定量風險分析方法在埋地燃氣管道風險評估中的應用

曾 欣

(中國石油股份有限公司天然氣銷售湖北分公司,湖北武漢 430061)

0 前言

城鎮(zhèn)燃氣設施運行風險具有管網(wǎng)開放性、隱患隱蔽性、用戶公共性等特點,因此受到了政府和企業(yè)的極大關注。當前我國城市燃氣事業(yè)飛速發(fā)展,尤其是以西氣東輸為標志的一系列燃氣工程的竣工和投產(chǎn)運行,天然氣、液化氣、煤氣等管道燃氣在我國得到快速的普及。同時,在城鎮(zhèn)燃氣輸送過程中,近年來出現(xiàn)了許多管網(wǎng)安全運行問題,如部分管線超期服役導致?lián)p壞老化、陰極保護失效等等,存在極大的安全隱患[1]。如2021年6月13日,湖北省十堰市某小區(qū)發(fā)生天然氣爆炸事故,事故造成25人死亡、138人受傷(其中37人重傷)。事故直接原因是天然氣中壓鋼管嚴重銹蝕破裂,泄漏的天然氣在建筑物下方河道內(nèi)密閉空間聚集,遇餐飲商戶排油煙管道排出的火星發(fā)生爆炸[2]。

目前,關于氣體在大氣環(huán)境及埋地環(huán)境中擴散規(guī)律的研究已經(jīng)相對比較成熟,國內(nèi)外學者提出了Gaussian 模型、Sutton 模型、板塊模型等[3]大氣擴散模型。韓光潔[4]研究了埋地燃氣管道泄漏量計算方法。謝昱姝,等[5]針對天然氣在土壤中的擴散過程進行了分階段的研究。YAN Y,等[6]建立了埋地天然氣管道發(fā)生小孔泄漏時的全尺度實驗系統(tǒng),實時監(jiān)測土壤中不同位置甲烷濃度隨時間變化規(guī)律。鄧兵兵,等[7]針對埋地燃氣管道在土壤中小孔泄漏擴散特性進行了系統(tǒng)研究。但上述研究都是單方面關注氣體泄漏后在大氣環(huán)境或者埋地環(huán)境下的擴散行為和擴散規(guī)律,屬于后果方面的評估,沒有綜合考慮泄漏概率和泄漏后果兩方面的因素,未實現(xiàn)真正意義上的埋地管線定量風險計算。

鑒于埋地燃氣管道定量風險評估是管道完整性管理和政府應急決策的基礎[8],本文綜合考慮失效概率和失效后果兩方面因素,將定量風險分析方法應用于埋地燃氣管道風險評估并評估其風險水平,旨在為國內(nèi)現(xiàn)階段開展的大范圍城鎮(zhèn)燃氣設施安全隱患專項治理工作提供技術支持。

1 定量風險分析理論

定量風險分析(Quantitative Risk Analysis,QRA)是指對某一設施或作業(yè)活動中發(fā)生事故頻率和后果進行定量分析,并與風險可接受標準比較的系統(tǒng)方法。該方法以實現(xiàn)工程、系統(tǒng)安全為目的,應用安全系統(tǒng)工程原理和方法,通過對系統(tǒng)或設備失效概率和失效后果進行分析,將風險表征為事故發(fā)生頻率和事故后果的乘積,從而對重大危險源的風險進行定量描述。目前,許多歐盟國家都在塞維索法令(Seveso II)第9章要求提交的安全報告中采用QRA方法,用以決策重大危險源產(chǎn)生的風險增量以及重大危險源附近的土地開發(fā)是否可容許。定量風險分析的核心量化指標是個人風險和社會風險。

a) 個人風險。指假設人員長期處于某一場所且無保護,由于發(fā)生危險化學品事故而導致的死亡頻率,以個人風險等值線來表示,計算流程如圖1所示。

圖1 個人風險計算流程[9]

b) 社會風險。指群體(包括周邊企業(yè)員工和公眾)在危險區(qū)域承受某種程度傷害的頻發(fā)程度,通常表示為大于或等于N人死亡的事故累計頻率F,以累計頻率和死亡人數(shù)之間關系的F-N曲線圖來表示,計算流程如圖2所示。

