城镇燃气管网失效风险评价体系的研究

马鑫龙

（天津大学管理与经济学部，天津 300072）

引言

我国在能源发展“十三五”规划中指出要努力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系[1]。燃气由于其经济、高效、清洁的特性而广泛应用。然而随着运行时间的推移，燃气管网不可避免地出现老化、腐蚀等问题。燃气管道一旦失效，易燃易爆的流动介质将会渗漏到周围环境中，甚至引发爆炸，这将对人民生命财产和社会安全造成巨大威胁。

为了保障城镇燃气管网安全可靠运行，各国针对城镇燃气管网的设计和运行管理建立了较为严格的规范。尽管如此，许多不可控风险因素的日积月累将会诱发各种安全事故，因此有必要建立系统的风险评价管理体系。国内对于城镇燃气管道安全管理的研究起步较晚，高博禹采用LEC法和风险矩阵法对城镇燃气风险进行综合评估，并且制定了有针对性的风险控制措施和对策[2]。宋祎昕等人分析了开展城镇燃气管道全寿命周期风险评价的重要性以及城镇燃气管道在不同生命周期内存在的风险[3]。总体而言，相比于长输油气管道管理体系，我国对城镇燃气管道尚未形成系统完整的风险评价管理体系[4]。此外，也存在着风险评价主观性较强、评分标准复杂的不足。城镇燃气管道在实际运行中的风险因素也没有很好的考虑。

针对目前国内城镇燃气管道失效数据库尚不完善的现状，本文将基于我国城镇燃气管道失效事故统计，参考国外城镇燃气管道数据库建立适合我国的管道失效数据库，并利用科学的评价方法建立城镇燃气管网的风险评价体系。这不仅为燃气公司的监管提供了依据，并且有助于对类似的事故进行规避。

一、城镇燃气管道危害因素的分类

建立城镇燃气管道失效数据库时需要对管道失效的历史数据进行分析和整理。许多国家设有专门的组织对管道失效数据库进行管理，例如美国的管道及危险物品安全管理局（PHMSA）、加拿大的国家能源局（NEB）和管道管理协会（CEPA）、欧盟的输气管道事故数据组织（EGIG）和环境与安全组织（Concave）等。各个数据库对城镇燃气管道失效风险因素的分类有所区别，其中PHMSA将城镇燃气管道失效因素分为七大类，包括腐蚀、挖掘损伤、误操作、材料/焊接/装备失效、自然力破坏、外力破坏和其他；NEB分为六大类，包括管道开裂、金属损失、外部影响、材料、地质灾害和其他；EGIG分为六大类，包括外部干扰、建造缺陷/材料失效、腐蚀、地面移动、错误带压开孔和其他。可以看出，各国针对城镇燃气管道失效风险因素的分类有所区别。此外，对我国28起城镇燃气管道失效事故进行统计分析，可以将其失效风险因素分为：操作不当、设备材料、腐蚀。第三方破坏、打孔盗油、地质灾害和其他。尽管事故统计资料并不全面，但仍能在一定程度上反映管道事故的诱因。综合国内外城镇燃气管道的失效风险因素，本文将城镇燃气管道事故风险因素分为六大类，包括腐蚀、外部干扰、自然力破坏、材料/制造/建设、运营与维护、其他原因。

二、城镇燃气管道的管段划分

由于管道线路运行环境复杂，各段管线风险程度不一，因此在进行燃气管道风险评价以前需要进行管段划分。参考我国燃气管道划分的相关规定，本文提出城镇燃气管道管段划分的参考原则，详（见下页表1）。其中，穿、跨越的管道应该作为独立的管道单元进行管理。

三、城镇燃气管道失效概率评估模型的建立

作为管网失效风险评价的基础，燃气管道的综合失效概率可以由各项基本失效概率及权重系数计算得到，式（1）至式（3）给出了其函数关系。燃气管道的基本失效概率即管道的平均失效概率，可以从管道失效数据库中分析获得；权重系数起修正作用，根据管道的周边实际情况、管理水平和损害机理等因素确定。

