边开磊 周亚薇 熊健

中国石油天然气管道工程有限公司

摘要：目前常用的高后果区风险评价方法多以事故经验和统计数据为依据，缺少精确的定量计算，可能导致无法准确评价高后果区风险及采取有效风险消减措施。采用基于可靠性的定量风险评价方法，利用PRISM软件和Phast软件对中俄东线天然气管道某特定场所高后果区进行管道失效概率及失效后果模拟计算，从而对管道失效以及采取消减措施后的风险进行量化。根据对该特定场所定量风险评价结果提出采用非开挖穿越方式以降低管道失效后果，为管道设计及建设提供借鉴。

关键词：天然气管道；特定场所高后果区；失效概率；失效后果；风险评价；社会风险；个人风险

中俄东线天然气管道工程（永清—上海）泰安—泰兴段管径1219 mm，设计压力10 MPa，潜在影响半径为382 m，沿线共识别出26处高后果区，其中包含特定场所21处。为准确评价高后果区风险并评估采取措施后的风险消减情况，针对某特定场所开展基于可靠性的定量风险评价。

1  定量风险评价方法概述

定量风险评价（Quantitative Risk Assessment，QRA）是将管道的失效概率和失效后果进行定量计算，通过数值表明所评价对象的危险程度，实现对管道风险的精确描述，以便科学地确定风险防控和消减措施，最大限度减少事故发生所造成的经济损失、人员伤亡和对环境的破坏。定量风险评价结果的精度取决于数据资料的完整性和精度、数学模型和分析方法的合理性。评价过程主要包括数据收集、风险识别、管段划分、失效概率和失效后果计算、风险计算、风险评价和决策等，其核心是管道失效概率和失效后果的计算。

目前常用的有基于失效统计的定量风险评价技术、基于可靠性的定量风险评价技术以及故障树、事件树、数值模拟分析等方法。

2  基于可靠性的定量风险评价方法
基于可靠性的定量风险评价技术通过对管道沿线环境和荷载状况进行分析，确定可能导致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管道失效概率[1-4]，然后结合建立的管道大泄漏和破裂失效后果模型计算管道风险。失效概率计算需要建立管道各种可能的风险因素相应的极限状态方程，如对管道腐蚀、第三方损坏以及环焊缝失效等因素进行统计分析，利用PRISM软件、采用蒙特卡洛仿真算法分别计算各因素失效概率。失效后果模型考虑在一定的泄漏频率、泄漏量、立即点火情景下，热辐射引起管道周围人员伤亡的程度，从而定量计算管道风险[5-9]。基于可靠性的定量风险评价流程见图 1。

图 1 基于可靠性的定量风险评价流程图

根据SY/T 7380―2017《输气管道高后果区完整性管理规范》的规定，定量风险评价的个人风险和社会风险可接受准则按照《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准（试行）》（国家安全生产监督管理总局2014年第13号公告）评判。

3  特定场所高后果区定量风险评价

中俄东线天然气管道（永清—上海）泰安—泰兴段距离临沂市汪沟镇众合医院北侧约30 m，属于特定场所高后果区，采用基于可靠性的定量风险评价方法进行风险评价。

3.1  管道失效原因及载荷分析

根据国内管道失效数据统计（图 2），失效原因依次为外力损坏、腐蚀、制造缺陷、自然灾害、误操作和其他原因。结合中俄东线管道的实际情况，该特定场所高后果区风险评价主要考虑第三方损坏、外部腐蚀、环焊缝失效三个因素。

图 2 国内管道失效原因统计

中俄东线天然气管道（永清—上海）为埋地敷设，在运行过程中可能同时出现永久载荷、可变载荷和偶然载荷。结合泰安—泰兴段管道的敷设情况，对上述可能出现的载荷分析如表 1所示。

表 1 泰安—泰兴段管道载荷分析

3.2  失效概率计算

采用基于可靠性的极限状态方法进行结构失效概率的计算，结合上述管道载荷和危害因素分析，在计算中需考虑的极限状态方程主要包括管道内压作用导致的管道无缺陷破裂，外部腐蚀小泄漏、大泄漏和破裂，第三方机械损坏大泄漏和破裂，并将管道失效导致的极限状态归为小泄漏、大泄漏和破裂三类。

根据极限状态和极限状态方程，参与潜在失效损失的每一种管道失效形式应由每一种管道失效原因导致的对应失效形式相加，即：

管道小泄漏：PSL=PCSL；管道大泄漏：PLL=PTLL+PCLL；管道破裂：PRU=PTRU+PCRU+PNRU。

假定本管道的服役年限为30年，计算次数1000万次。管道投产后假定首次内检测间隔时间为3年，之后内检测周期按照每8年一次进行，管道无缺陷破裂参数见表 2。采用加拿大C-FER公司开发的PRISM软件对该工况下的天然气管道进行失效概率计算。将上述不同极限状态对应的结果分别相加，得到小泄漏、大泄漏和破裂的总失效概率见表 3。

