長輸天然氣管道高后果區(qū)識別與風(fēng)險(xiǎn)管控

安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司 吳廣春

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 李德明

國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸分公司 濮春明

以美國聯(lián)邦法規(guī)49 CFR Part 195《危險(xiǎn)液體管道在高后果區(qū)開展完整性管理》和49 CFR Part 192《天然氣管道在高后果區(qū)開展完整性管理》的批準(zhǔn)實(shí)施為標(biāo)志，全球長輸油氣管道由風(fēng)險(xiǎn)管理階段轉(zhuǎn)入完整性管理階段，從而實(shí)現(xiàn)了長輸油氣管道管理方式的重大變革。

我國自20世紀(jì)90年代起開展管道安全評價(jià)研究，逐步建立和完善了我國長輸油氣管道完整性管理體系。2017年國家安監(jiān)總局等八部門簽發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)油氣輸送管道途徑人員密集場所高后果區(qū)安全管理工作的通知》，要求各相關(guān)單位突出加強(qiáng)高后果區(qū)的安全管理工作，有效防范油氣輸送管道重特大生產(chǎn)安全事故。GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中也強(qiáng)制要求各管道運(yùn)營單位周期性開展高后果區(qū)的識別和更新工作，同時(shí)對高后果區(qū)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。然而，在具體的識別界定和風(fēng)險(xiǎn)控制過程中由于對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的認(rèn)知程度不同，往往會產(chǎn)生一些疑惑，如：工廠和辦公樓如何界定、高后果區(qū)的邊界如何界定、地區(qū)發(fā)展后等級評定及最大允許操作壓力(MAOP)如何確定與修正以及高后果區(qū)管段可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平如何量化等。

本文就以上問題的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，基于此提出了管道完整性管理發(fā)展的一些建議，為國內(nèi)同行提供一定的借鑒。

1 高后果區(qū)識別

1.1 地區(qū)等級劃分

地區(qū)等級劃分主要采用單位面積住戶數(shù)(又稱住戶密度指數(shù))或人口密度兩種指標(biāo)，其中又以單位面積住戶數(shù)更為普遍?，F(xiàn)國內(nèi)外關(guān)于地區(qū)等級劃分準(zhǔn)則的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要有：國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 13623:2017 Petroleum and natural gas industries- Pipeline transportation systems、GB/T 24259—2009《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)》(修改采用ISO 13623:2000)、美國機(jī)械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn) ASME B31.8:2018 Gas Transmission and Distribution Piping Systems和加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn) CSA-Z662-15 Oil and Gas pipeline systems。其中，ISO 13623:2017和GB/T 24259—2009以人口密度衡量地區(qū)等級，其余3種標(biāo)準(zhǔn)均以單位面積住戶數(shù)衡量。表1為我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對地區(qū)等級劃分相關(guān)規(guī)定的對比，基于單位面積住戶數(shù)和人口密度兩種指標(biāo)的差異，相應(yīng)的管道設(shè)計(jì)系數(shù)也存在差異。

在地區(qū)等級劃分上，GB/T 24259—2009對工業(yè)廠房、辦公樓、賓館酒店等進(jìn)行了更為明確的界定，屬于三級地區(qū)。但考慮到住戶數(shù)統(tǒng)計(jì)的便利性，國內(nèi)多采用 GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行地區(qū)等級劃分和管道設(shè)計(jì)。

表1 GB 50251—2015和GB/T 24259—2009(ISO 13623:2017)地區(qū)等級劃分準(zhǔn)則

GB 50251—2015關(guān)于不同地區(qū)等級的管道設(shè)計(jì)采用不同設(shè)計(jì)系數(shù)的辦法主要參考了 ASME B31.8:2018標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合我國人口地區(qū)特征差異大的特點(diǎn)，從實(shí)際出發(fā)對住戶密度指數(shù)進(jìn)行了修正。ASME B31.8:2018中該指數(shù)為15.6戶/km2，GB 50251—2015則根據(jù)國情確定為18.75戶/km2。

