【摘要】管道風(fēng)險評價普遍采用以Kent打分法為代表的定性方法，筆者提出了一種新方法，即定量風(fēng)險評價(QRA)，采用基于管道失效歷史數(shù)據(jù)庫和巳有成熟的數(shù)值模型，進(jìn)行管道失效概率分析和失效后果分析，并以此方法在某輸氣管道上進(jìn)行了驗(yàn)證，最后得到管段的絕對風(fēng)險和人口密集段的個人風(fēng)險，并進(jìn)行了風(fēng)險預(yù)剝。研究表明，QRA受人員主觀判斷影響較小，計(jì)算方法科學(xué)合理，結(jié)果量化，對進(jìn)行檢測與維護(hù)維修資源的分配具有很好的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】管道；定量風(fēng)險評價法(QRA)；個人風(fēng)險；失效歷史數(shù)據(jù)庫；完整性管理

0 引言

油氣長輸管道是國家經(jīng)濟(jì)的大動脈，直接服務(wù)沿線工業(yè)的生產(chǎn)和城市居民的普通生活。但管道又屬于危險源，一旦發(fā)生泄漏事故，易燃易爆的高壓介質(zhì)迅速擴(kuò)散，對沿線造成較大危害。如1999年美國華盛頓Beirut市一條成品油管道發(fā)生泄漏起火事故，造成2人死亡，大量油品泄漏，環(huán)境嚴(yán)重污染；2000年美國加州的CarIsbad市一條天然氣管道泄漏并爆炸，造成12人死亡；2004年，陜西榆林境內(nèi)某輸氣管道發(fā)生泄漏，緊急疏散方圓10km內(nèi)人員，造成惡劣影響。

管道完整性管理是一種主動預(yù)防的管道管理方法，是先進(jìn)管道公司管理經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)提煉，以被國際上眾多管道公司所采用，如著名的Enbridge管道公司、加拿大彩虹管道公司等。目前，美國法規(guī)已經(jīng)強(qiáng)制要求各管道公司必須對管道實(shí)行完整性管理，而完整性管理的基礎(chǔ)是管道的風(fēng)險評價，其主要目的是識別危害和管段風(fēng)險排序，以完成對管道檢測、維護(hù)維修資源的科學(xué)決策。所以進(jìn)行風(fēng)險評價的研究，開發(fā)有效的風(fēng)險評價實(shí)施方法，對保證管道完整性管理的實(shí)施，保障油氣管道的安全運(yùn)行，具有重大的意義。

1 管道風(fēng)險評價現(xiàn)狀及定量風(fēng)險評價(QRA)簡介

管道風(fēng)險評價按照最后結(jié)果的量化程度，可以分為定性方法、定量方法兩種。定性方法以W. Kent Muhlbauer于1995年著的“管道風(fēng)險管理手冊”為代表，簡稱Kent打分法，至今已是第二版，仍在世界上各管道公司廣泛使用，定量方法近幾年才出現(xiàn)，以QRA(Quantitative Risk Analysis)為典型代表，國外管道公司一般也以定性方法為主，對復(fù)雜項(xiàng)目和重點(diǎn)管段才采用QRA。

國內(nèi)管道風(fēng)險評價基本上還處于起步階段，理論研究較多，油氣場站評價較多，簡單方法采用較多，如故障樹(FAT)的定性分析、作業(yè)條件危險性評價(LEC)等。為突破傳統(tǒng)的定性評價方法，也有一些研究結(jié)合了數(shù)學(xué)方法，如模糊數(shù)學(xué)，以實(shí)現(xiàn)定量的評價，但基本還處于理論研究階段，無工業(yè)應(yīng)用。

QRA是一種純定量的方法，是目前管道風(fēng)險評價的最新成果，其結(jié)果一般是具體的數(shù)值，且有量綱。QRA主要基于管道歷史失效數(shù)據(jù)庫進(jìn)行，通過將實(shí)際管道與失效數(shù)據(jù)庫中的抽象管道對比，并通過一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行公式推導(dǎo)，從而得到相應(yīng)結(jié)果，如絕對失效概率，管段年千米經(jīng)濟(jì)損失等。QRA主要流程如圖1所示。

圖1 QRA流程圖

2 ORA的主要技術(shù)

ORA的主要技術(shù)有管道失效概率分析，失效后果分析，以及最后風(fēng)險值的計(jì)算，這幾個過程與傳統(tǒng)的Kent打分法不同的是，不需要管道專家進(jìn)行主觀的定級判斷，基本是基于歷史數(shù)據(jù)庫和數(shù)值模型推導(dǎo)。下面將一一介紹。

