張華兵1,2

1.河北大學(xué)；2.管道完整性管理技術(shù)委員會(huì) 

摘要：研究管道高后果區(qū)安全防護(hù)措施有效性對(duì)指導(dǎo)企業(yè)高后果區(qū)管理有重要意義，提出了一種定量比選方法，基于某個(gè)典型高后果區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)，對(duì)降低管道失效概率、降低運(yùn)行壓力和減少管道周邊人口數(shù)量這3類安全防護(hù)措施的風(fēng)險(xiǎn)降低效果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，降低管道失效概率的效果最好。

關(guān)鍵詞：管道高后果區(qū)；定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；安全防護(hù)措施；管道失效概率

隨著天然氣管道和各地經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，管道周邊人口數(shù)量也在逐年增長(zhǎng)，管道高后果區(qū)數(shù)量隨之增加。如何保障管道高后果區(qū)安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)企業(yè)和地方政府提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。根據(jù)GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》要求，天然氣管道高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)管控主要包括降低管道失效可能性和減輕管道失效后果兩方面。降低管道失效概率包括采取管道內(nèi)檢測(cè)、外檢測(cè)、缺陷修復(fù)、加密和維護(hù)管道警示標(biāo)識(shí)、安裝視頻監(jiān)控等；減輕失效后果包括降低管道輸送壓力、人口密集區(qū)搬遷、改變管道路由等。

面對(duì)以上諸多可供選擇的方法，需要提供明確的定量分析作為參考。筆者通過(guò)計(jì)算分析，對(duì)幾類常用防護(hù)措施降低風(fēng)險(xiǎn)的效果進(jìn)行分析，可為天然氣管道企業(yè)方案優(yōu)選提供參考。

1  管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

1.1  樣本選取

依據(jù)SY/T 6891.2―2020《油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法 第2部分：定量評(píng)價(jià)法》，使用某軟件對(duì)某管道高后果區(qū)管段失效頻率和失效后果進(jìn)行量化計(jì)算，并將計(jì)算得出的風(fēng)險(xiǎn)值與風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，判斷風(fēng)險(xiǎn)的可接受性，提出降低風(fēng)險(xiǎn)的建議措施。

該管道于2012年投產(chǎn)，高后果區(qū)長(zhǎng)1790 m，管徑914 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，運(yùn)行壓力6 MPa，3PE防腐層，管道周圍常年平均風(fēng)速2.50 m/s。管道兩側(cè)200米緩沖區(qū)內(nèi)有距管道100米的電子廠，人數(shù)約為1400人，還有一處工廠職工宿舍，建筑為2棟7層樓，距離管道100米，人數(shù)為1000人。周圍還有其他一些零星居民，人數(shù)約100人。該區(qū)域內(nèi)總?cè)丝跀?shù)約為2500人。

通過(guò)系統(tǒng)收集該管道的檢測(cè)、維護(hù)數(shù)據(jù)和周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，完成了風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果包括個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)在此處代表由于管道發(fā)生火災(zāi)爆炸導(dǎo)致附近一個(gè)人死亡的概率，且假定人沒(méi)有采取保護(hù)措施。個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)在地圖上以不同數(shù)值的等值線的形式給出，不同情況下計(jì)算得到的等值線與管道的垂直距離不同。社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)代表有N個(gè)或更多人同時(shí)死亡事故發(fā)生的概率。社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)一般通過(guò)F-N曲線表示（F為概率，N為傷亡人員數(shù)）[1-4]。

1.2  個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果

個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式如下：

式中：f 為管道失效頻率；PM為氣象條件概率；Pi為點(diǎn)火概率；Pd為人員死亡概率。

評(píng)價(jià)管段個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線如圖 1。

圖 1 評(píng)價(jià)管段個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線分布圖

圖 1左上角為比例尺。黃色區(qū)域?yàn)槿丝诜植紖^(qū)，紅色為管線走向，藍(lán)色為3×10-5個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線，粉色為1×10-5個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線，橙色為3×10-6個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線。

1.3  社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果

評(píng)價(jià)管段社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)F-N曲線（圖 2）。

圖 2 評(píng)價(jià)管段社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)F-N曲線圖

圖 2中紅線與綠線之間的區(qū)域表示可能造成死亡人數(shù)小于1000的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)可接受區(qū)。紅線之上以及可能造成死亡人數(shù)大于1000的區(qū)域?yàn)椴豢山邮軈^(qū)。綠線之下以及可能造成死亡的人數(shù)小于1000的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)可接受區(qū)。

2  管道安全防護(hù)措施比選方法

本研究假設(shè)管道企業(yè)采取某安全防護(hù)措施，并對(duì)比該措施實(shí)施前后的風(fēng)險(xiǎn)變化情況，分析不同措施對(duì)降低管道風(fēng)險(xiǎn)的效果，以實(shí)現(xiàn)定量比選。研究主要選取了管道失效概率、運(yùn)行壓力和周邊人口數(shù)量三種防護(hù)措施進(jìn)行了模擬計(jì)算和比較。

2.1  降低管道失效概率

目前管道企業(yè)降低管道失效概率通常采用的措施有：定期進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)及修復(fù)、加密三樁一牌、高后果區(qū)內(nèi)安裝監(jiān)控?cái)z像頭，做到管體損傷早發(fā)現(xiàn)早治理，第三方損壞早發(fā)現(xiàn)早介入，全程監(jiān)督。

假設(shè)情景1為當(dāng)前現(xiàn)狀；情景2為其它條件不變的情況下，加密三樁一牌，巡檢次數(shù)翻倍；情景3為其它條件不變的情況下，采取前述措施后當(dāng)年開(kāi)展管道內(nèi)檢測(cè)并修復(fù)不可接受缺陷。

