公共管廊管道的風(fēng)險評價方法研究

丁志浩，周沈楠，王海峰

(上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)公共管廊有限公司，上海201507)

公共管廊即公共管道的走廊通道，是大型化工園區(qū)的重要組成部分，且多數(shù)管道為架空敷設(shè)，本文敘述的管廊還包括管廊管道上的各種設(shè)備、設(shè)施及附件等，這些對管廊的安全狀況都起著十分重要的作用[1-3]。管廊具有一定的復(fù)雜多樣性，管廊中的某些管道發(fā)生泄漏和爆炸等安全事故，會威脅到周邊的管道，甚至影響到整個化工園區(qū)的安全，造成無法估計的損失。因此，識別公共管廊風(fēng)險，根據(jù)結(jié)果實(shí)施控制措施，將公共管廊的安全控制在合理并可接受的范圍內(nèi)，對于保證管廊的安全運(yùn)行具有十分重要的意義[4-6]。

目前，管道風(fēng)險評價方法多采用半定量評價方法，其中最常見的就是Kent指數(shù)評分法，而定量評價方法是未來研究趨勢。對于管道的風(fēng)險評價，國外基于歷史失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計事故發(fā)生概率，可得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，然后再利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，對事故后果做出判斷，從而達(dá)到定量風(fēng)險評價的目標(biāo)。M. Jabbari等人使用概率和指數(shù)模型，對石化輸送管道提出了一種復(fù)雜風(fēng)險評價與管理方法，實(shí)現(xiàn)了定量風(fēng)險評價[7]；Anjuman Shahriar等人結(jié)合故障樹和事故樹的蝴蝶分析模糊模型對油氣管道進(jìn)行風(fēng)險評價[8]；Golam Kabir等人基于貝葉斯信度網(wǎng)絡(luò)模型對金屬水管進(jìn)行風(fēng)險評價，該方法考慮了結(jié)構(gòu)完整性、水流體積、水質(zhì)和后果因素[9]；Sigitas Rimkevicius等人對管網(wǎng)能源系統(tǒng)建立了一種科學(xué)可靠的風(fēng)險評價方法，包括數(shù)學(xué)概率論、熱工水力學(xué)和結(jié)構(gòu)完整性三個方面的分析，該方法適用于集中供暖和油氣供應(yīng)網(wǎng)[10]；國內(nèi)的風(fēng)險評價和管理技術(shù)主要應(yīng)用于長輸管道，化工園區(qū)的公共管廊與長輸管道在某些方面存在一定的區(qū)別，該情況造成長輸管道風(fēng)險評價技術(shù)不能完全適用于公共管廊管道中[11-14]。因此，分析和確定公共管廊的失效機(jī)理，建立模型計算失效概率，開展相關(guān)風(fēng)險評價工作顯得十分重要。

本文采用風(fēng)險評價方法，結(jié)合公共管廊實(shí)際情況，從失效可能性和失效后果兩方面出發(fā)，建立了公共管廊風(fēng)險評價流程。最后，依托上海某化工園區(qū)的實(shí)際管廊管道數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例分析。

1 風(fēng)險評價流程

本文根據(jù)化工園區(qū)的公共管廊特點(diǎn)，確定了公共管廊管道的風(fēng)險評價流程，如圖1所示。具體步驟如下:

1) 明確評價對象，收集管廊管道的基本信息、檢測數(shù)據(jù)及相關(guān)事故案例資料。

2) 根據(jù)頻率估計和后果評估，選擇合適的評價方法計算評價風(fēng)險發(fā)生的概率。

3) 根據(jù)風(fēng)險評價計算結(jié)果，采取一定的措施控制風(fēng)險，減少事故發(fā)生的可能性，同時應(yīng)根據(jù)風(fēng)險評價的結(jié)果確定再評價的時間間隔。

圖1 公共管廊通道的風(fēng)險評價流程示意

2 風(fēng)險評價模型

根據(jù)公共管廊實(shí)際情況，建立針對公共管廊的風(fēng)險評價模型，包括危險識別與管段劃分、失效可能性分析、失效后果分析及風(fēng)險等級劃分。

2.1 危險識別與管段劃分

危險辨識是指識別出可能造成公共管廊事故的因素，確定公共管廊的失效模式，為后續(xù)工作做基礎(chǔ)鋪墊。公共管廊的危險因素較多，參考長輸管道危險因素的分類方法，將危險因素按與管道相關(guān)、與管廊相關(guān)和其他相關(guān)三個方面進(jìn)行劃分，具體劃分見表1所列。

