天然气长输管道的定量风险评价方法.pdf

2 0 0 8年第3 6卷第4期 石 油机械 C HI NA PE TROL EUM MACHI NERY 一1 5 一 ●专题研究 天然气长输管道的定量风险评价方法 邢 志 祥 江苏_T - ,2 k 学院环境 与安 全工程 系 摘要定量风险评价是天然气管道安全 管理的有效方法，通过风 险评价，可 以将管道事故 可 能造成的灾害风险降低到可接受标准 以下。在对天然 气长输管 线风险分析 的基础上 ，指 出造成事 故灾害性后果的主要方式是热辐射和冲击波。对天然气管道事故率、事故后果进行 了分析 ，得 出 了热辐射引起的人员死亡概率的计算方法。天然气管道的风 险可 以用个人风险和社会风险进行定 量评价，介绍 了定量计算个人风险和社会风险的方法 ，并结合实例进行 了计算和分析。 关键词 天然气 长输管道 定量风险评价 个人风险 社会风险 引 言 2 0世纪 9 0年代以来 ，我 国天然气长输管道进 入了高速发展阶段 ，已经建成的陕京输气管道 、西 气东输管道等天然气管线长度超过 6 0 0 0 k m。由于 天然气的易燃易爆性 ，一旦发生事故 ，容易引起火 灾、爆炸等恶性后果 。据统计 ，我 国天然气管道的 事故率为每千公里 4 ． 3次／ a ，是欧洲⋯ 和美 国 的 6～ 8倍 。 风险是事故发生的可能与事故造成后果 的严重 程度的综合度量， 风险常用风险率或风险系数表示， 它等于事故发生的概率与事故损失大小的乘积，即 R P S 1 式中尺 风险率 ； P 一事故发生的概率 ； 事故损失大小程度。 风险评价是 以实现系统安全为 目的，对系统中 潜在的危险因素进行识别 、分析 ，判断系统发生事 故的可能性及其危害程度，即其风险的大小，为制 定防范措 施和安全管理决 策提供科学依据 。危险 源 、暴露程度和后果是风险评价的 3个要素①风 险评价中首先要确定危险源的种类 ，如火灾 、爆炸 或毒物释放 ，同时要确定系统中危险源的来源 ，如 压力管道、动力系统等； ②环境、人员和其他生态 系统暴露于危险区域的程度；③事故一旦发生，对 暴露 目标的危害程度和损失大小。这 3个要素称为 风险链 ，在风险评价时 ，要对链中的每一个环节做 具体 的分析和评价 。 定量风险评价方法有伤害范 围评价法 、危险指 数评价法、概率风险评价法等。这种方法是在大量 实验结果和事故统计分析的基础上 ，建立相关的数 学模型 ，对系统的风险进行定量计算 。定量风险评 价是一种更科学 、客观的评价方法 ，基于定量风险 评价的风险管理方法已经成为许多国家广泛采用的 安全管理方法 。笔者提出的定量风险评价方法是建 立在伤害范围评价法和概率风险评价法的基础上 的，是一种对于人员伤害风险的综合评价方法 。 定量风 险评价方法 1 ．危险源辨识 对欧洲 和美 国天然 气 管道 事故 统计 表 明 ， 天然气管道破裂的主要原 因有 外部干扰 、材 料缺 陷、腐蚀 、地表移动等 。管道破裂后导致大量天然 气泄漏 ，如果立即遇到点火源 ，则在破裂处形成喷 射火焰 ，产生热辐射 ；如果泄漏一段时间后再遇到 点火源 ，则会发生爆炸或闪燃 ，同时在泄漏 口持续 喷射燃烧；如果泄漏的天然气在无限制的空气中扩 散，则可能发生蒸气云爆炸，这种爆炸的冲击波衰 减迅速 ，造成 的破坏较小。如果管道周 围有建 筑 物 ，泄漏 的天然气进入建筑 内部 ，则可能发生限制 本课题 由江苏省高校 自然科学基础研究项 目 “ 石 油化工灾害事故模拟分析技术研 究” 0 7 K ,J B 6 2 0 0 2 5 资助。 维普资讯 一 l 6一 石 油机械 2 0 0 8年第 3 6卷第 4期 空间内的爆炸。这种爆炸的破坏性较强 ，往往导致 建筑物倒塌 。天然气管道事故链如图 1 所示。 立即点燃 辇 嘉 破 裂 H延 迟 点 燃 失 效 l I 坚 璺 翌 热辐射 冲击波 图 1 天然气管道事故链 2 ．事故率 天然气管道的事故率用每年单位长度管线发生 事故的次数表示 ，表 1是西欧天然气管道的事故率 统计 J 。我国天然气 管道 由于缺 乏 比较系统详 细 的统计资料，还没有类似表 1 根据事故原因和孔尺 寸的事故率统计数据 。 表 1 欧洲天然气管道事故率统计 I 1 9 7 0 1 9 9 8年 一因 注小孔 指孔直径小于 2 e m，中孔 指孔 直径介于 2 e m 与管遭 直径之间 ，大孔指管道完全断裂或孔直径大于管道直径 。 