依次計(jì)算這些情景下管道的風(fēng)險(xiǎn)變化情況，計(jì)算結(jié)果如下（表 1）。

表 1 不同管道失效概率下的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

由結(jié)果可知（圖 3），隨著管道失效概率的降低，管道的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線與管道距離之間有明顯變化，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)F-N曲線也有所降低。

圖 3 不同失效概率下的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)

以個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線3×10-6這組數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，如表 2。

表 2 管道失效概率與個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

由表 2中數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出降低失效概率可以有效降低個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，見(jiàn)表 1、圖 3。當(dāng)失效概率減小為原來(lái)的67%時(shí)，3×10-6個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線距離管道的距離降低了57.95%；當(dāng)失效概率減小為原來(lái)的33%時(shí)，3×10-6個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線距離管道的距離降低了86.18%。從圖4中可以看出失效概率與人風(fēng)險(xiǎn)等值線距離管道的距離呈正相關(guān)性，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值與社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果對(duì)管道失效概率值的變化都較敏感。

圖 4 管道失效概率與個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2  降低管道輸送壓力

在假設(shè)其它條件不變的情況下，降低管道輸送壓力也會(huì)降低管道風(fēng)險(xiǎn)。假設(shè)情景1為當(dāng)前現(xiàn)狀，情景2為改變運(yùn)行壓力為目前實(shí)際運(yùn)行壓力的2/3，情景3為改變運(yùn)行壓力為目前實(shí)際運(yùn)行壓力的1/3。依次計(jì)算得到采取降壓措施導(dǎo)致個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線與管道距離的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果（表 3，圖 5）。

表 3 不同運(yùn)行壓力下的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

圖 5 不同壓力下的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線

以個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線3×10-6這組數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，結(jié)果如表 4。

表 4 運(yùn)行壓力與個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

由表 4數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，運(yùn)行壓力降低后個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)也隨之降低，見(jiàn)表 3、圖 5。當(dāng)運(yùn)行壓力降低為原來(lái)的67%后，3×10-6個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線與管道的距離降低了15.09%。當(dāng)運(yùn)行壓力降低為原來(lái)的33%時(shí)，3×10-6個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線與管道的距離降低了28.75%。從圖 6中可以看出，運(yùn)行壓力與個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線距管道的距離呈正相關(guān)性。但個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)管道運(yùn)行壓力值的變化不敏感。

圖 6 運(yùn)行壓力與個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線距離的關(guān)系

2.3  降低周邊人口數(shù)量

采取人口搬遷或管道改線措施，能使管道周圍人口數(shù)量降低從而達(dá)到降低管道風(fēng)險(xiǎn)目的。情景1為現(xiàn)狀；情景2為假設(shè)其它條件不變，保持周邊人口區(qū)域位置不變，將周邊人口數(shù)量降為現(xiàn)有人口數(shù)量的2/3，一般采取改線或搬遷；情景3為假設(shè)其它條件不變，將周邊人口數(shù)量降為現(xiàn)有人口數(shù)量的1/3。依次計(jì)算得到采取措施后導(dǎo)致個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線與管道距離的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果（表 5）。

表 5 運(yùn)行壓力與個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

由表 5數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出管道周邊人口數(shù)量降低后，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)也隨之降低，見(jiàn)表 5和圖 7。當(dāng)人口數(shù)量降低后，管道的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線與管道的距離保持不變，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的末端變化較大。這是因?yàn)閭�(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的過(guò)程本身與管道周邊人數(shù)無(wú)關(guān)，而社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線的末端本身表征的就是相應(yīng)人數(shù)的累積死亡概率。因此，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)管道周邊人口數(shù)量變化不敏感，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線的末端對(duì)管道周邊人口數(shù)量變化較敏感，建議在社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線末端不可接受時(shí)考慮采用該方法。

圖 7 不同人口數(shù)量下的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線

3  結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)該天然氣管道高后果區(qū)安全防護(hù)措施有效性評(píng)估，得到如下結(jié)論：各類安全防護(hù)措施中，采取多種檢測(cè)維護(hù)措施降低管道失效概率的效果最好；降低管道輸送壓力和周邊人口數(shù)量，對(duì)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的降低效果并不明顯；降低人口數(shù)量，對(duì)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的末端降低效果比較明顯。

本文分析存在以下限制與不足，后續(xù)可開(kāi)展進(jìn)一步研究。

（1）受當(dāng)前評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)模型、評(píng)價(jià)軟件和可獲取的數(shù)據(jù)等因素的限制，定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果存在偏差。

（2）在對(duì)管道安全防護(hù)措施進(jìn)行比選時(shí)，未考慮各類措施的投資規(guī)模，即沒(méi)有考慮各類措施的經(jīng)濟(jì)性。

（3）未考慮管道安全防護(hù)措施的作用時(shí)效。如內(nèi)檢測(cè)和缺陷修復(fù)措施的效果會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸降低。一段時(shí)間后，管道風(fēng)險(xiǎn)值會(huì)恢復(fù)至原水平，需要重新進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。而降低管道周邊人口數(shù)量的效果受時(shí)間變化的影響有限，將會(huì)持續(xù)有效。

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作者簡(jiǎn)介：張華兵，男，河北大學(xué)教授，兼任河北大學(xué)精密儀器與計(jì)量研究所主任工程師、油氣管道安全方向?qū)W科帶頭人，石油儲(chǔ)運(yùn)專委會(huì)管道完整性管理技術(shù)委員會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事油氣管道完整性管理技術(shù)的研究與應(yīng)用，聯(lián)系方式：0312-5079330，modify78@163.com。