【摘要】管道風險評價普遍采用以Kent打分法為代表的定性方法，筆者提出了一種新方法，即定量風險評價(QRA)，采用基于管道失效歷史數據庫和巳有成熟的數值模型，進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行了驗證，最后得到管段的絕對風險和人口密集段的個人風險，并進行了風險預剝。研究表明，QRA受人員主觀判斷影響較小，計算方法科學合理，結果量化，對進行檢測與維護維修資源的分配具有很好的指導意義。

    【關鍵詞】管道；定量風險評價法(QRA)；個人風險；失效歷史數據庫；完整性管理

    0 引言

    油氣長輸管道是國家經濟的大動脈，直接服務沿線工業(yè)的生產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迅速擴散，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，陜西榆林境內某輸氣管道發(fā)生泄漏，緊急疏散方圓10km內人員，造成惡劣影響。

    管道完整性管理是一種主動預防的管道管理方法，是先進管道公司管理經驗的總結提煉，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)已經強制要求各管道公司必須對管道實行完整性管理，而完整性管理的基礎是管道的風險評價，其主要目的是識別危害和管段風險排序，以完成對管道檢測、維護維修資源的科學決策。所以進行風險評價的研究，開發(fā)有效的風險評價實施方法，對保證管道完整性管理的實施，保障油氣管道的安全運行，具有重大的意義。

    1 管道風險評價現狀及定量風險評價(QRA)簡介

    管道風險評價按照最后結果的量化程度，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，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，對復雜項目和重點管段才采用QRA。

    國內管道風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，也有一些研究結合了數學方法，如模糊數學，以實現定量的評價，但基本還處于理論研究階段，無工業(yè)應用。

    QRA是一種純定量的方法，是目前管道風險評價的最新成果，其結果一般是具體的數值，且有量綱。QRA主要基于管道歷史失效數據庫進行，通過將實際管道與失效數據庫中的抽象管道對比，并通過一些經驗模型進行公式推導，從而得到相應結果，如絕對失效概率，管段年千米經濟損失等。QRA主要流程如圖1所示。

 

圖1 QRA流程圖

    2 ORA的主要技術

    ORA的主要技術有管道失效概率分析，失效后果分析，以及最后風險值的計算，這幾個過程與傳統(tǒng)的Kent打分法不同的是，不需要管道專家進行主觀的定級判斷，基本是基于歷史數據庫和數值模型推導。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，包括內腐蝕、外腐蝕和應力腐蝕開裂(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)設備缺陷。

    6)自然與地質災害，包括滑坡、泥石流、崩塌、地表沉陷等。

    7)疲勞。

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

　　

    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。其中，Fg和Ft是根據歷史失效數據庫得到的，Fa是將管道的實際情況與歷史庫中管道實際情況對比得到的修正系數。

    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)計工業(yè)事故失效案例，并建立大型的歷史失效數據庫，其中有名的管道失效數據庫有AGA，EGIG等，一些公司也建有自己的歷史失效數據庫。歐洲石油公司公布了1971-1993年該公司輸油管道失效概率，具體數據如下表所示。通用失效概軍表

 

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

    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；而地質災害則有一半為管道破裂。美國聯(lián)邦應急管理中心(FEMA)1999年公布的統(tǒng)計數據表明，地震引起的管道失效模式為：80%的管道破裂，20%的管道泄漏。

    歷史失效數據庫中統(tǒng)計得到的各失效概率是針對代表性的管道的，如統(tǒng)計標明，應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 管道失效后果的計算

    管道泄漏后果大小影響因素眾多，有泄漏介質屬性、泄漏量大小及泄漏點環(huán)境等，泄漏之后的事態(tài)發(fā)展可用事件樹來進行分析，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，風向及風速也有一定影響。最后的比例也是可以根據歷史數據統(tǒng)計得到的。

    各后果模式最后的影響可以分為人員傷亡和經濟損失，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濟損失大小(單位為元或美元)。