必须注意 ，天然气管道的事故率并不是 固定不 变的，它受土壤 、表 面涂 层 、阴极保 护、使 用时 间、地埋深度 、人 口密度等因素的影响。 3 ．事故后果分析 由图 1 可 以看出 ，天然气管道事故主要有喷射 火焰、蒸气云爆炸、有限空间爆炸和闪火 4种可能 的类型。由于天然气的浮力作用 ，在地面形成持续 蒸气云而发生闪火的可能性非常小。敞开空间的蒸 气云爆炸由于其冲击波较小 ，事故 的破坏性较小 。 在天然气管道事故中能产生较严重后果的主要是喷 射火焰和有限空间爆炸 ，其中喷射火焰热辐射的危 害半径远大于爆炸冲击波 的危 害半径_ 4 。因此在 事故后果分析中可以只考虑最严重的一种情况 ，即 喷射火焰 的热辐射作用 。 由于事故引起的人员死亡概率 P 。 一 孚 2 3一 * 式 中P 死亡概率 ； P 伤害概率。 对于热辐射引起 的人员伤害概率『 6 ] P 一 4 ． ． 5 6 ln 3 式中 暴露时间 ，S ； ， 辐射热流量 ，J ／ m S 。 根据 A P I R P 5 2 1 ，火源产生的辐射热流量为『 6 ] ， 4 4 r ‘ 式 中卵 辐射热 占总释放热的 比例 ，对于 甲烷 可 取 0 ． 2 ； 大气的透射率 ，一般可取为 1 ； Q 气体释放速率 ，k g ／ s ； 气体燃 烧热 ，对 于天然气 为 5 X 1 0 J ／ k g； r 离火焰的距离 ，m。 将式 4 代入式 3 可得 P 1 6 ． 6 1 3 ． 4 l n f 1 5 气体释放速率 “ Q 1 ． 7 8 3 X 1 0 ‘ ’ A p a ip 0 X 啪x[ 0 _ 3 ， 】 6 式中4 管道横截面面积 ，m ； 无量纲孔洞尺寸 孔洞 面 管道横 截面面积 ； p 。 管道内气体操作压力 ，P a ； 从气体泄漏点到供气站的距离 ，m； d 管道直径，m。 4 ．风险分析 风险可以用个人风险 和社会风险 职 2个指标来衡量_ 8 ] 。个人风险是指事故发生时造成 在管道 附 近任 意 给定地 点 上 人员 死 亡 的可 能 性 概率 。个人风险主要取决于危险点的地理位置， 与人员是否存在于该点无关。对于多人受到伤害的 可能性 ，可以用社会风险来描述。 1 个人风 险 天然 气管道附近的个人风险 可以表示为 ∑ f P d Li 7 』 _ 一I ． f 、 式 中 不 同的事故 ，如小孔泄漏 、中孔泄漏 或大孔泄漏 ； 各种事故率 ，可由表 1确定 ； P 各 种事故 的人 员死亡 概率 ，可 由式 2 确定 ； f 危险半径 r 范 围内的管线长度 ，如 一 一一 一 一一 一 维普资讯 2 0 0 8 年第 3 6卷第4期 邢志祥天然气长输管道的定量风险评价方法 图 2所示 。 图2 天然气管道与人 员居住 区的关 系 2 社会风险 社会风 险用某一 给定 地 区发 生事故时造成的死亡人数和累积事故率之间的关系 表示。死亡人数用下式计算 Ⅳ J P p P d A 8 a Ai 式中 事故 i 导致的死亡人数 ； A 事故对应 的危险区面积 ，m ； p 人 V I 密度 ，人／m 。 对于人员死亡数 N i ≥Ⅳ的累积事故率为 ． F ∑ f u N ≥ Ⅳ d L 9 式 中，u Ni ≥Ⅳ为单位函数 ，若 N ≥Ⅳ，则 u 1 ；若 N i N，则 u 0 。 3 风险可接 受水平 到 目前为止 ，我 国还 没有制订管道风险可接受水平标准 ，而 国外 已经建 立 了比较完备的个人风险可接受标准和社会风险可 接受标准。美 国的个人 风险可接受上 限为 1 O～ ～ 1 O I 4 人／ a ，英国的可接受上限为 1 0 人／ a ，加拿大 的可接受上限为 1 O 人／ a 。 计算与讨论 以西气东输 管线为例 ，管径 1 0 1 6 mm，设计 压力 1 0 M P a ，计算离管道 5 0 m处的个人风险和面 积 1 k m 居 民区的社会风险。 1 ．个人风险 根据上述计算公式 ，编制计算程序见 图 3 。计 算结果表明，个人风险随管线长度 的增加而下降。 在总的个人风 险中 ，外部干涉 占 7 2 ％ ，材料 缺陷 占 1 0 ％ ，地表移位占 1 2 ％ ， 其他原因 占6 ％，腐蚀 引起的个人风险很小。如果采用美国和英 国的个人 风险可接受标准 ，个人风险属于不可接受范围。 H 兰 全 叁 H H l 图 3 个人 风险计算流程 2 ．社会风险 社会风险计算流程见图 4 。