地区等级升级后的天然气管道定量风险评价技术

周亚薇 张振永 田姗姗

随着我国社会经济的迅速发展，不少天然气管道沿线的建筑物和人口密度与建设初期相比均发生了较大变化，一些在役天然气管道通过的地区逐渐由人口稀少的一级、二级地区发展成为人口密集的三级、四级地区。地区等级升级使得原先的天然气管道设计方案与现状不匹配，天然气管道周边人口密度显著增加后，管道失效所带来的失效后果将更加严重。同时，地区等级升级将导致由天然气管道沿线人员活动、设备撞击等所带来的第三方破坏更加频繁，管道的失效概率也随之增长。因此，地区等级升级将导致天然气管道失效风险（失效概率与失效后果的乘积）大幅度提升。为准确量化天然气管道风险，有针对性地制订风险管控措施，笔者提出了一套基于可靠性的定量风险评价流程；依据定量的失效概率与失效后果分析，对地区等级升级后的天然气管道进行定量风险评价；进而通过个体风险和社会风险水平的判定来制订风险管控措施[1-5]。

1 基于可靠性的定量风险评价

天然气管道风险评价方法一般分为定性、半定量和定量评价等3种[6-8]。前二者简单易用，但不能定量计算天然气管道的失效概率、失效后果及风险，难以评判天然气管道风险是否符合国家行业规定的风险可接受水平，也无法通过量化计算科学地确定天然气管道风险管控措施。定量风险评价方法是天然气管道风险评价的高级阶段，它将天然气管道的失效概率和失效后果进行定量计算，实现了对天然气管道风险的精确描述[9]。根据失效概率的计算方法，定量风险评价可以分为基于失效统计的定量风险评价技术和基于可靠性的定量风险评价技术。

基于失效统计的定量风险评价技术通过对天然气管道失效事故进行统计分析，建立基线失效概率，并根据待评价管道的实际情况分配不同的修正因子，以此来计算天然气管道的失效概率[10]。基于可靠性的天然气管道定量风险评价技术基于可靠性的极限状态方法，针对天然气管道评价管段，通过分析天然气管道沿线环境和天然气管道荷载状况，确定可能导致天然气管道失效的主要极限状态和状态方程，采用应力—强度分布干涉理论计算天然气管道失效概率。失效后果模型考虑在一定的泄漏频率、泄漏量、立即点燃情景下，热辐射引起天然气管道周围人员伤亡的程度，从而定量计算天然气管道的风险。

基于可靠性的定量风险评价方法工作流程（图1），主要包括管段划分、失效概率计算、失效后果计算、风险计算、风险评价和风险决策等。

1.1 失效概率计算

近年来，中国石油天然气集团有限公司开展了天然气管道基于可靠性的设计和评价方法研究，收集了国内近4h104km已建天然气管道数据，构建了国内天然气管道材料、施工和运行维护等变量参数数据库，基于国内天然气管道数据建立了天然气管道基于可靠性的设计流程，并形成了相应的标准[10-14]。

根据建立的极限状态方程，利用蒙特卡洛方法，对管道的极端极限状态（大孔泄漏和破裂）进行模拟仿真计算，以此确定特定天然气管道设计工况的失效概率。为了简化分析，仅计算由腐蚀和第三方破坏导致的失效概率。根据国内外数据统计，腐蚀和第三方设备撞击造成的天然气管道大孔泄漏和破裂占所有管道失效原因的60%～76%。为了统筹考虑导致天然气管道失效的其他因素，腐蚀与设备冲击的失效概率应分别在计算结果的基础上放大1.5倍[15-17]。天然气管道极端极限状态下的总失效概率计算如下[18]：

式中PULS表示极端极限状态失效概率，次/（kmga）；D表示天然气管道的直径，mm；PLL和PRU分别表示天然气管道大孔泄漏失效概率和破裂失效概率，次/（kmga）。

腐蚀缺陷的尺寸是随时间增长的，腐蚀失效概率与时间具有相关性。第三方设备撞击造成的失效概率与时间无关，天然气管道的失效概率等于冲击次数和每次冲击造成的失效概率之积。天然气管道腐蚀失效概率和第三方破坏失效概率分别使用加拿大C-FER公司PRISMTM软件中的时间相关模型和时间无关模型进行计算。

1.2 失效后果计算

失效后果模型考虑了在一定的泄漏频率、泄漏量、立即点燃情景下，热辐射引起天然气管道周围人员伤亡的程度。据美国天然气研究协会（Gas Research Institute，GRI）的研究成果，天然气管道失效造成的人员伤亡与天然气燃烧释放的热量有关。由于天然气管道破裂的失效后果远大于天然气管道泄漏的后果。因此天然气管道破裂是失效后果的主要控制因素。根据Stephen等[19]建立的模型，危害区域假定为圆形（图2）。图2中两个危害区域和相应的半径定义了对应的热强度（I）的上限、下限门槛值。上限门槛值确定的范围内，假定致死率是100%；在下限门槛值确定的范围外，致死率是0。在这两个门槛值之间，室外的致死率是50%，室内的致死率是25%。天然气管道破裂条件下的死亡人数表达为：

图1 基于可靠性的定量风险评价流程图

图2 估计预期死亡人数的危害区域图

由此得：

1.3 风险可接受准则

对于天然气管道的风险可接受准则，工程上较多地采用最低合理可行（As Low As Reasonably Practicable，ALARP）原则，ALARP原则认为任何工业系统都存在风险，不可能通过预防措施彻底消除，当系统的风险水平超低时，要进一步降低就很困难，为此所花费的成本往往呈上升趋势，也可以表示为安全风险改进措施投资的边际效益递减，趋于0，最终为负值。因此，必须在工业系统的风险水平和成本之间做出折衷[20-23]。

