輸氣管道地區等級升級后定量風險評價技術

吳海春 謝俊 田春曉 陳超 陶桂鳳 張紅

1中國石油冀東油田公司陸上油田作業區

2河北華北石油工程建設有限公司

3中國石油華北油田公司第三采油廠

4中國石油渤海鉆探工程有限公司管具技術服務分公司

近年來，天然氣在化石能源中的消費比例不斷上升，輸氣管道的建設也進入了快速增長期，截至2018 年底，我國輸氣管道總里程為10.4×104km[1]。隨著經濟的快速發展，越來越多的輸氣管道沿線區域條件已和設計投產初期不一致，原本人口稀少甚至荒無人煙的區域變為人口稠密、商業活動頻繁的中心地帶，設計初期的一級、二級地區升級為三級、四級地區，地區升級后強度設計系數、最小覆土厚度、試壓標準、防火間距、閥室間距等均會發生相應改變，且升級后的地區往往為高后果區，一旦發生管道泄漏穿孔，將對周圍環境造成巨大影響[2]。

GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》對地區等級進行了劃分，指出當地區的發展規劃與設計初期的地區等級不符時，應對地區等級進行升級；董紹華等[3]對管道升級后與公共安全之間的關系進行了分析，制定了換管或降壓運行的原則，并提出了地區升級后的完整性管理措施；單克等[4]建立了地區升級管道3 級評價方法，從設計、制造、環境、運行等因素進行綜合性評估，并根據評估結果決定是否采取換管、改線或降壓等措施。以上規范或研究，均為定性或半定量分析，雖然簡便易行，但人為因素影響較大，不能定量計算輸氣管道的失效概率、失效后果及風險值，難以評判升級后管道風險是否符合國家及相關行業的標準，是否達到風險可接受水平，也無法通過定量計算確定風險管控的手段。因此，根據升級后輸氣管道普遍存在數據缺失的問題，采用模糊語言對美國管道及危險物品安全管理局（PHMSA）的失效數據進行量化修正，采用完全破裂危害區域模型計算管道失效后熱輻射造成的人員傷亡，并根據ALARP 確定個人及社會風險的可接受準則，針對實例制定相應的風險管控和減緩措施，為管道完整性及公共安全管理提供理論依據和實際參考[5]。

1 地區等級升級后定量風險評價

地區的分級管理是進行高后果區評價的重要依據，不同地區等級的強度系數、壁厚計算、最大允許運行壓力等均有不同的取值。對比GB 50251—2015、ASME B31.8、CSA Z662、ISO 13623、PD 8010-1 等標準，其中ISO 13623、PD 8010-1 地區等級是按照人口密度進行劃分，其余三個標準按照建筑物密度進行劃分。與國際標準相比，GB 50251—2015 將一級一類地區的設計系數定為0.8，在管段劃分上國際標準長度為1.5～1.6 km，我國為2 km；在對應的建筑物密度上，我國較國際標準的取值大。綜上所述，我國標準在地區等級劃分上更為嚴格。

對管道進行風險評價的流程主要包括基礎數據收集、管段劃分、失效概率計算、失效后果計算、風險評價、風險減緩等步驟，如圖1 所示。

1.1 失效概率計算

目前，對失效概率的計算主要有基于失效數據和基于可靠性兩種計算方法，其中基于可靠性的方法是通過收集已建成投產管道的相關數據[6]，包括設計、施工、投產、運行、維搶修等階段的數據庫，采用蒙特卡洛、貝葉斯、集對分析、結構方程等方法，對管道的極限狀態（根據API581 一般為大孔或完全破裂）進行模擬，計算干涉區內強度大于應力分布的概率，得到管道的失效概率。但該方法需要大量的基礎數據作為引導，而現實工況中升級后的管道大部分為服役時間較長的老舊管道，存在不同程度的基礎數據缺失，基于可靠性的計算結果容易出現定量過度的現象。在此，結合美國PHMSA 的事故數據庫，引入模糊評價的方法對失效概率進行修正計算。

圖1 地區等級升級風險評價流程Fig.1 Risk assessment process of regional level upgrade

在失效原因方面，PHMSA 將其劃分為第三方破壞、腐蝕、材料或焊縫失效、誤操作、自然力破壞等5 種（表1）。重大事故發生后雖然造成的經濟損失和人員傷亡最為嚴重，但發生概率較低，因此選擇一般事故計算基本失效概率。考慮到基本失效概率只能反映不同失效原因的均衡狀態，具體到我國不同地區等級的管段評價還需借助模糊語言進行量化。選取油氣儲運專家和現場工作10 年以上的技術人員對失效可能性進行模糊評價，評價集從不失效到完全失效V={不失效、可能性極低、很低、低、較低、中、較高、高、很高、極高、失效}，對應失效可能性的分值為0～1，步長為0.1。將失效可能性xi轉化為修正后的失效概率Fi。

