

中國石油天然氣管道工程有限公司“天然氣管道高后區安全防控設計技術研究”課題表明，定向鉆管道的埋深較深，且穿越段管道與周圍土壤緊密貼合，無氣體存儲空間，假設定向鉆管道失效破裂后在彈坑不影響地表完整性的情況下，管道破裂處不與外界接觸，無點火源和助燃氣體，故不會引起管道的爆炸燃燒，同時可降低第三方損壞概率。因此眾合醫院高后果區采取定向鉆（埋深不小于10 m）方式敷設管道，之后再次經定量風險評價軟件模擬計算，其個人風險概率小于標準值3×10-7（每年），在可接受標準范圍內。如圖 5、圖 6所示。

圖 5 眾合醫院高后果區定向鉆敷設管段個人風險橫切圖

圖 6 眾合醫院高后果區定向鉆敷設管段個人風險等高線圖

（2）社會風險。圖 7為眾合醫院高后果區社會風險評價F-N曲線，可以看出，其社會風險處于圖 3標準規定的F-N曲線可接受區，不需要采取風險消減措施。

圖 7 眾合醫院高后果區社會風險評價結果

4  結論

中俄東線天然氣管道（永清—上海）泰安—泰興段眾合醫院高后果區采用基于可靠性的定量風險評價方法，利用PRISM軟件及挪威船級社開發的Phast軟件進行管道失效概率及失效后果模擬計算，從而對管道失效后的風險進行了量化。針對個人風險不可接受評價結果，提出采用定向鉆穿越方式敷設管道，使個人風險處于可接受標準范圍內，有效降低了管道失效后果，為高后果區定量風險評價提供了科學的方法。

參考文獻：

[1]Zhang Wenwei, Zhang Zhengyong, Zhang Jinyuan, et al. Research on reliability-based design technique of China domestic onshore gas pipeline[C]. Proceedings of the 10th International Conference on Reliability, Maintain ability and Safety. Guangzhou: IEEE, 2014.

[2]Zhang Jinyuag, Zhang Zhenyong, Yu Zhifeng, et al. Building a target reliability adaptive to China onshore natural gas pipeline[C]. Proceedings of the 10th International Pipeline Conference. Alberta: ASME, 2014.

[3]溫凱，張文偉，宮敬，等. 天然氣管道可靠性的計算方法[J]. 油氣儲運, 2014, 33(7): 729-733.

[4]Nessim M, Zimmerman T, Glover A, et al. Reliability-based limit states design for onshore pipelines[C]. Proceedings of the 4th International Pipeline Conference. Calgary: ASME, 2002.

[5]苗金明. 管道風險評價技術概述[M]. 北京: 機械工業出版社，2013.

[6]董紹華. 管道完整性技術與管理[M]. 北京: 中國石化出版社，2007.

[7]張圣柱，吳宗之. 油氣管道風險評價與安全管理[M]. 北京：化學工業出版社，2016.

[8]王其磊，程五一，張麗麗，等. 管道量化風險評價技術與應用實例[J]. 油氣儲運，2011，30(7)：494-496.

[9]馬志祥. 油氣長輸管道的風險管理[J].油氣儲運，2005，24(2)：1-7.

作者簡介：邊開磊，1984年生，工程師，2010年碩士畢業于長安大學。主要從事線路工程設計、管道可靠性、完整性管理及評價等相關研究工作。聯系方式：15097627930，biankailei@cnpc.com.cn。