分别用个体风险与社会风险来衡量天然气管道地区等级升级后的管道风险[24-26]。

1.3.1 个体风险

个体风险（rid）指在评价位置长期生活工作、并未采取任何防护措施的人员遭受特定危害而死亡的概率。可以按下式计算：

式中P表示失效概率；Pi表示点燃概率；τ表示占用概率，取0.4；Lir表示相互作用长度，该长度定义为事故有可能影响所考虑位置的管段长度，m。Lir的计算方法参考图3。

图3 相互作用长度计算示意图

基于ALARP原则，根据SY/T 6859 2012《油气输送管道风险评价导则》[27]，个体风险分别以1h10－4和1h10－6为界分为不可接受区、可接受区（即最低合理可行区）和广泛接受区。

1.3.2 社会风险

社会风险用于描述事故发生的可能性和灾害导致人员伤亡数量之间的关系，或者解释为每年每千米天然气管道事故发生概率（F）和事故导致的死亡人数（N）之间的关系。F表示极端极限状态失效概率PULS。

社会风险的ALARP准则是建立在F N曲线的基础上，根据F与N分析天然气管道失效的社会风险。结合SY/T 6859 2012《油气输送管道风险评价导则》，社会风险可接受标准曲线（F N曲线）如图4所示。

2 地区等级升级地区应用案例

某天然气管道钢管直径为610 mm，直管段全部采用L415螺旋缝埋弧焊钢管，设计压力为6.3 MPa。在施工图设计阶段，该评价段管道所处地区等级为二级地区，钢管设计壁厚为9.5 mm。评价段管道全部采用沟埋敷设，根据施工图信息，评价段管道管顶平均埋深为1.5 m。目前，评价段管道两侧5 m间距处均建有两排多层民房（图5），人口密度与施工建设活动增多，导致管段所处区域的地区等级升至三级地区。

图4 天然气管道失效的社会风险可接受标准曲线

2.1 管段风险评价

根据GB 32167 2015《油气输送管道完整性管理规范》[7]规定的潜在影响半径计算方法，将该评价段的潜在影响范围识别为图6所示的矩形区域，评价段长度为400 m，潜在影响半径为153 m，潜在影响范围面积约为0.124 km2。根据收集的潜在影响范围内人口数据，计算得到地区等级升级后人口密度为 1690 人 /km2。

图5 评价段管道现场情况图

图6 风险评价管段的潜在影响区域图

结合国内的管材、焊接、腐蚀和运行维护等数据的统计分析结果，建立参数的计算模型，选择合适的设计参数及维修计划等，利用软件计算失效概率，计算模拟次数为1亿次，假定管道设计寿命为30年，分别取30年模拟计算中外部腐蚀失效概率（图7）和第三方破坏失效概率（图8）的最大失效概率（大孔泄漏、管道破裂），计算得到的总失效概率为1.32h10－6（表1）。采用已有失效后果模型计算评价范围内的预期死亡人数，结果为N=10人。

图7 管道中外部腐蚀失效概率模拟计算结果图

图8 管道第三方破坏失效概率模拟计算结果图

表1 失效概率计算结果表 次/（kmga）

采用已有模型，计算得到个体风险为4.85h10－5，处于个体风险可接受区；将计算所得的死亡人数和事故发生概率通过F N曲线进行风险评价（图9）。由图9可知，评价管段的社会风险位于F N曲线的不可接受区，说明该管段所处地区等级升级后，社会风险水平略高于标准规定，需要采取相应的风险减缓措施。

2.2 风险管控措施

对于风险水平高的天然气管道，应采取风险减缓措施，并对采取措施后的工况再次进行风险评价，衡量不同措施之间的经济效益。常用的措施可为下列任意一种或几种的组合形式：①增加第三方防护措施，选择混凝土盖板防护；②缩短内检测的时间间隔；③降低天然气管道运行压力；④增加天然气管道壁厚；⑤加大天然气管道埋深；⑥改变天然气管道路由等。

图9 基于《油气输送管道风险评价导则》的管道社会风险评价结果图

针对上述措施，分别对风险重新评价，结果显示选择上述任意一种措施后，均能将社会风险降低至可接受区范围。但是考虑到缩短内检测间隔至每5年一次将大幅增加天然气管道运营资金投入；降低天然气管道运行压力可能影响到下游用户的用气需求、降低天然气管道运营盈利；增加壁厚和加大埋深都将导致大量的工程投入和实施困难等，最终建议对该地区等级升级段采取增加混凝土盖板进行第三方防护的措施，以此保证该评价段天然气管道风险水平符合标准规定。

3 结论及建议

1）在役天然气管道的地区等级升级导致原始的天然气管道设计方案与目前现状不匹配，存在天然气管道失效风险隐患，定量风险评价技术能够准确地量化和评价天然气管道风险，并有针对性地制订风险管控措施，可以明确管控重点，降低管理成本。

2）基于可靠性的设计方法通过对国内已建天然气管道及其沿线相关数据的统计分析，科学地进行失效概率的定量计算，避免了传统失效可能性计算过程中主观因素的影响，使量化结果更加适用于天然气管道的建设实际。

3）风险管控措施种类较多，依据风险可接受准则，对于风险评价结果显示需采取风险减缓措施的地区，应分别针对特定风险管控措施的定量分析，在确定其有效性的基础上，结合经济性和可行性综合确定风险减缓措施。

4）对于地区等级暂时未发生变化，但根据地区规划等发展需求有可能导致地区等级升级的区域，可通过基于可靠性的定量风险评价技术，确定其未来可能出现的风险水平，并制订相应的风险防控措施。

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