式中：qi為基本失效概率（表1），i=（1，2，3，4，5）對應失效原因；Ki為修正因子。

表1 2002—2016 年輸氣管道基本失效概率（PHMSA）Tab.1 Basic failure probability of gas pipeline（PHMSA）from 2002 to 2016

將公式（1）進行變換，得

由于模糊評價中考慮了各失效原因所占的權重，故總失效概率F計算為

1.2 失效后果計算

對于輸氣管道，管道風險來源于泄漏的介質是否被點燃，以及是立即點燃還是延遲點燃，但無論發生哪種形式（蒸氣云爆炸、閃火、噴射火、油池火等）的火災后果，在明火范圍之外的傷害主要來自于熱輻射。管道地區升級后，人口密度和建筑物密度均增大，受到第三方破壞的可能性也大幅上升，據統計數據表明，管道發生完全破裂的失效后果遠大于其他孔徑泄漏的失效后果。因此，將完全破裂作為失效后果的主控因素，采用STEPHENS等[7]提出的輸氣管道完全破裂危害區域模型，將危害區域設定為兩個圓環，其中內圓以內的范圍致死率為100%，外圓以外的范圍致死率為0，中間區域部分室外致死率50%，室內致死率25%，如圖2所示。

圖2 輸氣管道完全破裂危害區域模型Fig.2 Hazard zone model for complete rupture of gas pipeline

死亡人數N的計算式為

式中：γ為點火概率；ρ為人口密度，人/km2，目前，地區升級后輸氣管道周圍的人員主要有管道工作人員和周圍居民兩部分組成，由于國內大部分輸氣管道均實現SCADA 自動控制，只有檢修和應急操作時工作人員才暴露在危險環境，因此沿線的人口密度主要考慮周圍居民部分；τ為事故發生后，人員暴露在危險環境下的概率，取0.4；Pin、Pout分別為沿線人口在室內或室外活動的時間比例，沿線的建筑物多為居民區、安置房、學校等場所，室內、室外時間占比取0.8 和0.2；rin0、rin100、rout0、rout100分別為室內和室外熱輻射強度的危害半徑的上限和下限，m，以點源模型計算；I為熱輻射強度的閾值，室外為12.6～31.6 kW/m2，室內為15.8～31.6 kW/m2；p為管道設計壓力，MPa；D為管道外徑，mm。

將固定取值代入公式（6）中，可得

1.3 風險可接受準則

采用國際上通用的最低合理性原則（ALARP）作為風險可接受準則[8-9]，當風險評價的結果大于風險可接受準則時，表示當前風險不可接受，需要根據管道完整性計劃采取定期維護維修措施，且需要考慮進行風險減緩所發生的費用和風險水平之間的平衡。

個體風險是指長期生活、工作在評價區域范圍內，且未采取任何防護措施從而發生死亡的概率。對于輸氣管道，個體風險與管徑、設計壓力、點火概率、潛在影響半徑等均有關[10]，對相互作用長度l進行積分計算個體風險rid，公式為

式中：l為相互作用長度，即當管道發生事故時，對某觀察點產生影響的管段長度，m。

參照SY/T 6859—2012《油氣輸送管道風險評價導則》的分類，將個體風險以10-4/a 和10-6/a 為界限分為不可接受區、可接受區和廣泛接受區，當個體風險值落在可接受區時，需要考慮風險成本與經濟之間的平衡，在投資控制的范圍內，使風險盡可能降低。若采取措施后，風險無明顯降低，則也認為該風險不可接受。

社會風險遵循F-N曲線，即每千米管道每年發生事故的概率F（總失效概率）與死亡人數N之間的關系。參照《危險化學品重大危險源監督管理規定》的分類，把社會風險同樣分為不可接受區、可接受區和廣泛接受區，評價方法與個人風險相同。

2 案例分析

某輸氣管道管徑508 mm×9.5 mm，設計壓力6.5 MPa，采用L360 直縫埋弧焊鋼管，平均管頂埋深1.5 m，在初步設計及施工圖設計階段，所在地區等級為二級。隨著經濟的發展，管道中心線兩側范圍內陸續建成了學校、安置房及食品廠、冷庫、倉庫等工業廠房，距離管道最近處為12 m，最遠處68 m，雖然周邊不存在大量四層及以上的建筑，但存在學校等人員密集場所，因此地區等級升級為三級。

