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      管道研究

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      天然氣管道高后果區安全防護措施定量比選研究

      來源:《管道保護》2023年第5期 作者:張華兵 時間:2023-9-25 閱讀:

      張華兵1,2

      1.河北大學;2.管道完整性管理技術委員會 

       

      摘要:研究管道高后果區安全防護措施有效性對指導企業高后果區管理有重要意義,提出了一種定量比選方法,基于某個典型高后果區進行試點,對降低管道失效概率、降低運行壓力和減少管道周邊人口數量這3類安全防護措施的風險降低效果進行對比分析。結果表明,降低管道失效概率的效果最好。

      關鍵詞:管道高后果區;定量風險評價;安全防護措施;管道失效概率

       

      隨著天然氣管道和各地經濟的不斷發展,管道周邊人口數量也在逐年增長,管道高后果區數量隨之增加。如何保障管道高后果區安全運營,對企業和地方政府提出了嚴峻挑戰。根據GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規范》要求,天然氣管道高后果區風險管控主要包括降低管道失效可能性和減輕管道失效后果兩方面。降低管道失效概率包括采取管道內檢測、外檢測、缺陷修復、加密和維護管道警示標識、安裝視頻監控等;減輕失效后果包括降低管道輸送壓力、人口密集區搬遷、改變管道路由等。

      面對以上諸多可供選擇的方法,需要提供明確的定量分析作為參考。筆者通過計算分析,對幾類常用防護措施降低風險的效果進行分析,可為天然氣管道企業方案優選提供參考。

      1  管道風險評價結果

      1.1  樣本選取

      依據SY/T 6891.2―2020《油氣管道風險評價法 第2部分:定量評價法》,使用某軟件對某管道高后果區管段失效頻率和失效后果進行量化計算,并將計算得出的風險值與風險標準進行比較,判斷風險的可接受性,提出降低風險的建議措施。

      該管道于2012年投產,高后果區長1790 m,管徑914 mm,設計壓力10 MPa,運行壓力6 MPa,3PE防腐層,管道周圍常年平均風速2.50 m/s。管道兩側200米緩沖區內有距管道100米的電子廠,人數約為1400人,還有一處工廠職工宿舍,建筑為2棟7層樓,距離管道100米,人數為1000人。周圍還有其他一些零星居民,人數約100人。該區域內總人口數約為2500人。

      通過系統收集該管道的檢測、維護數據和周邊環境數據,完成了風險計算。計算結果包括個人風險和社會風險。個人風險在此處代表由于管道發生火災爆炸導致附近一個人死亡的概率,且假定人沒有采取保護措施。個人風險在地圖上以不同數值的等值線的形式給出,不同情況下計算得到的等值線與管道的垂直距離不同。社會風險代表有N個或更多人同時死亡事故發生的概率。社會風險一般通過F-N曲線表示(F為概率,N為傷亡人員數)[1-4]。

      1.2  個人風險結果

      個人風險計算公式如下:

      式中:f 為管道失效頻率;PM為氣象條件概率;Pi為點火概率;Pd為人員死亡概率。

      評價管段個人風險等值線如圖 1。


      圖 1 評價管段個人風險等值線分布圖

      圖 1左上角為比例尺。黃色區域為人口分布區,紅色為管線走向,藍色為3×10-5個人風險等值線,粉色為1×10-5個人風險等值線,橙色為3×10-6個人風險等值線。

      1.3  社會風險結果

      評價管段社會風險F-N曲線(圖 2)。


      圖 2 評價管段社會風險F-N曲線圖

      圖 2中紅線與綠線之間的區域表示可能造成死亡人數小于1000的區域為風險可接受區。紅線之上以及可能造成死亡人數大于1000的區域為不可接受區。綠線之下以及可能造成死亡的人數小于1000的區域為風險可接受區。

      2  管道安全防護措施比選方法

      本研究假設管道企業采取某安全防護措施,并對比該措施實施前后的風險變化情況,分析不同措施對降低管道風險的效果,以實現定量比選。研究主要選取了管道失效概率、運行壓力和周邊人口數量三種防護措施進行了模擬計算和比較。

      2.1  降低管道失效概率

      目前管道企業降低管道失效概率通常采用的措施有:定期進行內檢測及修復、加密三樁一牌、高后果區內安裝監控攝像頭,做到管體損傷早發現早治理,第三方損壞早發現早介入,全程監督。

      假設情景1為當前現狀;情景2為其它條件不變的情況下,加密三樁一牌,巡檢次數翻倍;情景3為其它條件不變的情況下,采取前述措施后當年開展管道內檢測并修復不可接受缺陷。