假设天然气管线穿 过 1 k m 1 k m 的居 民区 ，居 民区距 离供气站 2 O k m，人 15 1 密度 为 2 0 0 0人／ k m ，计算 的社会 风险 曲线如图5所示 。如果采用英 国的社会风险可接受 标准 ，社会风险已经超过了可接受范围。 计算气体释放率H计算人员死亡半径H计算死亡人数 ● 一 醉 林 皿 器 绘制社会风险曲线 H计算累计事故率 图 4 社会风险计算流程 图5社会 风险曲线 结 论 1 天然气管道 的风险可 以用个人风险和社 会风险来定量评价 ，个人风险主要表示个人受到事 故伤害的可能性 ，社会风险主要描述多人受伤害的 可能性 ； 2 个人风 险随管线长度 的增加 而下降 ，在 总的个人风 险中，外 部干涉 占 7 2 ％ ，材料缺 陷 占 1 0 ％ ，地表移位 占 1 2 ％ ， 其他原因 占6 ％ ，腐蚀引 起 的个人风 险很小 ； 3 社会风险与天然气管线附近的人 口分布、 人员死亡概率等因素有关 ； 4 因国内缺乏事故率 的统计数据 ，计 算实 例中采用 国外 的数据 ，另外 国内的事故率远高于国 外的事故率 ，因此 国内管道的实际风险水平 比笔者 的计算结果要高。 参考文献 [ 1 ] Mo r g a n B ． T h e i m p o r t a n c e o f r e a l i s t i c r e p r e s e n t a t i o n o f d e s i g n f e a t ur e s i n t he r i s k a s s e s s me n t o f hi g h p r e s s ur e g a s p i p e l i n e，5 th I n t e rn a t i o n a l C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n P i p e l i n e R e l i a b i l i t y ， H o u s t o n ，T e x a s ， 1 9 9 5 9 21 2 21 8 ． [ 2 ] 王玉梅，郭书平 ．国外天然气管道事故分析 ．油气 储运，2 0 0 0 ，1 9 7 51 0 ． [ 3 ] E u r o p e a n G a s P i p e l i n e I n c i d e n t D a t a G r o u p ． G a s P i p e l i ne I nc i de nt f o urth Re p o rt ．1 97 0 ～ 1 9 98， 1 9 9 9 1 5 6 1 6 0． 下转第 5 4页 维普资讯 石 油机械 2 0 0 8年第 3 6卷第 4期 见图 9 。考虑在 已有的材料磁声发射试验研究结 果中，磁声发射信号强度的最高值均对应了应力为 。的情况 ，而随着应力的增加 ，磁声发射 信号强度 呈下降趋势 ，这种关系对于反映应力改变与习惯表 示方法有一定的差距；而在另一方面，由于磁化条 件和耦合情况的影响，磁声发射信号强度水平会存 在较大差异，采用绝对的信号强度值计算残余应力 水平，与实际情况可能存在较大差异，因此采用信 号强度相对值的变化来描述残余应力水平应该更有 实用价值，为此本项 目 研究中提出采用信号强度相 对变化幅度来反映应力改变情况 ，经对试验数据拟 合可得到 一 Q 0 0 7 9 I △ l刖I 4 7 8 6 8 I △ _刖I 8 ． 9 0 6 5 式 中 ， 相对初始状态的应力改变量 ； △ 磁声发射信号强度相对无应力状 态时的改变量。 根据这一拟合公式对实测值进行对比计算，最 大误差为 1 4 MP a 。 变 化幅 度／ d B 图 9 应 力与磁声发射信号 强度 降幅之 间的拟合 关系 结 论 1 通过对磁声发射检测 系统 中磁化器 磁化 能力和磁化深度的试验 ，验证 了采用 5 0 H z 交流调 压器对钻杆进行磁化的可行性 ； 2 钻杆材料 的拉伸试 验结果表 明，在 拉应 力状态下，随应力值的增加，磁声发射信号强度总 体呈下降趋势，由于钻杆材料的高弹性强度 ，在屈 服极限范围内，信号强度呈缓慢下降特点，应力达 到屈服极限时，信号强度呈快速下降趋势； 3 为了方便现场直观地评 价残余应 力水平 ， 提出了采用信号强度相对变化幅度来反映应力改变 情况，即通过试验拟合方程来评定应力水平的 方法 。 参考文献 [ 1 ] 王威，苏三庆，王社良．