李保平 季壽宏 錢濟(jì)人

浙江浙能天然氣運行有限公司

截至2020 年底，全球在役油氣管道總里程約201.9×104km，其中，中國油氣管道總里程為14.40×104km[1]。按照中國油氣管網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，2025 年將達(dá)到24×104km[2]。油氣管道壓力高、口徑大、距離長，其輸送石油、天然氣等易燃易爆介質(zhì)，且隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的輸氣管道沿線區(qū)域條件已和設(shè)計投產(chǎn)初期不一致，原本人口稀少甚至荒無人煙的區(qū)域變?yōu)槿丝诔砻?、商業(yè)活動頻繁的中心地帶[3]，一旦管道失效將會造成嚴(yán)重的人員傷亡、環(huán)境破壞、財產(chǎn)損失等，危害公共安全，因此油氣管道的風(fēng)險評價已引起世界各國高度重視。

目前管道風(fēng)險評價分為定量、半定量和定性評價3類，涉及的方法有安全檢查表（SCL）[4]、故障模式及影響分析（FMEA）[5]、預(yù)先危險性分析法（PHA）、危險與可操作性研究（HAZOP）[6]、故障假設(shè)分析（What-If）、事故樹法[7]、肯特評分法、量化風(fēng)險評價法（QRA）[8]等。風(fēng)險評價的基本思想是考察管道失效后果與失效可能性，最終確定管道的絕對風(fēng)險大小或相對風(fēng)險等級。定量風(fēng)險評價是最科學(xué)合理的管道風(fēng)險評價分析技術(shù)，也是管道風(fēng)險評價未來的發(fā)展趨勢，但由于其所需的管理信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)龐大，另外全面反映風(fēng)險因素與失效頻率之間數(shù)學(xué)模型的制定需要大量基礎(chǔ)研究工作，所以目前仍處于探索階段，實際應(yīng)用較少。而半定量、定性的風(fēng)險評價方法以其操作方便、簡單明確等優(yōu)勢在生產(chǎn)實際中得到了廣泛應(yīng)用，成為管道運營企業(yè)主流的風(fēng)險評價工具[9]。國內(nèi)外常用的管道風(fēng)險評價方法主要是基于故障樹的管道風(fēng)險評價方法和基于肯特法的半定量風(fēng)險評價方法。其中基于肯特法的半定量風(fēng)險評估是由美國運輸部（DOT）通過大量管道研究而得出的一套風(fēng)險評價方法，因其評價成本相對較低，所需原始數(shù)據(jù)相對較少，精度能夠滿足工程實踐需要，而被世界各國普遍采用。中國石油從2010 年開始開展管道完整性管理工作，基于肯特法的半定量風(fēng)險評價已經(jīng)成為其風(fēng)險管理的重要手段和工具。將肯特法中的各項風(fēng)險因素作為長輸管道風(fēng)險因素，具有指標(biāo)全面、準(zhǔn)確有效的優(yōu)點[10]，可以有效分析各段管道的風(fēng)險等級，為管道維護(hù)和風(fēng)險控制提供了科學(xué)的決策依據(jù)，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 風(fēng)險評價方法和過程

浙江省地處我國東南沿海一帶，多為山地、丘陵地形，地質(zhì)條件復(fù)雜，年降雨量較大，易受臺風(fēng)等惡劣天氣影響，且浙江地區(qū)經(jīng)濟(jì)活躍，第三方施工活動頻繁，人口密度和建、構(gòu)筑物密度較大，天然氣管道一旦發(fā)生事故，將嚴(yán)重威脅管道沿線人民生命財產(chǎn)安全，因此對浙江省天然氣管道進(jìn)行風(fēng)險評價尤為重要。浙江浙能天然氣運行有限公司（以下簡稱公司）負(fù)責(zé)浙江省約2 400 km省級天然氣管道的調(diào)度、生產(chǎn)運行、維修、應(yīng)急、技術(shù)服務(wù)等工作，年輸氣量達(dá)150×108m3。近年來不斷加強管道完整性管理，定期對管道開展高后果區(qū)識別、管道內(nèi)檢測、管道外檢測等工作，并搭建浙江省天然氣智慧管網(wǎng)平臺，利用光纖震動預(yù)警、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、無人機巡線、智能機器人巡檢、智能陰保樁等技術(shù)措施保障浙江省天然氣管道的安全平穩(wěn)運行。

公司于2020 年根據(jù)GB 32167《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》和公司制度規(guī)程等，對所轄范圍內(nèi)的1 768.11 km 浙江省級天然氣管道進(jìn)行高后果區(qū)識別，識別出高后果區(qū)長度約740 km，占管道里程的41.86%。其中，Ⅰ級高后果區(qū)393 km、Ⅱ級高后果區(qū)316 km、Ⅲ級高后果區(qū)31 km。公司在高后果區(qū)識別的基礎(chǔ)上，將半定量的肯特打分法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，利用自主開發(fā)的管道智能風(fēng)險評價系統(tǒng)（圖1）開展風(fēng)險評價工作。