ASME B31.8:2018與CSA-Z662-15關(guān)于地區(qū)等級劃分上要求相近，但ASME B31.8:2018對管道設(shè)計(jì)系數(shù)要求更高，更為保守。由此可見，標(biāo)準(zhǔn) GB 50251—2015和GB/T 24259—2009在充分考慮我國人口分布實(shí)際情況下，對標(biāo)國際標(biāo)準(zhǔn)更具科學(xué)性，尤其在一級一類地區(qū)劃分要求上更為嚴(yán)格。

1.2 高后果區(qū)等級識別

高后果區(qū)為管道發(fā)生事故后可能對公眾和環(huán)境產(chǎn)生較大影響的區(qū)域，分為I、II和III級。I級表示最小的嚴(yán)重程度，III級表示最大的嚴(yán)重程度。管道高后果區(qū)的識別與管道所處地區(qū)等級的劃分密切相關(guān)。GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中關(guān)于輸氣管道高后果區(qū)識別準(zhǔn)則做出了規(guī)定：管道經(jīng)過區(qū)域符合表2識別項(xiàng)中任何一條的即為高后果區(qū)。其中的地區(qū)等級劃分按照 GB 50251—2015中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。對于穿越公路和鐵路的燃?xì)夤艿?，該?biāo)準(zhǔn)中雖未明確定義高后果區(qū)級別，但GB 50251—2015和GB 50253—2014《輸油管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中都相應(yīng)降低了強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，即間接提升了高后果區(qū)等級。

表2 輸氣管道高后果區(qū)管段識別分級

2 地區(qū)等級升級影響

2.1 地區(qū)等級變更限值

隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、地區(qū)內(nèi)戶數(shù)或人口增長，地區(qū)等級升級是管道運(yùn)營單位日常高后果區(qū)管控中經(jīng)常遇見的情形。常規(guī)的做法是根據(jù)發(fā)展后的戶數(shù)或人口重新評定地區(qū)等級。ISO 13623:2017在評定地區(qū)等級時(shí)，同時(shí)考慮了在役管道周邊環(huán)境的發(fā)展，提出了區(qū)域發(fā)展后人口密度的限值，對于一級、二級、三級和四級地區(qū)分別給出了發(fā)展后的人口密度限值區(qū)間：25 人/km2、(25～100)人/km2、(100～350)人/km2和＞350人/km2(但未達(dá)到五級地區(qū)的要求)，不超過給定的區(qū)間，可不做地區(qū)等級升級處理。ASME B31.8:2018則給出了地區(qū)發(fā)展后戶數(shù)變化的允許區(qū)間，分別為：一級地區(qū)11～25戶、二級地區(qū)26～65戶和三級地區(qū)＞66戶(但未達(dá)到四級地區(qū)的要求)。允許區(qū)域發(fā)展，設(shè)置合理的變更限值，是較為合理和科學(xué)的做法。管道運(yùn)營單位在日常管理過程中可參考借鑒。

2.2 現(xiàn)役管道MAOP調(diào)整

地區(qū)等級升級后，會造成現(xiàn)役管道與升級后地區(qū)的MAOP不匹配。如何對現(xiàn)役管道MAOP進(jìn)行調(diào)整與修正，是困擾管道運(yùn)營單位的一個突出問題。ASME B31.8:2018給出了推薦做法，可供參考。

(1) 如果管段的實(shí)際服役狀況良好，地區(qū)等級變化前經(jīng)適用性評價(jià)滿足合于使用評價(jià)強(qiáng)度要求的或開展過不小于2 h的強(qiáng)度試壓的，應(yīng)在地區(qū)等級變化后的18個月內(nèi)對其MAOP予以確認(rèn)或降低，使其不超過表3中允許的數(shù)值。

表3 地區(qū)等級變化后MAOP限值

(2) 當(dāng)操作條件需要保持現(xiàn)有的MAOP，但又與(1)不相符合時(shí)，則地區(qū)等級升級區(qū)域應(yīng)敷設(shè)符合相應(yīng)要求的管道，并按照升級后的地區(qū)等級選擇適宜的設(shè)計(jì)系數(shù)。

3 高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)控制

3.1 管道完整性管理

之所以稱之為高后果區(qū)是因?yàn)槠湟坏┌l(fā)生泄漏，其后果非常嚴(yán)重。因此，對于高后果區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)控制顯得尤為重要。對高后果區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)管控主要通過兩個方面：

