天然气长输管道定量风险评价中的技术要点.pdf

油气储运 天然气长输管道定量风险 评价中的技术要点 王瞍’帅健 中国石油大学 北京 机电学院 王搜帅健天然气长输管道定量风险评价中的技术要点，油气储运，2 0 0 5 ，2 4 增刊 1 8 ～ 2 1 。 摘要 定量风险评价是长输管道完整性管理研究的热点和难点问题。对风险的概念和风险 评价的方法进行了初步探讨，针对天然气长输管道定量风险评价研究中涉及的关键技术问题进行 了系统的阐述，并提出了解决问题的思路和方法。 主题词 定量风险评价评价体系管道风险 1 厶L 一、丽舌 管道的风险评价是指用系统的、分析的方法来 识别管道运行过程中潜在的危险、确定发生事故的 概率和事故的后果。在管道完整性管理中，风险分 析和风险评价是进行完整性管理的必要步骤。目前 最有影响的气体管道完整性管理标准是美国 A S M EB 3 1 ．8 S 输气管道完整性管理系统 。该系 统包括两种完整性管理程序，即规定的完整性管理 程序和基于风险评估的完整性管理程序n ，。在这两 种程序中，风险评价都是必不可少的，它的目标是对 管道完整性评估和事故减缓活动进行优先排序，评 价事故减缓措施的效果，确定对已识别危险最有效 的减缓措施。 从风险值的描述方法上，风险评价分为定性风 险评价、定量风险评价，以及处于两者之间的半定量 风险评价。定量风险评价结果最完善，要求数据最 多，方法最复杂。现针对管道定量风险评价中的一 些关键问题进行分析，并提出具体的建议。 二、管道风险辨析 在管道风险评价中，通常将风险定义为事故 * 4 3 0 0 6 3 ，湖南省武汉市武汉理工大学；电话 0 2 7 6 3 3 0 2 7 1 1 。 可能性与事故后果的乘积。比较严密的风险定义 为∞3 ，在以特定利益为目标的行动过程中，若存在与 初衷利益相悖的可能损失，即潜在损失，则由该潜在 损失引致的对行为主体造成危害的事态，便称作该 项行动所面对的风险，简称该项行动风险。 风险的概念涉及5 个要素，即行为主体、行动、 利益、可能损失、危害性。在风险分析和风险评价研 究中，区分这5 个要素是非常重要的，其中行为主体 和行为主体的具体行动又是进行风险分析时要特别 关注的问题，是管道风险界定的关键要素。不同的 行为主体、不同的行为、不同的利益目标都有不同的 损失类型和不同的危害表现形式，它们的不同组合 构成了风险分析的各个侧面，所以在对管道进行风 险分析以及风险评价时，首先要根据上述几个要素 进行界定。 管道风险评价关注的是管道运营者的风险问 题。作为管道运营活动的直接受益者，管道运营者 必须全面承担管道运营过程中的所有风险，这些风 险不仅包括了管道失效给其带来的直接经济损失风 险和公司内部操作人员的损失风险，也应包括管道 失效给其周边居民带来损害的责任损失风险。因 此，在对管道运营者风险进行分析时，必然涉及周边 居民和操作人员的风险分析。从这个层面上，管道 运营者是管道设施所有风险的承担者。 万方数据 第2 4 卷增刊王技等天然气长输管道定量风险评价中的技术要点三、定量风险评价中的技术要点分析1 、风险识别 1 分析方法风险识别的主要任务是分析输气管道可能的灾害事故一风险事故及其后果。在此，主要对风险事故的类型和后果进行定性分析，要列举出所有的管道可能的事故和及其后果，并分析其影响因素。薹U 茬破lI 泄裂lI 漏立即点燃未立即点燃，形成可燃性气体一空气石火灾点源喷射火灾检测未检测有效的分析方法有故障树、影响图、事件树、故障模式影响分析等方法。，故障树分析、影响图分析和事件树分析方法既可作为定性分析方法，又可作为定量分析方法，这里只利用这些方法对管道进行定性分析，并不涉及定量分析的内容。事件树分析在管道风险后果的分析中能够清晰地说明管道事故的发展进程，从而能够从宏观上把握风险分析的思路。图1 用事件树分析了管道泄漏后的灾害事故的进程。经济损失及人员伤害点燃未点燃点燃未点燃气体爆炸及火灾经济损失气体爆炸及火灾图1 管道气体泄漏事故结果的事件树故障树和影响图分析可对影响管道失效的因素进行详细分析，能够较好地将管道的失效形式与管道事故原因联系起来。