式中，P为管道失效概率，（km·a）-1；Pi为i因素导致的失效概率，（km·a）-1；Ri为i因素的基本失效概率，（km·a）-1；Fi为i因素的一级失效概率修正因子；Fij为二级修正因子指标的值；wij为二级修正因子指标j在一级修正因子指标i中的权重；Nk为第k年管道发生的事故数量；Lk为第k年的管道长度，km；αi为失效因素i所占的比例；l为失效因素的个数，此处l=6；m为年数；n为一级修正因子指标i中二级指标的个数。

表1 管段划分因素及划分顺序

表2 基本失效概率（/km·a）-1

由于国内燃气管道事故的统计数据不尽详细，这里依据美国PHMSA的数据库，根据式（1）和式（2）求得燃气管道基本失效概率（见表2）。

根据各个指标获取和量化的难易程度，二级失效概率修正因子可以分为定量指标、半定量指标和定性指标。定量指标通过对各项失效概率进行拟合，并根据式（4）和式（5）计算得到定量修正因子；半定量指标通过参考国内外油气管道风险评价标准或者管理手册确定；定性指标根据专家既往经验判断确定。半定量和定性指标的修正因子依据模糊评价法计算，通过式（6）至式（8）确定修正因子的等级并转化为模糊概率，进而得到半定量和定性指标的修正因子。此外，二级修正因子的权重取决于该修正因子指标的失效概率与平均失效概率的比值，计算方法见式（9）。

式中，rij为区间[a，b]范围内拟合函数的平均失效概率；FP为模糊失效概率；FPS为模糊数；k和K为计算参数；r为平均失效概率。

四、城镇燃气管线的失效后果评估与风险分级

确定各个管段的失效概率以后即可以对整条管线的失效后果进行评估。参考经典方法与标准建立失效后果评估模型，后果模型总分为2 500分，分值越高，说明泄漏后果越严重，风险越高。失效后果的计算公式如公式（10）。

式中，Cof代表失效后果总分，最高为2 500分；PH代表介质危害性，主要考虑管道运输产品本身的特性以及对介质最高工作压力进行修正，最高为10分；LV代表泄漏量，主要依据由SY/T 6828-2011计算得到泄漏量的燃气泄漏量进行评分，最高为5分；DS代表扩散情况，主要考虑地形、风速等因素对燃气泄漏区域范围的影响，最高为5分；RT代表受体（如人、建筑物等）承受燃气管道渗漏危害后的受损程度，最高为10分。

风险分级主要对燃气管道可能的风险进行分析、排序和后果等级划分，确定需要重点关注的管段。本文采用风险矩阵法对管道风险进行分级，该方法具有简单、概念清晰、输出结果明确、便于执行的特点。《广东省石油天然气管道领域风险点危险源排查整治工作方案》中提到的风险评价矩阵并进行改进，最终提出了适合城镇燃气管道的风险评价矩阵（详见表3）。表中纵轴为管道失效后果评分，它代表事故的严重程度；横轴为管道失效概率，它来源于管道系统之前发生事故的鉴定结果，代表预估潜在后果发生的可能性。

表3 安全风险矩阵

五、风险评价与风险管控

在得到风险矩阵的风险分析结果后，需要采取相对应的措施进行风险管控。表4列出了各个风险值的风险等级以及需要采取的针对性措施，根据风险等级，进行分级控制。风险分级管理控制表（见表5）。

表4 风险等级表

表5 风险分级管理控制表

续表

结语

在我国，城镇燃气管道的风险评价与风险管理工作尚处于不断完善的阶段。本文参考国外城镇燃气管道风险评价方法和成果，并且结合我国实际情况建立了适合我国城镇燃气管道的风险评价方法，其特点如下：首先，参考国外燃气管道失效数据库和我国管道特点，总结提出我国城镇燃气管道事故的六大类原因，分别是腐蚀、外部干扰、自然力破坏、材料/制造/建设、运营与维护、其他原因；其次，综合考虑管道的运行环境、管理的精细化程度和管理成本之间的关系，提出了管段划分的具体原则；最后，建立了管道失效概率的计算模型以及管道失效后果评估模型，两者共同构成风险评价矩阵，根据风险值划分成不同的风险等级，并且提出了相应的风险管控措施。