圖2 社會風險計算流程[9]

2 埋地燃氣管道定量風險分析模型

完整的管道風險評價流程包括數(shù)據(jù)收集與整合、風險分析(風險因素識別、失效概率分析、失效后果分析、風險評估)和風險評定(風險嚴重程度和風險控制措施分析)。管道風險評價是一個連續(xù)、循環(huán)的過程,應在規(guī)定的時間間隔內(nèi)定期進行,當管道實際情況發(fā)生顯著變化時,也應進行再評價。結合定量風險分析的理論方法,建立埋地燃氣管道定量風險評估模型,如圖3所示。

圖3 埋地燃氣管道定量風險評估模型

考慮到埋地管道屬性沿線變化的特性,如管道壁厚、設計/運行壓力、埋深、土地用途等,在進行管道定量風險計算前,需要將管道劃分為若干區(qū)段,作為埋地管道風險評估的最小單位。埋地管道區(qū)段劃分的邏輯層次如圖4所示。

圖4 埋地管道風險評估區(qū)段劃分層次

由圖4可知,結合待評估管道的實際情況,首先按照管道壓力和規(guī)程屬性進行區(qū)段劃分,再按照管道使用年限將前面劃分出來的管道區(qū)段進一步劃分成各子區(qū)段,依此類推,最后考慮埋地管道沿線附近的建筑物密集程度和重要程度,劃分得到可作為獨立風險評估單元的管道區(qū)段。通過綜合考慮每一個管道區(qū)段單元的泄漏可能性和泄漏后果,計算埋地管線的各單元潛在風險,進而得到管段潛在風險。

2.1 失效場景

根據(jù)SY/T 6891.2—2020《油氣管道風險評價方法 第2部分:定量評價法》,管道失效場景應根據(jù)泄漏孔徑大小分為破裂及孔泄漏兩大類,管道的典型失效場景,如表1所示。

表1 管道的典型失效場景 mm

2.2 失效頻率

管道的失效頻率應至少考慮腐蝕因素,包括外腐蝕、內(nèi)腐蝕、應力腐蝕開裂;管體制造與施工缺陷;第三方損壞,如開挖施工損壞、打孔盜油(氣)等;自然與地質災害,如滑坡、崩塌和水毀等;誤操作。失效頻率的確定普遍采用同類設備的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù),國外可供查詢的設備失效數(shù)據(jù)庫較多,而國內(nèi)在這方面的數(shù)據(jù)積累相對較少,本文在進行定量風險分析時采用簡化的失效頻率分析方法,參考GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》附錄G推薦的國內(nèi)相關管道企業(yè)輸氣管道泄漏頻率,為0.193次/(103·km·a)。由于我國尚未將天然氣管道事故按照泄漏孔徑分類統(tǒng)計,本文借鑒EGIG數(shù)據(jù)庫和UKOPA數(shù)據(jù)庫天然氣管道歷史失效數(shù)據(jù),計算由不同失效原因導致不同孔徑泄漏所占比例[10],得到適用于我國天然氣管道特點的不同孔徑泄漏基礎失效頻率,詳見表2。

表2 泄漏場景比例及失效頻率

2.3 泄漏失效模型

埋地管道失效后果定量分析是根據(jù)典型的、有代表性的泄漏事故場景,建立相應的數(shù)學模型,分析管道失效泄漏導致的災害類型和影響范圍,估算泄漏后果。針對埋地燃氣管道建立泄漏失效模型,如圖5所示。

3 實例應用

3.1 項目簡介

評估對象選取某段埋地燃氣管道,高壓管線共0.68 km,管線直徑250 mm,管徑設計壓力為4.0 MPa,實際運行壓力3.0～3.6 MPa,操作溫度為常溫?？紤]到該段埋地燃氣管道對沿線設施和居民構成的安全隱患,采用定量風險分析方法進行風險評估,確定沿線區(qū)域個人風險和社會風險。

項目涉及的埋地燃氣管道的壁厚、設計/運行壓力、使用年限等因素完全一致,且管道長度較短,沿線人口密度、土壤條件、埋深及工程地質情況無明顯區(qū)別,因此本項目涉及的埋地燃氣管道可整體作為一個管道區(qū)段進行評估。