      依次計算這些情景下管道的風險變化情況,計算結果如下(表 1)。

      表 1 不同管道失效概率下的個人風險


      由結果可知(圖 3),隨著管道失效概率的降低,管道的個人風險等值線與管道距離之間有明顯變化,社會風險F-N曲線也有所降低。


      圖 3 不同失效概率下的社會風險

      以個人風險等值線3×10-6這組數據為例進行分析,如表 2。

      表 2 管道失效概率與個人風險


      由表 2中數據結果可以看出降低失效概率可以有效降低個人風險和社會風險,見表 1、圖 3。當失效概率減小為原來的67%時,3×10-6個人風險等值線距離管道的距離降低了57.95%;當失效概率減小為原來的33%時,3×10-6個人風險等值線距離管道的距離降低了86.18%。從圖4中可以看出失效概率與人風險等值線距離管道的距離呈正相關性,個人風險值與社會風險結果對管道失效概率值的變化都較敏感。


      圖 4 管道失效概率與個人風險等值線變化的對應關系

      2.2  降低管道輸送壓力

      在假設其它條件不變的情況下,降低管道輸送壓力也會降低管道風險。假設情景1為當前現狀,情景2為改變運行壓力為目前實際運行壓力的2/3,情景3為改變運行壓力為目前實際運行壓力的1/3。依次計算得到采取降壓措施導致個人風險等值線與管道距離的關系,計算結果(表 3,圖 5)。

      3 不同運行壓力下的個人風險



      圖 5 不同壓力下的社會風險曲線

      以個人風險等值線3×10-6這組數據為例進行分析,結果如表 4。

      表 4 運行壓力與個人風險


      由表 4數據結果可以看出,運行壓力降低后個人風險和社會風險也隨之降低,見表 3、圖 5。當運行壓力降低為原來的67%后,3×10-6個人風險等值線與管道的距離降低了15.09%。當運行壓力降低為原來的33%時,3×10-6個人風險等值線與管道的距離降低了28.75%。從圖 6中可以看出,運行壓力與個人風險等值線距管道的距離呈正相關性。但個人風險值和社會風險值對管道運行壓力值的變化不敏感。


      圖 6 運行壓力與個人風險等值線距離的關系

      2.3  降低周邊人口數量

      采取人口搬遷或管道改線措施,能使管道周圍人口數量降低從而達到降低管道風險目的。情景1為現狀;情景2為假設其它條件不變,保持周邊人口區域位置不變,將周邊人口數量降為現有人口數量的2/3,一般采取改線或搬遷;情景3為假設其它條件不變,將周邊人口數量降為現有人口數量的1/3。依次計算得到采取措施后導致個人風險等值線與管道距離的關系,計算結果(表 5)。

      表 5 運行壓力與個人風險


      由表 5數據結果可以看出管道周邊人口數量降低后,個人風險和社會風險也隨之降低,見表 5和圖 7。當人口數量降低后,管道的個人風險等值線與管道的距離保持不變,社會風險的末端變化較大。這是因為個人風險計算的過程本身與管道周邊人數無關,而社會風險曲線的末端本身表征的就是相應人數的累積死亡概率。因此,個人風險值對管道周邊人口數量變化不敏感,社會風險曲線的末端對管道周邊人口數量變化較敏感,建議在社會風險曲線末端不可接受時考慮采用該方法。


      圖 7 不同人口數量下的社會風險曲線

      3  結論

      綜上所述,通過對該天然氣管道高后果區安全防護措施有效性評估,得到如下結論:各類安全防護措施中,采取多種檢測維護措施降低管道失效概率的效果最好;降低管道輸送壓力和周邊人口數量,對個人風險的降低效果并不明顯;降低人口數量,對社會風險的末端降低效果比較明顯。

      本文分析存在以下限制與不足,后續可開展進一步研究。

      (1)受當前評價標準、評價模型、評價軟件和可獲取的數據等因素的限制,定量風險計算結果存在偏差。

      (2)在對管道安全防護措施進行比選時,未考慮各類措施的投資規模,即沒有考慮各類措施的經濟性。

      (3)未考慮管道安全防護措施的作用時效。如內檢測和缺陷修復措施的效果會隨著時間的推移而逐漸降低。一段時間后,管道風險值會恢復至原水平,需要重新進行檢測和修復。而降低管道周邊人口數量的效果受時間變化的影響有限,將會持續有效。

       

      參考文獻:

      [1]張華兵,王新.基于風險評價的管道安全距離確定方法[J].油氣儲運.2018,(1):20-23.

      [2]楊松克,趙正勛,楊曦宇,等.埋地原油長輸管道定量風險評價技術研究[J].油氣田地面工程.2018,(5):11-15.

      [3]朱勇,林冬,劉雅坤,等.基于統計數據與現狀分析的管道失效頻率計算方法[J].焊管.2016,(8):42-48.

      [4]王天瑜. 天然氣管道風險分析與安全距離計算方法研究[D].中國礦業大學(北京),2017.


      作者簡介:張華兵,男,河北大學教授,兼任河北大學精密儀器與計量研究所主任工程師、油氣管道安全方向學科帶頭人,石油儲運專委會管道完整性管理技術委員會秘書長,長期從事油氣管道完整性管理技術的研究與應用,聯系方式:0312-5079330,modify78@163.com。

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