張海營(yíng), 趙向南, 廉 爽, 張景飛

(1. 河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院， 鄭州 450016；2. 鄭州大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院， 鄭州 450001)

近年來(lái)，作為重要傳輸系統(tǒng)，管道隨著國(guó)內(nèi)油氣資源開發(fā)的不斷深入，其鋪設(shè)里程逐年遞增[1]。管道在設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)，通常會(huì)避開人口密度大、施工作業(yè)頻繁的地區(qū)，但隨著城市建設(shè)，管道沿線的建筑物和人口密度均發(fā)生了較大變化，原管道設(shè)計(jì)方案已不能滿足安全需要，為了不影響城市的發(fā)展規(guī)劃，會(huì)依據(jù)GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)相應(yīng)管道進(jìn)行改線建設(shè)。

目前在管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，大多采用定性[2-12]或半定量[13-22]的評(píng)估方法對(duì)正常管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，而對(duì)改線管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)研究較少。管道改線區(qū)域集中了大量人口及重要設(shè)施，環(huán)境十分復(fù)雜，一旦管道失效泄漏，將危及公眾安全，對(duì)財(cái)產(chǎn)、環(huán)境造成較大破壞。因此，對(duì)管道改線工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究具有重要意義。

筆者通過(guò)分析辨識(shí)改線區(qū)域高后果區(qū)(HCAs)的嚴(yán)重程度，改線區(qū)域引起管道失效的風(fēng)險(xiǎn)因素，以及管道失效后可能造成的嚴(yán)重后果，并結(jié)合工程實(shí)例，提出了針對(duì)性的防控措施，為管道后期安全運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù)。

1 高后果區(qū)分析

依據(jù)GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》和《管道高后果區(qū)識(shí)別規(guī)程》，將管道HCAs劃分為3類[15]：人口密集區(qū)、基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)。

1.1 量化評(píng)估模型

HCAs的嚴(yán)重程度可從3個(gè)方面考評(píng)：①危害受體的屬性，即管道泄漏可能危及到的目標(biāo)物的自身屬性；②危害受體與管道的距離，通常情況下距管道越近，目標(biāo)物受到的影響越大；③一個(gè)HCAs內(nèi)可能同時(shí)存在多種危害受體，其嚴(yán)重程度應(yīng)綜合考慮。鑒于此，HCAs評(píng)估模型為

(1)

式中：H為HCAs評(píng)分；i為HCAs類型；A和C為HCAs的類型；j為各類HCAs的識(shí)別規(guī)則；n為識(shí)別規(guī)則的數(shù)量；Pij為i類型HCAs在j類識(shí)別規(guī)則下危害受體的屬性評(píng)分；Sij為i類型HCAs在j類識(shí)別規(guī)則下危害受體的距離評(píng)分。

通過(guò)式(1)對(duì)HCAs進(jìn)行量化評(píng)估，評(píng)分越高則危害程度越嚴(yán)重。依據(jù)評(píng)估結(jié)果，對(duì)HCAs進(jìn)行排序，并按分值高低劃分為3個(gè)級(jí)別：Ⅲ級(jí) (嚴(yán)重)、 Ⅱ級(jí)(較重)、Ⅰ級(jí) (一般)，為后續(xù)管道管理提供依據(jù)。

1.2 HCAs識(shí)別及分析

對(duì)某成品油管道一站區(qū)開展HCAs識(shí)別及分析，如圖1所示，管道總長(zhǎng)度4.1 km，共辨識(shí)出12處HCAs，其中6處HCAs內(nèi)人口密集和重要設(shè)施類型共存，1處HCAs內(nèi)重要設(shè)施和環(huán)境敏感類型并存，其余5處為單一類型。按類型統(tǒng)計(jì)，人口密集區(qū)占42%，重要設(shè)施區(qū)占42%，環(huán)境敏感區(qū)占16%。

按評(píng)分高低對(duì)HCAs進(jìn)行排序，并將其劃分為3個(gè)等級(jí)。12處HCAs中，Ⅲ級(jí)、分值大于400的共3處，其中2處以人口密集區(qū)為主，分布有重要設(shè)施，且距離管道較近，另1處以重要設(shè)施區(qū)為主，并分布有河流等環(huán)境敏感因素，距離管道較近。Ⅱ級(jí)、分值200～400的共10處，其中4處人口密集和重要設(shè)施共存，其余5處為單一HCAs。

HCAs的01～04號(hào)為改線區(qū)段，01號(hào)經(jīng)過(guò)一處村莊，在兩側(cè)200 m范圍內(nèi)，管道西側(cè)有6棟26層安置房，管道東側(cè)為交通主干道，距離管道較近，高后果區(qū)長(zhǎng)度500 m，該HCAs的綜合評(píng)分值為420分，地區(qū)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，人口密集區(qū)和重要設(shè)施兩個(gè)因素同時(shí)存在，管道泄漏起火、爆炸可能造成大面積人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，并可能導(dǎo)致公路破壞。02～04號(hào)在管道兩側(cè)200 m的范圍內(nèi)都有超過(guò)50戶居民的村莊，在管道50 m內(nèi)有公路、通信光纜管線、污水管道等，人口密集和重要設(shè)施并存，等級(jí)均為Ⅱ級(jí)。

圖1 HCAs識(shí)別結(jié)果Fig.1 HCAs recognition results

2 管道失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 管道失效可能性分析

基于《管道風(fēng)險(xiǎn)管理指南》構(gòu)建埋地輸油管道失效可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示[23]。其中一級(jí)指標(biāo)5個(gè)，二級(jí)指標(biāo)20個(gè)，然后進(jìn)一步量化底層指標(biāo)并制定相應(yīng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，底層指標(biāo)的分值論域?yàn)閇0,10]，分值越高則表示指標(biāo)安全性越好。