管道失效影响因素很多，A S M EB 3 1 ．8 S 将其分为3 大类9 小类2 2 种因素n 3 ，分析的过程也比较复杂，需要仔细的分析其中的逻辑关系。故障模式影响危害度分析也可作为事故后果影响程度的定性分析工具，其格式见表1 。表1故障摸式影响危害度分析 2 不同的至体的风险分析对于不可能的损失，应根据不同的主体进行分析。不同的行为主体有不同的风险。在管道风险分析中，通常考虑的行为主体有3 类，一是管道运营者，二是管道现场操作管理人员，三是管道周边的居民。这3 类人群是受管道事故影响并可能遭受损失的行为主体。管道现场操作人员可能遭受的管道事故损失为身体伤害 致残、致伤和致死 ；对管道周边经济损失经济损失及人员伤害经济损失及人员伤害居民而言，其可能遭受的管道事故损失为身体伤害 致残、致伤和致死 和房屋财产的损失；而对管道运营者而言，管道事故所产生的损失不仅包括事故本身带来的直接损失，也应包括相关的责任损失，即要把对周边居民造成的损失包括在内。从风险角度上，管道的风险实际上就等同于管道运营者的风险。行为主体的不同行为可能产生不同的风险，在具体研究中必须根据管道风险评价的目的对不同行为主体的行为进行分析。对于管道运营者，可以对其正常的管道运营过程进行评价，也可对在运营过程中的某一具体管理措施、技术方案等进行评估，当然通常的管道风险评价主要是针对前者；对于管道现场操作管理人员，主要是评价其在工作日内的日常工作行为；对于周边居民，主要评价其在管道附近的居住和日常生活行为。2 、管道分段技术根据风险评价的要求对管道进行分段，主要解决的问题是与软件开发中数据库设计相关的分段标准、标志物类型、最小评价长度等。分段标准和分段标志物类型的确定涉及两个方面的问题，一是工程分析及其危害因子识别，二是管 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 油气储运 道沿线资料调查与分析。工程分析及其危害因子识 别包括分析管道工程输送能力、介质、压力、场站设 置、安全截断阀的设置、安全保护装置及应急保护措 施的设置等情况，分析识别该工程项目潜在的危害 因素种类。资料调查与分析包括管道附近的环境敏 感点调查、工程类比调查和天然气管道历史档案资 料调查。分段的步骤分为不同的层次，这样做的目 的是为了便于数据库的设计和数据输入以及计算机 程序化的自动分段，减少人工分段的劳动强度。可 设想通过以下步骤进行。 1 根据管道的总体概况进行初步分段，分段的 标志物为站场、阀室。 2 根据管段的自然环境属性进行分段，分段的 标志物有土壤条件、地质条件。 3 第三个层次根据管段的属性 例如埋地管 段、穿跨越等 进行划分。 4 第四个层次根据管道的周边社会环境进行 划分，划分的标准为人口密度、建筑物标志物、社会 公用设施等。 5 第五个层次为管道参数，例如壁厚、腐蚀程 度、使用年限等。 6 将管道按照最小评价长度进行最后的细分。 最小评价长度是指对管道进行分段时默认的最小评 价管道单元。 3 、输气管道泄漏失效频率 概率 及其影响因 素的定量分析 美国、欧洲和加拿大等国家建立了相应的管道 事故数据库，以进行现役管道的安全评价，减少事故 发生的可能性。E G I G E u r o p e a nG a sp i p e l i n eI n c i d e n td a t aG r o u p 。3 管道事故的统计分成总体失效 频率和分类失效频率 p r i m a r ya n ds e c o n d a r y f a i l u r ef r e q u e n c i e s 。总体失效频率是事故数据除 以现有总的管道系统长度，分类失效频率是事故数 据除以部分管道系统 例如每种直径类别、每种管道 壁厚、覆盖层厚度等 长度。 国际上失效频率的表示方法是每年每千米管道 上发生事故的平均次数，即指事故次数与管道的运 行长度和持续使用年限的比值 A 一 ∑．i ／∑L 1 0 3 1 i li 1 式中挖；第i 年的管道失效次数； L ；第i 年的管道长度； r 运行年数。 