圖1 浙江省天然氣智能風(fēng)險評價系統(tǒng)界面Fig.1 Interface of Zhejiang Natural Gas Pipeline Intelligent Risk Assessment System

肯特打分法計算公式如下：

失效可能性=1-（1-第三方損壞失效可能性）×（1-腐蝕失效可能性）×（1-制造與施工缺陷失效可能性）×（1-地質(zhì)災(zāi)害失效可能性）

后果=人員傷亡后果+財產(chǎn)損失后果+停輸后果

風(fēng)險值=失效可能性×失效后果

管道智能風(fēng)險評價系統(tǒng)根據(jù)采集到的管道屬性數(shù)據(jù)和管道周邊環(huán)境數(shù)據(jù)自動對管線進(jìn)行全屬性分段，即當(dāng)任何一個管道屬性或周邊環(huán)境數(shù)據(jù)沿管道里程發(fā)生變化時，插入一個分段點，將管道切分成多個管段后再計算每個管段的風(fēng)險值。該系統(tǒng)將危害管道安全運行的因素主要分成四大類：腐蝕、制造與施工缺陷、第三方損壞和地質(zhì)災(zāi)害，其中腐蝕包含18 種屬性數(shù)據(jù)，第三方損壞包含19 種屬性數(shù)據(jù)，地質(zhì)災(zāi)害包含10 種屬性數(shù)據(jù)，制造與施工缺陷包含12 種屬性數(shù)據(jù)。由風(fēng)險評價工作小組負(fù)責(zé)收集表1中影響管道安全運行的四大類共計59種屬性數(shù)據(jù)，并對每個數(shù)據(jù)指標(biāo)賦值后錄入管道智能風(fēng)險評價系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)各指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系綜合計算出每段管道的失效可能性。然后，風(fēng)險評價工作小組收集并錄入表1中與后果相關(guān)的10種屬性數(shù)據(jù)，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案、維搶修力量等具體情況，系統(tǒng)自動計算出人員傷亡、財產(chǎn)損失和停輸后果的分值，確定失效后果值。風(fēng)險評價小組對計算結(jié)果進(jìn)行分析、核實、修正，根據(jù)風(fēng)險矩陣確定風(fēng)險等級后，由軟件自動輸出風(fēng)險評價結(jié)論和報告。

表1 59種屬性數(shù)據(jù)Tab.1 59 kinds of attribute data

2 風(fēng)險等級劃分

根據(jù)GB 32167《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》并結(jié)合實際情況，采用風(fēng)險矩陣法對各管段的風(fēng)險水平進(jìn)行分級。風(fēng)險矩陣如圖2所示。

圖2 管道風(fēng)險矩陣Fig.2 Risk matrix of pipeline

圖2中失效可能性是指未來一年內(nèi)發(fā)生的可能性，共有5 級，分別為1～5 級，依次表示幾乎不可能、不太可能、偶爾可能、可能、很可能。失效后果主要考慮3個方面：人員傷亡、財產(chǎn)損失、停輸影響。將后果描述分為A～E 級，依次表示輕微影響、一般影響、較大影響、重大影響、特別重大影響，當(dāng)同時存在多個方面的后果且等級不同時，取等級最高者。

各模型計算流程如圖3至圖8所示。

圖3 外腐蝕失效可能性計算流程Fig.3 Calculation flow of the external corrosion failure possibility

圖4 內(nèi)腐蝕失效可能性計算流程Fig.4 Calculation flow of the internal corrosion failure possibility

圖5 第三方損壞失效可能性計算流程Fig.5 Calculation flow of the third-party damage failure possibility

圖6 地質(zhì)災(zāi)害失效可能性計算流程Fig.6 Calculation flow of the geological disaster failure possibility

圖7 制造與施工缺陷失效可能性計算流程Fig.7 Calculation flow of the manufacture and construction defects failure possibility

圖8 失效后果計算流程Fig.8 Calculation flow of the failure consequence

管道風(fēng)險分為高、較高、中、低四個等級，如圖9所示。

圖9 管道風(fēng)險等級Fig.9 Risk level of pipeline

3 失效可能性分析

根據(jù)管道智能風(fēng)險評價系統(tǒng)計算，各段管道第三方損壞失效可能性為0.841%～36%，制造與施工缺陷失效可能性在0.197%～20.594%，地質(zhì)災(zāi)害失效可能性為0.4%～8%，腐蝕失效可能性為0～0.239%。