表 2 无缺陷管道破裂计算参数

表 3 众合医院高后果区失效概率计算结果

3.3  定量风险模拟
按照以往工程定量风险模拟经验，在模拟过程中主要考虑的因素包括泄漏、气象条件、点火源及点火概率。

（1）泄漏。①泄漏孔径：根据工程经验并结合PRISM推荐，大口径输气管道泄漏孔径分为小孔、大孔、破裂，孔径大小分别为5 mm、150 mm和全尺寸。所有泄漏均按竖直动力泄漏考虑；②泄漏速率及泄漏量：当管道发生孔泄漏时，管道内的压力下降不明显，因此采用初始泄漏速率、挪威船级社Phast软件计算泄漏量。

（2）气象条件。大气稳定度分为A、B、C、D、E、F，其中A为最不稳定，F为最稳定。根据荷兰紫皮书《定量风险评估指南》，本次假定气象条件为：1.5 F/3 D/8 D。

（3）点火源及点火概率。①点火源：点火源主要包括点源、线源及面源，众合医院附近的点火源为汽车、户外炉、户内炉，S229省道、G2京沪高速及周边村村通道路，下草沟村、临沂九州投资公司、昌盛汽修厂等；②立即点火概率：根据荷兰《定量风险评估指南》中的规定，立即点火的可能性由气体活性及泄漏源泄漏速率来确定，本次选取0.7；③延迟点火可能性：由点火源引起的延迟点火概率模型为

                   P（t）=Ppresent（1-e-ωt）      （1）

式中：P（t）为在0～t时间间隔内的点火概率；Ppresent为当蒸气云经过点火源存在的点火概率；ω为点燃率，s-1；t为时间，s。

点火概率按一定时间间隔的点火概率计算，表 4给出了涉及本次特定场所点火源在1分钟时间间隔点火的概率。

表 4 众合医院特定场所点火源在1分钟内的点火概率

3.4  个人和社会可接受风险

参照《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准（试行）》，本项目为新建管道项目，众合医院高后果区为高敏感场所，其个人风险可接受标准概率值不大于3×10-7；社会风险可接受标准如图 3所示。

图 3 社会风险可接受标准

3.5  风险评价结果

（1）个人风险。经Phast软件进行定量风险计算，众合医院高后果区个人风险等高线计算结果见图 4。可知众合医院高后果区个人风险概率大于标准值3×10-7（每年），个人风险不可接受，需要采取风险消减措施使其处于可接受范围内。

图 4 众合医院高后果区个人风险等高线图

中国石油天然气管道工程有限公司“天然气管道高后区安全防控设计技术研究”课题表明，定向钻管道的埋深较深，且穿越段管道与周围土壤紧密贴合，无气体存储空间，假设定向钻管道失效破裂后在弹坑不影响地表完整性的情况下，管道破裂处不与外界接触，无点火源和助燃气体，故不会引起管道的爆炸燃烧，同时可降低第三方损坏概率。因此众合医院高后果区采取定向钻（埋深不小于10 m）方式敷设管道，之后再次经定量风险评价软件模拟计算，其个人风险概率小于标准值3×10-7（每年），在可接受标准范围内。如图 5、图 6所示。

图 5 众合医院高后果区定向钻敷设管段个人风险横切图

图 6 众合医院高后果区定向钻敷设管段个人风险等高线图

（2）社会风险。图 7为众合医院高后果区社会风险评价F-N曲线，可以看出，其社会风险处于图 3标准规定的F-N曲线可接受区，不需要采取风险消减措施。

图 7 众合医院高后果区社会风险评价结果

4  结论

中俄东线天然气管道（永清—上海）泰安—泰兴段众合医院高后果区采用基于可靠性的定量风险评价方法，利用PRISM软件及挪威船级社开发的Phast软件进行管道失效概率及失效后果模拟计算，从而对管道失效后的风险进行了量化。针对个人风险不可接受评价结果，提出采用定向钻穿越方式敷设管道，使个人风险处于可接受标准范围内，有效降低了管道失效后果，为高后果区定量风险评价提供了科学的方法。

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作者简介：边开磊，1984年生，工程师，2010年硕士毕业于长安大学。主要从事线路工程设计、管道可靠性、完整性管理及评价等相关研究工作。联系方式：15097627930，biankailei@cnpc.com.cn。