表1 公共管廊管道危險因素

公共管廊系統(tǒng)的構(gòu)成十分復(fù)雜，在分析評價前需要劃分管段，評價結(jié)果取決于管段劃分的粗細(xì)程度。劃分程度越細(xì)，結(jié)果越準(zhǔn)確，但評價費(fèi)用也隨之提高，具體劃分方法由評價人員做決定。針對公共管廊，管段劃分時常參考以下基礎(chǔ)參數(shù): 管道直徑、壁厚、管材屬性、輸送介質(zhì)種類、設(shè)計及運(yùn)行壓力、區(qū)域管理歸屬等。

2.2 失效可能性分析

失效可能性分析是風(fēng)險評價中十分重要的一步，該分析是在大量歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上統(tǒng)計得到的平均失效概率Pf，并采用損傷因子和管理系統(tǒng)評價因子修正而得到的。目前，常參考CCPS，DNV，API等數(shù)據(jù)庫。中國通過借鑒國外數(shù)據(jù)庫，推薦了同類設(shè)備的平均失效概率Pf(t)，公共管廊平均失效概率計算如式(1)所示[15]:

Pf(t)=PgffDf(t)FMS

(1)

式中:Pgff——化工類管道平均失效概率；Df(t)——損傷因子；FMS——管理系統(tǒng)評價因子。

(2)

Art=yCr/d

(3)

式中:y——管道已使用年限；Cr——管道腐蝕速率；d——實(shí)際測得的管道最小壁厚。

表的檢測結(jié)果

管理系統(tǒng)評價因子就是對當(dāng)前管理系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行評價，通常對相關(guān)人員采取調(diào)查和填表的方式，每部分調(diào)查內(nèi)容都有對應(yīng)的評價分?jǐn)?shù)，在完成所有對應(yīng)的評價后，會得到管理系統(tǒng)的評估總分，最后將實(shí)際的評估總分轉(zhuǎn)化成FMS，計算如式(4)所示:

(4)

式中:X——總得分。

2.3 失效后果分析

公共管廊失效后果以事故發(fā)生的破壞面積來表示，其中后果面積包括燃燒爆炸后果面積、毒性后果面積和無毒非可燃后果面積，失效后果分析流程如圖2所示。

圖2 失效后果分析流程示意

首先，應(yīng)該確定泄放的流體種類和相關(guān)物性參數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)泄漏孔直徑來計算泄漏面積Sn。

根據(jù)介質(zhì)是氣相還是液相，選擇對應(yīng)的介質(zhì)，計算泄漏孔理論泄漏速率v，確定介質(zhì)泄放的總質(zhì)量m總，利用探測系統(tǒng)等級、隔離系統(tǒng)等級、泄漏速率減少系數(shù)factdi和最大泄漏持續(xù)時間tmax，n來確定實(shí)際泄漏速率vn和實(shí)際泄漏質(zhì)量mn。計算公式如式(5)～式(11) 所示:

(5)

(6)

m總，汽=ρ1V

(7)

(8)

vn=v(1-factdi)

(9)

mn=vntn

(10)

(11)

式中:v汽，v液——分別為氣相和液相介質(zhì)理論泄漏速率；R——摩爾氣體常數(shù)；k——絕熱指數(shù)；Cd——泄漏系數(shù)；ps——操作壓力，MPa；patm——大氣壓力，MPa；ρ1——液相介質(zhì)密度，kg/m3；gc——重力加速度，9.8m/s2；M——摩爾質(zhì)量，g/mol；θs——操作溫度，℃；min[a，b]——取a和b兩個值中間的較小值。

最后，后果面積取燃燒爆炸后果面積、毒性后果面積和無毒非可燃后果面積三者中的最大值。

2.4 風(fēng)險等級劃分

在完成失效概率和失效后果分析后，利用兩部分研究結(jié)果，根據(jù)風(fēng)險矩陣中對應(yīng)的風(fēng)險等級，來確定最終的總體風(fēng)險情況，其中失效概率和后果等級劃分見表3所列，風(fēng)險矩陣如圖3所示。

表3 失效概率和后果等級劃分

圖3 風(fēng)險矩陣

3 實(shí)例計算

3.1 基本參數(shù)

以某管廊氫氣管道為例，按上述方法對其進(jìn)行風(fēng)險評價。已知?dú)錃庠诔爻合聻闅鈶B(tài)，具有易燃易爆性。根據(jù)檢測報告，該管道基本參數(shù)見表4所列，對管道的某彎頭處做抽點(diǎn)檢測。

表4 氫氣管道基本參數(shù)