管道失效频率 概率 定量分析是风险分析中的 重点和难点问题，它的目的是研究管道的每个危害 因子对输气管道失效泄漏频率的影响，其复杂性在 于影响管道失效的因素众多，不同的危害因素有不 同的影响途径和机理。同时，各种危害因素之间的 耦合使其对管道失效频率 概率 的影响更加复杂。 对失效频率的估计通常有3 类方法“3 。 1 单纯以专业知识为基础估测事件频率，这种 方法可对频率进行定性估测。 2 以数据为基础，主要对管道的操作历史纪录 进行统计。 3 以逻辑为基础，构造事件之问或事件的频率 之间的因果逻辑模型 例如故障树或事件树 ，并结 合管道意外事件频率的估计来推算目标事件的频 率。当操作数据不充足时，该方法用来直接估计稀 少事故的频率。 频率的定量分析最理想的结果是通过统计数据 得出事故的每一种影响因素的变化与频率的统计相 关性，例如人口密度、土壤参数等影响因素与事故频 率的相关性 单因素与多因素 ，但也许更为现实的 结果是通过统计数据得到事故影响因素对事故的影 响权重。 在定量风险分析中，频率的确定需要大量的数 据作为基础，然而现实情况是国内没有建立起完整 的管道操作历史统计数据库以及相应的管道事故统 计机制。在完整的数据统计体系建立起来之前，如 何利用现有的基础进行频率定量计算需要建立有效 的定量分析模型，贝叶斯统计推断和多元统计分析 模型对于充分应用现有的数据是有帮助的。 4 、输气管道泄漏尺寸的定量分析 确定典型管道泄漏尺寸及其发生频率，有必要 建立失效频率与泄漏尺寸之问的概率关系，尤其是 根据最大可信风险事件来确定泄漏尺寸。 在A P I5 8 1 中，管道通常使用4 个泄漏尺寸，即 6 ．3 5m m ，2 5m m ，1 0 0m m 和管道全部断裂等4 种 情况。3 。 E G I G 统计方法为，损害是根据以下泄漏的尺 寸进行分类记录。 1 微孔／裂纹缺陷直径≤2c m 。 2 孑L 2c m ≤缺陷直径≤管道直径。 3 断裂缺陷直径 管道直径。 万方数据 w w w . b z f x w . c o m 第2 4 卷增刊王嫂等天然气长输管道定量风险评价中的技术要点2 1 典型泄漏尺寸的确定方法是，管道可能的泄漏尺寸是连续分布，可以将它们离散化，确定典型泄漏尺寸下管道泄漏的频率作为后续的定量分析研究的基础。典型尺寸的确定要与具体数据源的统计方法相结合。5 、事故后果定量分析事故后果定量分析的目的是确定不同泄漏尺寸下风险事故的后果，其重要内容是根据事故的后果确定管道的影响范围和安全距离。天然气管道失效后果的灾害类型有火灾与爆炸，火灾的影响模式为热辐射，而爆炸通过冲击波以及超压对建筑和人造成破坏和伤害。风险事故的典型特征就是它的可能性，即它不是确定要发生的，而是以一定的概率出现的，这给定量计算风险事件的后果带来了很大的困难。例如，图l 管道灾害事件树对火灾与爆炸的发生和发展过程进行了描述，要确切地确定灾害事故的后果，必须结合每一种灾害事故的发生概率。对灾害事故后果进行定量分析要涉及气体的泄漏模型、扩散模型、火灾模型、爆炸模型、伤害模型和相应的灾害事故频率计算。事故频率的确定需要计算点火概率、爆炸概率、火灾概率、人员活动概率等，然后通过事件树来进行概率推理计算。事故经济损失包括管道失效泄漏导致直接的经济价值 泄漏气体的经济价值 、更换管道的管材经济价值、相关的维修费用、停输经济损失、启动紧急预案相关费用、火灾导致的经济损失 物质损失、人员伤害经济赔偿 、爆炸导致的经济损失 物质损失、人员伤害经济赔偿 、人员中毒经济赔偿等。人员伤害包括中毒、爆炸、火灾人员伤亡。 1 A S M EB 3 1 ．8 S 严重后果区域的计算模型‘1 ’6 3火焰模型。主要灾害是来自立即点燃的持续喷射或地沟火焰，在其之前可能会有一个短暂的火球发生。计算特定距离处的热通量时将火焰压缩为地面的一个点。热通量是泄漏率和距离的函数。泄漏模型。最坏可信失效事故对应的泄漏形式为管道的截断型泄漏，并通过有效泄漏率来对动态的泄漏率进行近似。热强度模型。确定损害的热辐射阈值 木质建筑明火点燃，1 ％的致死率 。