(1) 在管道設(shè)計(jì)階段針對不同地區(qū)等級設(shè)置不同的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，確保管道安全。

(2) 在管道運(yùn)營期內(nèi)加強(qiáng)管道完整性管理，預(yù)防事故發(fā)生。

ASME統(tǒng)計(jì)分析了 1984—2001年美國管道安全辦公室的管道事故數(shù)據(jù)庫，結(jié)果表明應(yīng)力水平和設(shè)計(jì)系數(shù)并不是管道失效數(shù)據(jù)和安全行的控制因素。EGIG、PHMSA、AER和Concawe等國外管道失效數(shù)據(jù)庫的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：外力破壞、設(shè)備失效、腐蝕和誤操作成為導(dǎo)致管道失效的主要原因，而通過加強(qiáng)管道完整性管理可有效地降低管道事故發(fā)生率[1]。

3.2 失效概率分析

加強(qiáng)高后果區(qū)的完整性管理，有必要對不同地區(qū)管道可接受的失效概率進(jìn)行量化。目標(biāo)可接受失效概率的獲取可通過兩種方法，基于歷史統(tǒng)計(jì)失效數(shù)據(jù)庫和基于目標(biāo)可靠性理論分析。

(1) 基于歷史統(tǒng)計(jì)失效數(shù)據(jù)庫。國際上知名的油氣管道失效數(shù)據(jù)庫有：歐洲輸氣管道事故組織EGIG、美國管道和危險(xiǎn)材料安全管理局PHMSA、英國陸上管道運(yùn)營商協(xié)會UKOPA和加拿大能源管道協(xié)會CEPA數(shù)據(jù)庫。匯總各數(shù)據(jù)庫最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，失效概率數(shù)值如表4所示。

表4 油氣管道平均失效概率

EGIG和UKOPA統(tǒng)計(jì)了5年移動平均失效概率，在最新發(fā)布的報(bào)告中給出了 2012—2016年 5年移動平均失效概率，代表了其目前的完整性管理水平。PHMSA和CEPA則沒有對此數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別采用 2005—2010年整體平均失效概率和2015年整體平均概率來表征。另外，由于PHMSA只統(tǒng)計(jì)符合某些標(biāo)準(zhǔn)的事故(如：超過50 000美元的經(jīng)濟(jì)損失等)，表4中的數(shù)值已在其發(fā)布的失效概率基礎(chǔ)上乘以4來說明其未統(tǒng)計(jì)的事故數(shù)據(jù)。

基于以上各失效數(shù)據(jù)庫的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建議總平均失效概率目標(biāo)可設(shè)為：1×10-4/(km?a)。

(2) 基于目標(biāo)可靠性理論分析。基于目標(biāo)可靠性理論分析標(biāo)準(zhǔn)主要有國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 29167—2012《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng) 基于可靠性的極限狀態(tài)方法》(等同采用 ISO 16708:2006)、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn) CSA-Z662-15 Oil and Gas pipeline systems、挪威船級社(DNV)與德國勞氏船級社(GL)標(biāo)準(zhǔn) DNVGL-RP-F101:2017 Corroded pipelines等。此外，中石油在2012年立項(xiàng)“天然氣管道基于可靠性的設(shè)計(jì)和評價(jià)方法研究”，在國外已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)天然氣管道的設(shè)計(jì)、材料、施工和運(yùn)維情況，給出了國內(nèi)天然氣管道的目標(biāo)可靠度計(jì)算公式。相關(guān)規(guī)定如表5所示。

表5 國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對于不同等級地區(qū)管道最大可接受失效概率的規(guī)定

4 結(jié)語

對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)推薦做法和研究現(xiàn)狀作系統(tǒng)的總結(jié)和梳理，可以為高后果區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)控制提供量化的依據(jù)。未來，高后果區(qū)的識別與管控應(yīng)向智能化識別、潛在影響半徑的精準(zhǔn)化界定、管控效果量化等方向發(fā)展，以提高管道運(yùn)營單位的完整性管理水平和智能化程度。