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(shè)施運行風(fēng)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(guān)注。當(dāng)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(biāo)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(dǎo)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(guān)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(xué)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(guān)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(fēng)險計算。

鑒于埋地燃氣管道定量風(fēng)險評估是管道完整性管理和政府應(yīng)急決策的基礎(chǔ)[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(fēng)險分析方法應(yīng)用于埋地燃氣管道風(fēng)險評估并評估其風(fēng)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(shè)施安全隱患專項治理工作提供技術(shù)支持。

1 定量風(fēng)險分析理論

定量風(fēng)險分析(Quantitative Risk Analysis,QRA)是指對某一設(shè)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(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用安全系統(tǒng)工程原理和方法,通過對系統(tǒng)或設(shè)備失效概率和失效后果進行分析,將風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)險分析的核心量化指標(biāo)是個人風(fēng)險和社會風(fēng)險。

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

圖1 個人風(fēng)險計算流程[9]

b) 社會風(fēng)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(guān)系的F-N曲線圖來表示,計算流程如圖2所示。

圖2 社會風(fēng)險計算流程[9]

2 埋地燃氣管道定量風(fēng)險分析模型

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

圖3 埋地燃氣管道定量風(fēng)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(shè)計/運行壓力、埋深、土地用途等,在進行管道定量風(fēng)險計算前,需要將管道劃分為若干區(qū)段,作為埋地管道風(fēng)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(fēng)險評估區(qū)段劃分層次

由圖4可知,結(jié)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(fēng)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(fēng)險,進而得到管段潛在風(fēng)險。

2.1 失效場景

根據(jù)SY/T 6891.2—2020《油氣管道風(fēng)險評價方法 第2部分:定量評價法》,管道失效場景應(yīng)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(yīng)至少考慮腐蝕因素,包括外腐蝕、內(nèi)腐蝕、應(yīng)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(zhì)災(zāi)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(shè)備的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù),國外可供查詢的設(shè)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(fēng)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(guān)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?qū)е虏煌讖叫孤┧急壤齕10],得到適用于我國天然氣管道特點的不同孔徑泄漏基礎(chǔ)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(yīng)的數(shù)學(xué)模型,分析管道失效泄漏導(dǎo)致的災(zāi)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(yīng)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(shè)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。考慮到該段埋地燃氣管道對沿線設(shè)施和居民構(gòu)成的安全隱患,采用定量風(fēng)險分析方法進行風(fēng)險評估,確定沿線區(qū)域個人風(fēng)險和社會風(fēng)險。

項目涉及的埋地燃氣管道的壁厚、設(shè)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(zhì)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(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?4.2 ℃,年平均相對濕度56%,全年主導(dǎo)風(fēng)向SSW,年平均風(fēng)速3.0 m/s,風(fēng)玫瑰頻率分布如圖6所示。

圖6 風(fēng)玫瑰頻率分布

3.2 泄漏后果分析

3.2.1火災(zāi)熱輻射影響

燃氣火災(zāi)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(fēng)速為3.0 m/s,大氣穩(wěn)定度為D的風(fēng)況條件下,不同泄漏孔徑條件下熱輻射強度隨下風(fēng)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(zhǔn)則有:超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、壓力-沖量準(zhǔn)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(fēng)速為3.0 m/s,大氣穩(wěn)定度為D的風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)。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(fēng)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(yīng)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(fēng)險,包括個人風(fēng)險和社會風(fēng)險,并與相應(yīng)的可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)進行對比,確定管道風(fēng)險水平。

a) 個人風(fēng)險分布情況。根據(jù)SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風(fēng)險評價導(dǎo)則》規(guī)定,油氣管道個人風(fēng)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(jié)果,該段埋地燃氣管道沿線附近區(qū)域的個人風(fēng)險均不超過10-6/a,處于廣泛可接受區(qū)。

b) 社會風(fēng)險F-N曲線。結(jié)合SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風(fēng)險評價導(dǎo)則》關(guān)于社會風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險F-N曲線。

圖9 社會風(fēng)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(fēng)險較低,因此該段埋地燃氣管道造成的社會風(fēng)險處于可接受區(qū)。

4 結(jié)語

在全國大范圍開展城鎮(zhèn)燃氣設(shè)備設(shè)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(fēng)險特點,如何進行可靠的定量風(fēng)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(xué)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(chǔ)上,通過對埋地管道泄漏事故進行情景分析和風(fēng)險預(yù)測,將定量風(fēng)險分析技術(shù)應(yīng)用于埋地燃氣管道風(fēng)險工作中,真正從風(fēng)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。