通过以上计算模型得到的灾害区域公式为灾害区域半径与管道直径和操作压力的关系r 一0 ．0 9 9 以矛 2 2 文献[ 7 ] 安全距离的计算模型要点假设管道断裂的危害主要是由于燃烧的气体的热辐射所产生。火焰模型。将火焰的热辐射看作是从火焰高度的1 ／2 处的点源辐射。给出确定热量、气体流速和火焰高度公式，然后将它们结合起来推导出一个单一的计算安全间隔距离的公式。6 、风险定量评价指标管道风险评价中通常用概率与后果的乘积来表示风险值的大小。风险后果可用经济损失或人员致伤数、致死数表示，故风险值也可用经济损失率或致伤致死率表示。风险的定量评价指标有经济指标 单位事件或单位时间内的经济损失 和人员伤亡指标 个人风险和社会风险 。在使用风险评价标准或比较危害的风险水平时，应当注意保证风险度量的一致性，只有在风险的度量一致时进行比较才有意义。但并不是所有的风险都能够通过单一的指标进行表征，因此在实际的风险评价时可以同时采用多种评价指标，将风险值与相应的法规、标准和企业经营目标相比较，确定风险的合理水平。参考文献1 ，A S M EB 3 1 ．8S 一2 0 0 1 M a n a g e m e n tS y s t e mI n t e g r i t yO fG a sP i p e l i n e s ．2 ，姜青航风险度量原理，同济大学出版社 上海 ，2 0 0 0 。3 ，T h e5 t hE G I Gr e p o r t E u r o p e a nG a sP i p e l i n eI n c i d e n tD a t aG r o u p E G I G ，2 0 0 2 ，1 2 ．4 ，R i s kM a n a g e m e n tP r o g r a mS t a n d a r d D R A F T F o rU s ei nt h eP i p e l i n eR i s kM a n a g e m e n tD e m o n s t r a t i o nP r o g r a m ，T h eO f f i c eo fP i p e l i n eS a f e t y ，1 9 9 6 ．5 ，R i s k B a s e dI n s p e c t i o nB a s eR e s o u r c eD o c u m e n tA P IP u b l i c a t i o n5 8 1 ，F i r s tE d i t i o n ，M a y2 0 0 1 ．6 ，M a r kJS t e p h e n s ，K e i t hl e e w i s ，D a r o nKM o o r e AM o d e lF o rS i z i n gH i g hC o n s e q u e n c eA r e a sA s s o c i a t e dW i t hN a t u r eG a sP i p e l i n e ，P r o c e e d i n g so fI P C 0 24 t hI n t e r n a t i o n a lP i p e l i n eC o n f e r e n e e ，I P C 2 0 0 2 2 7 0 7 3 ．7 ，J a m e sS t e p h e nH a k l a r A n a l y s i so fS a f eS e p a r a t i o nD i s t a n c e sF r o mN a t u r a lG a sT r a n s m i s s i o nP i p e l i n e s ，D i s s e r t a t i o no fN e wJ e r s e yI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，19 9 7 。 收稿日期2 0 0 5 0 9 1 5 编辑孟凡强 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载