2.1 管道失效概率分析

影響管道安全的因素大抵可分為以下幾類：

1)腐蝕，包括內(nèi)腐蝕、外腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)。

2)管體缺陷，包括制管缺陷和施工期間造成的缺陷。

3)第三方破壞。

4)誤操作。

5)設(shè)備缺陷。

6)自然與地質(zhì)災(zāi)害，包括滑坡、泥石流、崩塌、地表沉陷等。

7)疲勞。

有些管道應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞等問題并不存在或不嚴(yán)重，可不考慮。QRA中在計(jì)算管道失效概率時，將各類因素分別考慮，以下式來計(jì)算：

式中，

Fp——各原因引起管道失效的概率；

Fg——通用失效概率。統(tǒng)計(jì)大量事故案例得到的管道平均失效概率；

Ft——每種失效模式所占的比例，各失效模式有管道小泄漏、大泄漏和破裂；

Fa——修正系數(shù)。其中，F(xiàn)g和Ft是根據(jù)歷史失效數(shù)據(jù)庫得到的，F(xiàn)a是將管道的實(shí)際情況與歷史庫中管道實(shí)際情況對比得到的修正系數(shù)。

歐洲和北美很多國家的一些組織和協(xié)會早在30年前，就開始收集和統(tǒng)計(jì)工業(yè)事故失效案例，并建立大型的歷史失效數(shù)據(jù)庫，其中有名的管道失效數(shù)據(jù)庫有AGA，EGIG等，一些公司也建有自己的歷史失效數(shù)據(jù)庫。歐洲石油公司公布了1971-1993年該公司輸油管道失效概率，具體數(shù)據(jù)如下表所示。通用失效概軍表

由于積累了大量的管道失效案例，各個歷史失效數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計(jì)值相差不大，一般不會超過一個數(shù)量級。

各失效原因引起的管道失效模式所占比例Ft是不一樣的，例如：腐蝕引起的絕大部分失效為小泄漏；而地質(zhì)災(zāi)害則有一半為管道破裂。美國聯(lián)邦應(yīng)急管理中心(FEMA)1999年公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，地震引起的管道失效模式為：80%的管道破裂，20%的管道泄漏。

歷史失效數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)計(jì)得到的各失效概率是針對代表性的管道的，如統(tǒng)計(jì)標(biāo)明，應(yīng)力腐蝕開裂引起的管道失效概率為3×10-5，其針對的代表性管道的屬性如下：①管道年齡：20年；②管徑：914mm：③壓力：6.895MPa；④是否易于形成局部腐蝕環(huán)境：一般；⑤管體對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性：一般；⑥壁厚：9.14mm；⑦SMYS：448MPa。

如果被評價管道與上述屬性有較大差異，則通過Fa來修正。

2.2 管道失效后果的計(jì)算

管道泄漏后果大小影響因素眾多，有泄漏介質(zhì)屬性、泄漏量大小及泄漏點(diǎn)環(huán)境等，泄漏之后的事態(tài)發(fā)展可用事件樹來進(jìn)行分析，圖2所示的事件樹以天然氣管道為例。

圖2 天然氣管道泄漏事件樹

如圖2所示，天然氣管道泄漏后，有4種后果模式。各種后果模式所導(dǎo)致的后果大小是不一樣的，以VCE+VC模式為最。各后果模式所占比例也是變化的，主要與管道失效模式及管道周圍的土地用途有關(guān)，風(fēng)向及風(fēng)速也有一定影響。最后的比例也是可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的。

各后果模式最后的影響可以分為人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，危險液體管道還需要考慮環(huán)境破壞影響，每種后果模式造成的各類影響需要分別估算，并在最后都可以折算為經(jīng)濟(jì)損失大小(單位為元或美元)。

例如：計(jì)算人員傷亡影響，首先要考慮泄漏量。天然氣的泄漏量與泄漏速率、流速、截?cái)嚅y位置和緊急響應(yīng)時間有關(guān)。已有一些經(jīng)驗(yàn)公式可以采用。然后根據(jù)圖2中事件相對的4種后果模式分別作用于人體產(chǎn)生的影響，主要是火災(zāi)、爆炸、熱輻射、中毒和窒息等對人體的影響，結(jié)合各影響因素作用于人體導(dǎo)致死亡的下限值，計(jì)算得到最后的人員傷亡情況。

2.3 風(fēng)險的計(jì)算

由于管道各屬性沿管道一直是變化的，如壁厚、壓力、高程、土地用途等，所以需要將管道分為多個管段，各相鄰的兩個管段必有一個屬性不同。根據(jù)上面的計(jì)算，可以得到每個管段的失效概率和失效后果，最后用下式進(jìn)行綜合，可以得到管段的風(fēng)險值。