    例如：計算人員傷亡影響，首先要考慮泄漏量。天然氣的泄漏量與泄漏速率、流速、截斷閥位置和緊急響應時間有關。已有一些經驗公式可以采用。然后根據圖2中事件相對的4種后果模式分別作用于人體產生的影響，主要是火災、爆炸、熱輻射、中毒和窒息等對人體的影響，結合各影響因素作用于人體導致死亡的下限值，計算得到最后的人員傷亡情況。

    2.3 風險的計算

    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。根據上面的計算，可以得到每個管段的失效概率和失效后果，最后用下式進行綜合，可以得到管段的風險值。

　　

    式中，

    R——風險；

    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(內腐蝕、外腐蝕、第三方破壞等，L為總數)；

    M——后果類別(人員傷亡、經濟損失、環(huán)境影響等)。

    風險值的單位為元/km·a(元每千米每年)，表示管道每年每千米可能的經濟損失大小。由于管道泄漏造成的人員傷亡所產生的影響最為惡劣。對于單點的風險絕對風險計算，QRA還專門提供表征人員傷亡影響大小的指標——個人風險值(Individual Risk)，表示人員在管道周圍某一點死亡的概率。在英國、荷蘭等國家還制定了個人風險值的可接受標準，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險。

    3 QRA實例

    對某天然氣長輸管道中一段進行QRA分析，此段管道長210km，運行壓力6.4MPa，管徑711mm，前期收集管道屬性77個，涉及管道本體、運行、環(huán)境和維護措施等多個方面。每個屬性整理為隨著管道里程而變化的格式，根據管道各個屬性將此段管道最后分成241個管段。計算得到各管段的風險值后，以管道中間的兩個站場處為分隔點，將241個管段算術平均，合并為3個管段。以站場所在點為分隔是因為站場處有收發(fā)球筒，方便下一步完整性評價工作(內檢測、壓力試驗等)的進行。合并后，對管段排序，如圖3所示。

 

圖3 管段風險排序圖

    各管段風險值的意義為每年每公里可能的經濟損失大小，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先在高風險段實施，所以建議將來安排檢測與完整性評價工作時，優(yōu)先順序應分別是管段1、管段2，然后才是管段3。

    個人風險值是指個人的年死亡概率，常被用來衡量風險的絕對大小。對管道人口最密集處計算個人風險值，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，風險最大，具體值為9.8×10-8/a，參照國外風險可接受標準，最嚴格的為英國安全衛(wèi)生部規(guī)定的1×10-6/a，所以此天然氣管道的風險應是可以接受的。此外，QRA提供的社會風險值(FN Curve)也可作為衡量風險是否可以接受的第二指標。

    定量風險的最大好處之一是可以進行風險預測，結合情景分析(What-If分析)，實現合理的制定風險控制計劃。對此天然氣管道風險預測如圖5所示，從圖中可明顯看出風險隨著時間變化的增長過程。

 

 圖4 個人風險圖

 

圖5 多情景風險預測

    從圖5可以看出，此管道在6年內風險增長迅速，此后較為平穩(wěn)。通過仔細分析，發(fā)現這是因為這6年是管道上次檢測的受益期，所以建議此管道在6年后開始實施下一次檢測。

    另外，情景分析考慮量化后的經濟投入，可以為多方案進行經濟性比較，在保障管道安全的前提下，做到最大的投入產出。

    4 結論

    QRA是一種管道風險評價的最新方法，通過筆者的分析和應用，有以下幾點主要結論：

    1)QRA計算推導過程充分借鑒了之前的管道失效歷史數據，和已有成熟的經驗模型，相比一些定性打分法，更顯科學合理。

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

    3)QRA最后的結果以定量的形式給出，結果有明確的實際意義，便于制定風險可接受標準，判定風險的可接受性。

    4)QRA便于進行情景分析和風險預測，實現真正的風險管理，推進管道完整性管理的實施，保障管道的安全運行。