用磁声法 MA E检测钢结 构构件应力 的机理和应用 ．西安建筑科技大学学 报自然科学版，2 0 0 5，3 7 3 3 2 2 3 2 5 ． [ 2 ] 侯炳麟，周建平，程育仁 ．用磁声发射原理测量钢 轨残余应力 ．北方交通大学学报，1 9 9 6 ，2 0 5 5 915 95 ． [ 3 ] O n o K，S h i b a t a M． Ma g n e t o me c h a n i c a l A c o u s t i c E m i s - s i o n f o r Re s i d u a l S t r e s s a n d P ri o r S t r a i n De t e r mi n a ． t i o n ． Ma g n e t o me c h a n i c a l Ac o u s t i c Emi s s i o n ， A n a h e i m ， C a l i f o r n i a D u n h a ff， P u b l i s h e r s ， 1 9 8 1 1 5 41 7 4 ． [ 4 ] 李家伟，陈积慰 ．无损检测手册 ．北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 25 1 1 5 1 2 ． [ 5 ] 马咸尧，吴金山 ．利用磁声发射法对钢铁件微观损 伤与残余应力的研究 ．武钢技术，1 9 9 4 ， 7 2 9 3 2 第一作者简介王金凤，女，生于 1 9 7 8年 ，在读硕士 研究 生，研 究 方 向 为 故 障 诊 断 与智 能 监 测。地 址 1 0 2 2 4 9 北京市昌平区 。电话 0 1 08 9 7 3 3 8 6 1 。E m a i l w a n 商 i le “ g 一9 7 1 6 3 ． c o m。 收稿 日期 2 0 0 71 01 1 本文编辑赵连禄 上接第 l 7页 [ 4 ]P e t e r K，J o h n L ． R e p o r t o n a S t u d y o f I n t e rna t i o n a l P i p e l i n e Ac c i d e n t s ． P ri n t e d a n d Pu b l i s h e d b y He alt h a n d S a f e t y E x e c u t i v e ， C 1 1 0 ／ 0 0，2 0 0 0 1 8 91 9 2 ． [ 5 ] C P Q R A ． G u i d e l i n e f o r C h e m i c al P r o c e s s Q u a n t i t a t i v e Ri s k A n aly s i s ． I S B N 0． 8 1 6 9 - 0 4 0 2 - 2， 1 9 8 8 2 2 9 2 3 5 ． [ 6 ] A P I R P 5 2 1 ，R e c o mm e n d e d P r a c t i c e 5 2 1 ，3 r d e - d ． W a s h i n g t o n DC，No v e mb e r ， 1 9 9 0 1 2 61 3 0 ． [ 7 ] 霍春勇，董玉华 ，余大涛，等 ．长输管线气体泄漏 率的计算方法研究 ．石油学报，2 0 0 4 ，2 5 1 】 0 】一】 0 5． [ 8 ]T N O p u r p l e b o o k ，G u i d e l i n e fo r Q u a n t i t a t i v e R i s k A s - s e s s me n t ， C o mmi t t e e for t h e P r e v e nti o n o f Di s a s t e r s ， T h e Ne t h e r l a n d s ， 1 9 9 92 6 82 7 9 ． 作者简介邢志祥，教授，博士，生于 1 9 6 7年，主要 研究方向为石油化工安全技术、消防与应急管理技术。地 址 2 1 3 0 1 6 江苏省常州市。电话 0 5 1 9 6 3 3 7 6 8 6 。E ma i l x i n g z h i x i a n g 2l c n ． c o m。 收稿 日期 2 0 0 71 0 0 8 本文编辑丁莉萍 维普资讯