續(xù) 表 4

3.2 失效概率分析

3.2.1平均失效概率

根據(jù)該管廊氫氣管道的直徑大小，參考GB 26610—2011《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則》[17]中的第4部分，可確定該管道的平均失效概率為7.0×10-7。

3.2.2損傷因子

損傷因子主要包括如下方面:

表5 默認(rèn)的碳鋼外部腐蝕速率 mm/a

表6 無PWHT管道的低溫脆斷次因子

a) 需要根據(jù)歷史失效次數(shù)來確定機(jī)械疲勞的基準(zhǔn)敏感度1。

b) 根據(jù)管道的振動或噪聲量確定基準(zhǔn)敏感度2，利用調(diào)節(jié)系數(shù)來修正基準(zhǔn)敏感度2。

c) 根據(jù)一定距離范圍內(nèi)循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生的構(gòu)件部位，來確定基準(zhǔn)敏感度3。

比較3個基準(zhǔn)敏感度數(shù)值大小，選取最大的基準(zhǔn)敏感度作為管道疲勞損失總的基準(zhǔn)敏感度。

3.2.3管理系統(tǒng)評價因子

根據(jù)對管理系統(tǒng)的評價，得到管理系統(tǒng)評估總分為610，根據(jù)式(4)求得FMS為0.603。

根據(jù)得到的平均失效概率、損傷因子和FMS，計算得到氫氣管道的失效概率Pf(t)=7.0×10-7×3×0.603=1.26×10-6，其失效可能性等級為1。

3.3 失效后果分析

3.3.1泄漏孔尺寸

選擇兩種泄漏孔直徑，分別為25 mm和219 mm，當(dāng)泄漏孔直徑達(dá)到管徑時會造成管道破裂，每種泄漏孔直徑的失效概率見表7所列。

表7 氫氣管道的平均失效概率

3.3.2泄漏流量

對每種直徑的泄漏孔，先計算泄漏孔面積，再計算理論泄漏率。公共管廊區(qū)以最低的等級計算，泄漏流量減少系數(shù)為0，計算結(jié)果見表8所列。對于泄漏孔來說，直徑為25 mm的泄漏孔泄漏類型為連續(xù)泄漏，直徑為219 mm的泄漏孔泄漏類型為瞬時泄漏。

表8 每種尺寸泄漏孔的理論泄漏流量

3.3.3燃燒與爆炸后果面積

假設(shè)消防減緩系統(tǒng)等級為最低，消減系統(tǒng)對燃燒與爆炸后果面積的消減系數(shù)見表9所列，則factmit=0.05。氫氣泄漏后無法自燃，計算后果面積時只考慮其不可能自燃的情況。氫氣泄漏時為氣態(tài)，分析類型為0，計算結(jié)果見表10所列。

表9 消減系統(tǒng)對燃燒與爆炸后果面積的消減系數(shù)

表10 每種尺寸泄漏孔的后果面積 m2

3.3.4平衡后的后果面積

對于連續(xù)泄漏需要用平衡因子進(jìn)行平衡，平衡后的后果面積見表11所列。

表11 平衡后各泄漏孔的后果面積 m2

3.3.5最終后果面積

根據(jù)Pgff,n及Pgff,總，分別計算設(shè)備破壞和人員傷亡后果面積。最終的后果面積取設(shè)備破壞和人員傷亡后果面積中的最大值。根據(jù)計算結(jié)果，最終人員傷亡面積為31.243 7 m2，設(shè)備破壞面積為19.742 3m2，失效后果等級為B級。

3.4 風(fēng)險評價結(jié)果

風(fēng)險評價結(jié)果如圖4所示，根據(jù)計算結(jié)果得到該化工園區(qū)氫氣管道失效概率等級為1級，失效后果等級為B級，總風(fēng)險等級為低風(fēng)險。

圖4 風(fēng)險評價結(jié)果

4 結(jié)束語

1) 管道的平均失效概率基于歷史數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計而得，利用損傷因子和管理系統(tǒng)評價因子對平均失效概率進(jìn)行修正，得到定量評估的實(shí)效概率，再根據(jù)失效概率的大小來確定失效概率等級。

2) 采用失效后的破壞影響面積作為后果分析，通過計算燃燒爆炸后果面積、毒性后果面積和無毒非可燃后果面積，綜合分析得到最終后果面積，根據(jù)失效后果范圍面積來確定后果等級。

3) 利用公共管廊管道的風(fēng)險評價模型，對上海某化工園區(qū)的氫氣管廊管道進(jìn)行了風(fēng)險評價。結(jié)果表明: 該管廊管道失效概率等級為1級，失效后果等級為B級，風(fēng)險評價結(jié)果為低風(fēng)險。