2.1 風險評價

通過收集管道升級前后的現場數據，分析設計、施工、投產、運行等相關資料，該升級地區管道處于平原地帶，周圍打孔盜油、挖掘破壞和非法占壓等第三方破壞較為嚴重，管道未設置內涂層，輸送介質中含有少量H2S、CO2腐蝕性氣體，但員工素質較高，已建立質量手冊、程序文件和作業文件，誤操作的可能性較低，管理水平較高。其中，升級管段長度400 m，潛在影響半徑128 m（圖3），影響區域為矩形，面積0.153 km2，根據潛在影響面積和區域內的統計人口，管道周圍人口密度由89 人/km2升至1 670 人/km2。選取10 名油氣集輸方面的專家和現場技術人員對升級前后管段的失效可能性進行模糊評價，根據評價結果建立模糊評價矩陣，與評價集對應的分值相乘后得到失效可能性。由于地區升級后，主要失效原因來自于第三方破壞，因此只有第三方破壞的失效可能性有所改變，其余失效原因對應的失效可能性不變。根據公式（3）～（4）對失效概率進行修正，結果見表2。

圖3 地區升級后管段潛在影響區域Fig.3 Potential affect area of pipe segment after regional upgrade

表2 地區等級升級前后的失效可能性與失效概率Tab.2 Failure possibility and failure probability before and after regional level upgrade

由表2 可知，升級前的總失效概率為5.95×10-4km-1·a-1，升級后的總失效概率為46.28×10-4km-1·a-1，失效概率大幅提高。由公式（10）計算不同管道距離的個人風險均在可接受區，如圖4 所示。由公式（9）計算出升級后管段的死亡人數N為7 人，對照F-N曲線，取縱坐標46.28×10-4km-1·a-1、橫坐標為7 的點，該點落在可接受區，如圖5 所示（圖中紅色x為計算后的社會風險）。綜合個人風險和社會風險，需要衡量成本與效益之間的平衡，采取風險減緩措施。

圖4 升級后個人風險Fig.4 Personal risks after upgrade

圖5 升級后社會風險Fig.5 Social risks after upgrade

2.2 風險減緩措施

常用的風險減緩措施有以下幾點：①縮短內檢測的時間間隔，并開展應力腐蝕開裂直接評價；②按照ASME B31.8—2014 要求，取0.667 倍的測試壓力與0.6 倍的屈服強度兩者最小值，確定升級后的管道最大允許運行壓力；③根據升級后的設計系數，增加管道壁厚；④加大管道埋深；⑤進行蓋板防護；⑥進行補強和防腐層修復[10-12]。

針對以上措施，進行了經濟效益分析，結果表明，任何一種措施均可使風險減緩，個人和社會風險降低至廣泛接受區。但考慮將內檢測周期從8 年縮短至5 年，會大幅增加一次性投入；降低最大允許運行壓力，將降低輸氣管道的管輸量，影響上游氣田的產能和下游用戶的用氣需求；增加壁厚、加大埋深均涉及換管、改線或重新開挖，升級區域人口密度較大，施工組織協調較為困難。因此，首先參照《中華人民共和國天然氣管道保護法》，針對升級后的管段上方存在的違法、違章占壓進行清理拆除；其次對壁厚等級不符合強度要求的管段上方加蓋水泥蓋板或蓋板涵洞，其中水泥蓋板直接放置在管道上方，用于管道上方無重載的情況，蓋板涵洞架設在水泥基樁上方，用于管道上方有重載的情況，兩種方式均可防止管道受力不均發生變形；通過DCVG、ACVG、CIPS 等技術，對管體及防腐層缺陷進行檢測，并進行補強和修復（圖6）。

圖6 補板修復與套袖補強Fig.6 Patch repair and sleeve reinforcement

3 結束語

（1）針對輸氣管道地區升級后的風險特點，建立了一套完整的風險評價流程。

（2）結合PHMSA 的事故數據庫，引入模糊評價的方法對失效概率進行修正，量化結果更符合當地輸氣管道實際工況。

（3）通過計算個人風險和社會風險，有針對性地采取風險減緩措施，針對實例可采取清除占壓、蓋板防護和防腐層修復等措施。

（4）地區等級發生變化的根本原因是線路設計與市政規劃、公共安全、公眾保護等結合不緊密，今后應隨時關注當地的發展規劃，提前進行風險評價，采取相應的措施，由事后處理轉為事前處理。