浙江地區(qū)經(jīng)濟(jì)活躍，工程施工活動頻繁，第三方施工易對管道造成損傷是管道失效的最主要因素。此外管道制造與施工缺陷直接影響管道本質(zhì)安全，是較為重要的失效因素。另外，由于浙江地處東南沿海一帶，地形復(fù)雜，多為山地、丘陵地區(qū)，當(dāng)?shù)亟涤炅枯^大，且易受臺風(fēng)等惡劣天氣影響，因此管道較易遭受崩塌、山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害影響，存在一定的失效可能性。

管道智能風(fēng)險評價系統(tǒng)根據(jù)各段管道各因素的失效可能性，自動計算得出各段管道失效可能性。

各段管道的綜合失效可能性=1-（1-第三方損壞失效可能性）×（1-腐蝕失效可能性）×（1-制造與施工缺陷失效可能性）×（1-地質(zhì)災(zāi)害失效可能性）。

浙江省級天然氣長輸管道綜合失效可能性如圖10所示，包括：幾乎不可能（1級）62.11%，不太可能（2級）32.9%，偶爾可能（3級）3.36%，可能（4級）1.54%，很可能（5級）0.1%。

圖10 浙江省級天然氣長輸管道失效可能性Fig.10 Failure possibility of Zhejiang provincial natural gas longdistance pipeline

4 失效后果分析

浙江省級天然氣長輸管道失效后果如圖11 所示，包括：輕微影響81.56%，一般影響15.29%，較大影響2.79%，重大影響0.28%，特別重大影響0.08%。

圖11 浙江省級天然氣長輸管道失效后果Fig.11 Failure consequence of Zhejiang provincial natural gas long-distance pipeline

浙江省天然氣長輸管道的失效后果值在0.09分至47.134分之間，后果較高的管段大部分處在高后果區(qū)，部分管段途徑人口密集區(qū)，導(dǎo)致人員傷亡的后果得分較高；部分管段10 m 內(nèi)存在并行或交叉其他油氣管道，財產(chǎn)損失的后果得分較高。浙江省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，浙江省天然氣管道高后果區(qū)占比高達(dá)41.86%，管道附近工業(yè)園區(qū)、物流園區(qū)、工廠等較多，管道沿線人口密度和建筑物密度較大，管道一旦發(fā)生事故將造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此失效后果值較高。

5 風(fēng)險評價結(jié)果

全長1 768.11 km 的浙江省天然氣長輸管道風(fēng)險評價結(jié)果如圖12 所示。無高風(fēng)險管段；較高風(fēng)險管段共10.5 km，占比0.59%；中風(fēng)險管段共78.57 km，占比4.44%，低風(fēng)險管段共1 679.04 km，占比94.96%。

圖12 浙江省級天然氣管道風(fēng)險等級Fig.12 Risk level of Zhejiang provincial natural gas pipeline

6 結(jié)論

（1）通過對浙江省1 768.11 km 天然氣長輸管道風(fēng)險評價，浙江省級天然氣長輸管道不存在高風(fēng)險段，較高風(fēng)險管道10.5 km，中風(fēng)險管段78.57 km，低風(fēng)險管段1 679.04 km，浙江省級天然氣長輸管道風(fēng)險整體可控。

（2）結(jié)合浙江省天然氣長輸管道實際情況將危害管道安全運行的因素主要分成腐蝕、制造與施工缺陷、第三方損壞和地質(zhì)災(zāi)害四大類共計59 種屬性數(shù)據(jù)。其中第三方損壞（失效可能性0.841%～36%）和制造與施工缺陷（失效可能性0.197%～20.594%）是管道失效的主要因素，地質(zhì)災(zāi)害（失效可能性0.4%～8%）是管道失效的次要因素，腐蝕（失效可能性0～0.239%）對管道失效的影響較低。

（3）結(jié)合浙江省天然氣長輸管道實際情況將后果相關(guān)屬性數(shù)據(jù)分為10 種，通過計算得出失效后果值較高（0.09～47.134）。浙江省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，管道沿線人口密度和建筑物密度較大，管道一旦發(fā)生事故將造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此失效后果值較高。

（4）管道風(fēng)險是隨著管道屬性、管道周邊環(huán)境和人類活動影響等因素而不斷進(jìn)行動態(tài)變化的，目前國內(nèi)外管道風(fēng)險評價基本是定期開展靜態(tài)評價，難以實現(xiàn)對管道風(fēng)險的實時動態(tài)評價。利用視頻監(jiān)控、泄漏監(jiān)測預(yù)警、無人機巡線、光纖震動預(yù)警、智能機器人巡檢、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、智能陰保樁等技術(shù)對管道進(jìn)行實時監(jiān)測、監(jiān)控，實現(xiàn)管道的全面感知，對管道進(jìn)行實時的動態(tài)風(fēng)險評價，將成為油氣管道風(fēng)險評價的未來發(fā)展趨勢。