項目當?shù)啬昶骄鶜鉁?4.2 ℃,年平均相對濕度56%,全年主導風向SSW,年平均風速3.0 m/s,風玫瑰頻率分布如圖6所示。

圖6 風玫瑰頻率分布

3.2 泄漏后果分析

3.2.1火災熱輻射影響

燃氣火災的主要危害是火焰的熱輻射。熱輻射對人體的傷害,主要是通過不同熱輻射通量對人體所受的不同傷害程度來表示,傷害半徑有一度燒傷(輕傷)、二度燒傷(重傷)、死亡半徑3種。使用彼德森(Pietersen)提出的熱輻射影響模型進行計算,不同泄漏工況下天然氣泄漏形成噴射火的熱輻射影響范圍,如表3所示。

表3 火焰熱輻射影響范圍

在風速為3.0 m/s,大氣穩(wěn)定度為D的風況條件下,不同泄漏孔徑條件下熱輻射強度隨下風向距離的變化趨勢,如圖7所示。

圖7 火焰熱輻射強度曲線

3.2.2蒸氣云爆炸超壓影響

常見的爆炸沖擊波超壓準則有:超壓準則、沖量準則、壓力-沖量準則等。本文主要采用超壓模型,計算沖擊波造成的死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)等半徑。不同泄漏工況下天然氣泄漏爆炸超壓的影響范圍,詳見表4。

表4 爆炸超壓影響范圍

在風速為3.0 m/s,大氣穩(wěn)定度為D的風況條件下,不同泄漏孔徑條件下的爆炸超壓影響范圍,如圖8所示。

圖8 爆炸超壓(20 kPa)影響范圍

根據(jù)沖擊波超壓對人員的傷害閾值[11],分別選取20,40,70 kPa作為造成人員輕傷、重傷和死亡的評估標準。死亡區(qū)內(nèi)人員如缺少防護,則被認為將無例外地蒙受嚴重傷害或死亡;重傷區(qū)內(nèi)人員則絕大多數(shù)將遭受嚴重傷害,極少數(shù)人可能死亡或受輕傷;輕傷區(qū)內(nèi)人員則絕大多數(shù)人員將遭受輕微傷害,少數(shù)人將受重傷或平安無事,死亡的可能性極小。

3.3 綜合風險分析

根據(jù)埋地燃氣管道不同泄漏事故場景的發(fā)生頻率及相應影響后果的計算,綜合考慮氣象條件、沿線人員信息、點火源等因素,定量計算該段埋地燃氣管道泄漏風險,包括個人風險和社會風險,并與相應的可接受風險標準進行對比,確定管道風險水平。

a) 個人風險分布情況。根據(jù)SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風險評價導則》規(guī)定,油氣管道個人風險容許下限和容許上限分別為10-6/a和10-4/a。根據(jù)計算結果,該段埋地燃氣管道沿線附近區(qū)域的個人風險均不超過10-6/a,處于廣泛可接受區(qū)。

b) 社會風險F-N曲線。結合SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風險評價導則》關于社會風險可接受標準的規(guī)定,圖9為該段埋地燃氣管道泄漏事故造成的社會風險F-N曲線。

圖9 社會風險F-N曲線

由圖9可知,由于管道沿線附近區(qū)域活動人員較少,造成群死群傷的風險較低,因此該段埋地燃氣管道造成的社會風險處于可接受區(qū)。

4 結語

在全國大范圍開展城鎮(zhèn)燃氣設備設施安全隱患專項治理工作的整體形勢下,針對埋地燃氣管道的風險特點,如何進行可靠的定量風險評估變得尤為重要。埋地管道泄漏不同于大氣環(huán)境中的泄漏事件,需借助可靠的數(shù)學模型解決土壤對泄漏物料擴散行為的影響,降低事故后果評估的不確定性。在此基礎上,通過對埋地管道泄漏事故進行情景分析和風險預測,將定量風險分析技術應用于埋地燃氣管道風險工作中,真正從風險角度推動城鎮(zhèn)燃氣管道完整性管理的實施,保障管道安全運行。