定量风险分析方法在埋地燃气管道风险评估中的应用

曾 欣

(中国石油股份有限公司天然气销售湖北分公司,湖北武汉 430061)

0 前言

城镇燃气设施运行风险具有管网开放性、隐患隐蔽性、用户公共性等特点,因此受到了政府和企业的极大关注。当前我国城市燃气事业飞速发展,尤其是以西气东输为标志的一系列燃气工程的竣工和投产运行,天然气、液化气、煤气等管道燃气在我国得到快速的普及。同时,在城镇燃气输送过程中,近年来出现了许多管网安全运行问题,如部分管线超期服役导致损坏老化、阴极保护失效等等,存在极大的安全隐患[1]。如2021年6月13日,湖北省十堰市某小区发生天然气爆炸事故,事故造成25人死亡、138人受伤(其中37人重伤)。事故直接原因是天然气中压钢管严重锈蚀破裂,泄漏的天然气在建筑物下方河道内密闭空间聚集,遇餐饮商户排油烟管道排出的火星发生爆炸[2]。

目前,关于气体在大气环境及埋地环境中扩散规律的研究已经相对比较成熟,国内外学者提出了Gaussian 模型、Sutton 模型、板块模型等[3]大气扩散模型。韩光洁[4]研究了埋地燃气管道泄漏量计算方法。谢昱姝,等[5]针对天然气在土壤中的扩散过程进行了分阶段的研究。YAN Y,等[6]建立了埋地天然气管道发生小孔泄漏时的全尺度实验系统,实时监测土壤中不同位置甲烷浓度随时间变化规律。邓兵兵,等[7]针对埋地燃气管道在土壤中小孔泄漏扩散特性进行了系统研究。但上述研究都是单方面关注气体泄漏后在大气环境或者埋地环境下的扩散行为和扩散规律,属于后果方面的评估,没有综合考虑泄漏概率和泄漏后果两方面的因素,未实现真正意义上的埋地管线定量风险计算。

鉴于埋地燃气管道定量风险评估是管道完整性管理和政府应急决策的基础[8],本文综合考虑失效概率和失效后果两方面因素,将定量风险分析方法应用于埋地燃气管道风险评估并评估其风险水平,旨在为国内现阶段开展的大范围城镇燃气设施安全隐患专项治理工作提供技术支持。

1 定量风险分析理论

定量风险分析(Quantitative Risk Analysis,QRA)是指对某一设施或作业活动中发生事故频率和后果进行定量分析,并与风险可接受标准比较的系统方法。该方法以实现工程、系统安全为目的,应用安全系统工程原理和方法,通过对系统或设备失效概率和失效后果进行分析,将风险表征为事故发生频率和事故后果的乘积,从而对重大危险源的风险进行定量描述。目前,许多欧盟国家都在塞维索法令(Seveso II)第9章要求提交的安全报告中采用QRA方法,用以决策重大危险源产生的风险增量以及重大危险源附近的土地开发是否可容许。定量风险分析的核心量化指标是个人风险和社会风险。

a) 个人风险。指假设人员长期处于某一场所且无保护,由于发生危险化学品事故而导致的死亡频率,以个人风险等值线来表示,计算流程如图1所示。

图1 个人风险计算流程[9]

b) 社会风险。指群体(包括周边企业员工和公众)在危险区域承受某种程度伤害的频发程度,通常表示为大于或等于N人死亡的事故累计频率F,以累计频率和死亡人数之间关系的F-N曲线图来表示,计算流程如图2所示。

图2 社会风险计算流程[9]

2 埋地燃气管道定量风险分析模型

完整的管道风险评价流程包括数据收集与整合、风险分析(风险因素识别、失效概率分析、失效后果分析、风险评估)和风险评定(风险严重程度和风险控制措施分析)。管道风险评价是一个连续、循环的过程,应在规定的时间间隔内定期进行,当管道实际情况发生显著变化时,也应进行再评价。结合定量风险分析的理论方法,建立埋地燃气管道定量风险评估模型,如图3所示。

图3 埋地燃气管道定量风险评估模型

考虑到埋地管道属性沿线变化的特性,如管道壁厚、设计/运行压力、埋深、土地用途等,在进行管道定量风险计算前,需要将管道划分为若干区段,作为埋地管道风险评估的最小单位。埋地管道区段划分的逻辑层次如图4所示。

图4 埋地管道风险评估区段划分层次

由图4可知,结合待评估管道的实际情况,首先按照管道压力和规程属性进行区段划分,再按照管道使用年限将前面划分出来的管道区段进一步划分成各子区段,依此类推,最后考虑埋地管道沿线附近的建筑物密集程度和重要程度,划分得到可作为独立风险评估单元的管道区段。通过综合考虑每一个管道区段单元的泄漏可能性和泄漏后果,计算埋地管线的各单元潜在风险,进而得到管段潜在风险。

2.1 失效场景

根据SY/T 6891.2—2020《油气管道风险评价方法 第2部分:定量评价法》,管道失效场景应根据泄漏孔径大小分为破裂及孔泄漏两大类,管道的典型失效场景,如表1所示。