式中，

R——風(fēng)險；

F—失效概率：

C——失效后果；

J——各管段；

K——失效模式(k=1為小泄漏，k=2為大泄漏，k=3為破裂)：

L——失效原因(內(nèi)腐蝕、外腐蝕、第三方破壞等，L為總數(shù))；

M——后果類別(人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境影響等)。

風(fēng)險值的單位為元/km·a(元每千米每年)，表示管道每年每千米可能的經(jīng)濟(jì)損失大小。由于管道泄漏造成的人員傷亡所產(chǎn)生的影響最為惡劣。對于單點(diǎn)的風(fēng)險絕對風(fēng)險計(jì)算，QRA還專門提供表征人員傷亡影響大小的指標(biāo)——個人風(fēng)險值(Individual Risk)，表示人員在管道周圍某一點(diǎn)死亡的概率。在英國、荷蘭等國家還制定了個人風(fēng)險值的可接受標(biāo)準(zhǔn)，這樣就可以很方便地衡量管道的安全性，管道管理者也可以確定是否需要采取措施來降低風(fēng)險。

3 QRA實(shí)例

對某天然氣長輸管道中一段進(jìn)行QRA分析，此段管道長210km，運(yùn)行壓力6.4MPa，管徑711mm，前期收集管道屬性77個，涉及管道本體、運(yùn)行、環(huán)境和維護(hù)措施等多個方面。每個屬性整理為隨著管道里程而變化的格式，根據(jù)管道各個屬性將此段管道最后分成241個管段。計(jì)算得到各管段的風(fēng)險值后，以管道中間的兩個站場處為分隔點(diǎn)，將241個管段算術(shù)平均，合并為3個管段。以站場所在點(diǎn)為分隔是因?yàn)檎緢鎏幱惺瞻l(fā)球筒，方便下一步完整性評價工作(內(nèi)檢測、壓力試驗(yàn)等)的進(jìn)行。合并后，對管段排序，如圖3所示。

圖3 管段風(fēng)險排序圖

各管段風(fēng)險值的意義為每年每公里可能的經(jīng)濟(jì)損失大小，可與歷史狀況對比，也可與其他管道對比。管道檢測與評價工作應(yīng)先在高風(fēng)險段實(shí)施，所以建議將來安排檢測與完整性評價工作時，優(yōu)先順序應(yīng)分別是管段1、管段2，然后才是管段3。

個人風(fēng)險值是指個人的年死亡概率，常被用來衡量風(fēng)險的絕對大小。對管道人口最密集處計(jì)算個人風(fēng)險值，以衡量管道的安全性，如圖4所示。

從圖4可以看到，在管道正上方，風(fēng)險最大，具體值為9.8×10-8/a，參照國外風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)，最嚴(yán)格的為英國安全衛(wèi)生部規(guī)定的1×10-6/a，所以此天然氣管道的風(fēng)險應(yīng)是可以接受的。此外，QRA提供的社會風(fēng)險值(FN Curve)也可作為衡量風(fēng)險是否可以接受的第二指標(biāo)。

定量風(fēng)險的最大好處之一是可以進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測，結(jié)合情景分析(What-If分析)，實(shí)現(xiàn)合理的制定風(fēng)險控制計(jì)劃。對此天然氣管道風(fēng)險預(yù)測如圖5所示，從圖中可明顯看出風(fēng)險隨著時間變化的增長過程。

圖4 個人風(fēng)險圖

圖5 多情景風(fēng)險預(yù)測

從圖5可以看出，此管道在6年內(nèi)風(fēng)險增長迅速，此后較為平穩(wěn)。通過仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)檫@6年是管道上次檢測的受益期，所以建議此管道在6年后開始實(shí)施下一次檢測。

另外，情景分析考慮量化后的經(jīng)濟(jì)投入，可以為多方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，在保障管道安全的前提下，做到最大的投入產(chǎn)出。

4 結(jié)論

QRA是一種管道風(fēng)險評價的最新方法，通過筆者的分析和應(yīng)用，有以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

1)QRA計(jì)算推導(dǎo)過程充分借鑒了之前的管道失效歷史數(shù)據(jù)，和已有成熟的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，相比一些定性打分法，更顯科學(xué)合理。

2)分析過程主要是定量的數(shù)值計(jì)算，受評價人員的主觀判斷影響較小，結(jié)果統(tǒng)一性好。

3)QRA最后的結(jié)果以定量的形式給出，結(jié)果有明確的實(shí)際意義，便于制定風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)，判定風(fēng)險的可接受性。

4)QRA便于進(jìn)行情景分析和風(fēng)險預(yù)測，實(shí)現(xiàn)真正的風(fēng)險管理，推進(jìn)管道完整性管理的實(shí)施，保障管道的安全運(yùn)行。