表1 管道的典型失效场景 mm

2.2 失效频率

管道的失效频率应至少考虑腐蚀因素,包括外腐蚀、内腐蚀、应力腐蚀开裂;管体制造与施工缺陷;第三方损坏,如开挖施工损坏、打孔盗油(气)等;自然与地质灾害,如滑坡、崩塌和水毁等;误操作。失效频率的确定普遍采用同类设备的历史统计数据,国外可供查询的设备失效数据库较多,而国内在这方面的数据积累相对较少,本文在进行定量风险分析时采用简化的失效频率分析方法,参考GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》附录G推荐的国内相关管道企业输气管道泄漏频率,为0.193次/(103·km·a)。由于我国尚未将天然气管道事故按照泄漏孔径分类统计,本文借鉴EGIG数据库和UKOPA数据库天然气管道历史失效数据,计算由不同失效原因导致不同孔径泄漏所占比例[10],得到适用于我国天然气管道特点的不同孔径泄漏基础失效频率,详见表2。

表2 泄漏场景比例及失效频率

2.3 泄漏失效模型

埋地管道失效后果定量分析是根据典型的、有代表性的泄漏事故场景,建立相应的数学模型,分析管道失效泄漏导致的灾害类型和影响范围,估算泄漏后果。针对埋地燃气管道建立泄漏失效模型,如图5所示。

3 实例应用

3.1 项目简介

评估对象选取某段埋地燃气管道,高压管线共0.68 km,管线直径250 mm,管径设计压力为4.0 MPa,实际运行压力3.0～3.6 MPa,操作温度为常温。考虑到该段埋地燃气管道对沿线设施和居民构成的安全隐患,采用定量风险分析方法进行风险评估,确定沿线区域个人风险和社会风险。

项目涉及的埋地燃气管道的壁厚、设计/运行压力、使用年限等因素完全一致,且管道长度较短,沿线人口密度、土壤条件、埋深及工程地质情况无明显区别,因此本项目涉及的埋地燃气管道可整体作为一个管道区段进行评估。

项目当地年平均气温14.2 ℃,年平均相对湿度56%,全年主导风向SSW,年平均风速3.0 m/s,风玫瑰频率分布如图6所示。

图6 风玫瑰频率分布

3.2 泄漏后果分析

3.2.1火灾热辐射影响

燃气火灾的主要危害是火焰的热辐射。热辐射对人体的伤害,主要是通过不同热辐射通量对人体所受的不同伤害程度来表示,伤害半径有一度烧伤(轻伤)、二度烧伤(重伤)、死亡半径3种。使用彼德森(Pietersen)提出的热辐射影响模型进行计算,不同泄漏工况下天然气泄漏形成喷射火的热辐射影响范围,如表3所示。

表3 火焰热辐射影响范围

在风速为3.0 m/s,大气稳定度为D的风况条件下,不同泄漏孔径条件下热辐射强度随下风向距离的变化趋势,如图7所示。

图7 火焰热辐射强度曲线

3.2.2蒸气云爆炸超压影响

常见的爆炸冲击波超压准则有:超压准则、冲量准则、压力-冲量准则等。本文主要采用超压模型,计算冲击波造成的死亡区、重伤区、轻伤区等半径。不同泄漏工况下天然气泄漏爆炸超压的影响范围,详见表4。

表4 爆炸超压影响范围

在风速为3.0 m/s,大气稳定度为D的风况条件下,不同泄漏孔径条件下的爆炸超压影响范围,如图8所示。

图8 爆炸超压(20 kPa)影响范围

根据冲击波超压对人员的伤害阈值[11],分别选取20,40,70 kPa作为造成人员轻伤、重伤和死亡的评估标准。死亡区内人员如缺少防护,则被认为将无例外地蒙受严重伤害或死亡;重伤区内人员则绝大多数将遭受严重伤害,极少数人可能死亡或受轻伤;轻伤区内人员则绝大多数人员将遭受轻微伤害,少数人将受重伤或平安无事,死亡的可能性极小。

3.3 综合风险分析

根据埋地燃气管道不同泄漏事故场景的发生频率及相应影响后果的计算,综合考虑气象条件、沿线人员信息、点火源等因素,定量计算该段埋地燃气管道泄漏风险,包括个人风险和社会风险,并与相应的可接受风险标准进行对比,确定管道风险水平。

a) 个人风险分布情况。根据SY/T 6859—2020《油气输送管道风险评价导则》规定,油气管道个人风险容许下限和容许上限分别为10-6/a和10-4/a。根据计算结果,该段埋地燃气管道沿线附近区域的个人风险均不超过10-6/a,处于广泛可接受区。

b) 社会风险F-N曲线。结合SY/T 6859—2020《油气输送管道风险评价导则》关于社会风险可接受标准的规定,图9为该段埋地燃气管道泄漏事故造成的社会风险F-N曲线。

图9 社会风险F-N曲线

由图9可知,由于管道沿线附近区域活动人员较少,造成群死群伤的风险较低,因此该段埋地燃气管道造成的社会风险处于可接受区。

4 结语

在全国大范围开展城镇燃气设备设施安全隐患专项治理工作的整体形势下,针对埋地燃气管道的风险特点,如何进行可靠的定量风险评估变得尤为重要。埋地管道泄漏不同于大气环境中的泄漏事件,需借助可靠的数学模型解决土壤对泄漏物料扩散行为的影响,降低事故后果评估的不确定性。在此基础上,通过对埋地管道泄漏事故进行情景分析和风险预测,将定量风险分析技术应用于埋地燃气管道风险工作中,真正从风险角度推动城镇燃气管道完整性管理的实施,保障管道安全运行。