圖2 埋地輸油管道失效可能性評(píng)估指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system of failure probability for buried pipelines

2.1.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

首先通過(guò)模糊分析法(FAHP)主觀賦權(quán)[11]，確定各指標(biāo)主觀權(quán)重，然后基于熵權(quán)法確定客觀權(quán)重[10]，再通過(guò)基于博弈論的組合賦權(quán)方法，確定組合權(quán)重，以尋求最優(yōu)的權(quán)重方案，降低主觀隨意性，增加客觀依據(jù)，確保評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀。

基于博弈論的組合賦權(quán)方法的主要目的是為了使各基本權(quán)重方案與理想權(quán)重的偏差和最小化，最大程度保留各權(quán)重方案反映的信息[8]。

2.1.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

完成所有底層指標(biāo)的分值評(píng)價(jià)之后，根據(jù)綜合權(quán)重，即可得到管道的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值R

(2)

式中：uij為一級(jí)指標(biāo)ui中的第j個(gè)底層指標(biāo)的權(quán)重值；Fij為ui的第j個(gè)底層指標(biāo)的評(píng)分值；m為ui的底層指標(biāo)總數(shù)。

相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值R總體上反映了管道的安全狀況，借鑒文獻(xiàn)[24]中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分原則，將管道風(fēng)險(xiǎn)分為5個(gè)等級(jí)，管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)及意義見(jiàn)表1。

表1 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)Tab.1 Grade of pipeline risk assessment

2.2 管道失效后果分析

管道失效可能引起管道泄漏，埋地輸油管道一旦發(fā)生泄漏，假設(shè)管道泄漏口位于管道正上方，由文獻(xiàn)[19]可知油品泄漏后，受到毛細(xì)管力、黏性阻力及慣性阻力的作用且泄漏口處存在一定壓力，因此油品向上泄漏，隨泄漏量增加，油品滲透到地面后油品的上表面沒(méi)有了黏性阻力及慣性阻力的作用，此時(shí)油品在其流動(dòng)性及表面土壤的毛細(xì)管力作用下，迅速向四周擴(kuò)散，范圍不斷增大形成油池，在此過(guò)程中油品將會(huì)持續(xù)地蒸發(fā)到大氣中。而油蒸氣在地面上的擴(kuò)散會(huì)受到風(fēng)速以及風(fēng)向的影響，在擴(kuò)散過(guò)程中若有點(diǎn)火源存在，會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，且油品蒸發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的有毒氣體也會(huì)逐漸在空氣中擴(kuò)散，造成大氣污染。因此，一旦發(fā)現(xiàn)管道泄漏，應(yīng)迅速通過(guò)挖儲(chǔ)油池或一些隔離措施防止油品擴(kuò)散。

由于管道發(fā)生泄漏以自由泄流為主，因此在空間直角坐標(biāo)系下采用標(biāo)準(zhǔn)κ(湍流動(dòng)能)-ε(湍流耗散率)湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬[21]。通過(guò)CFD仿真軟件模擬油蒸汽在管道泄漏后的擴(kuò)散趨勢(shì)，分析泄漏事故后果影響范圍，制定合理防護(hù)及救援措施。

3 實(shí)例分析

3.1 改線管道基本情況

某成品油管道改線工程，改線段總長(zhǎng)度約3 km，管道設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，采用L360M直縫電阻焊鋼管，管道規(guī)格φ273.1 mm×6.4 mm，外防腐層采用環(huán)氧粉末，陰極保護(hù)采用外加強(qiáng)制電流。由于市政規(guī)劃某國(guó)道東移改建施工，道路改造后將會(huì)占?jí)翰糠殖善酚凸艿?，存在安全隱患，因此對(duì)管段進(jìn)行改線。

管道改線工程周邊為城市主干道，人員、車輛及施工建設(shè)頻繁，嚴(yán)重威脅管道安全運(yùn)行，一旦引起管道失效泄漏，后果將十分嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)該改線工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析管道失效可能性以及失效后果，并提出了防控措施，以有利于管道后期安全運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及道路施工工程的順利進(jìn)行和安全建設(shè)。

3.2 失效可能性分析

圖1中01～04號(hào)HCAs為這一改線工程的范圍。對(duì)管道改線范圍內(nèi)HCAs進(jìn)行管道劃分得到3個(gè)管段，對(duì)這3段管道的20項(xiàng)底層指標(biāo)進(jìn)行分值評(píng)價(jià)，再確定二級(jí)指標(biāo)的FAHP權(quán)重、熵權(quán)及基于博弈論的組合權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，從一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重分布來(lái)看，管道第3方破壞因素指標(biāo)占38.44%，腐蝕因素指標(biāo)占28.42%；從3個(gè)管段的腐蝕情況來(lái)看，管段2的腐蝕性高于管段1和管段3的腐蝕性，得分較低，3個(gè)管段的第3方破壞情況相差不大，但都存在地上活動(dòng)頻繁、違章占?jí)阂约把簿€頻率低等情況，管道的腐蝕因素和第3方破壞兩方面因素應(yīng)作為管道安全保護(hù)的工作重點(diǎn)。

結(jié)合式(2)和表2可得管段1的風(fēng)險(xiǎn)值為79.48，管段3的風(fēng)險(xiǎn)值為74.61，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為“較低”，僅需進(jìn)一步鞏固即可，管段2的風(fēng)險(xiǎn)值為63.73，處于“中等”的風(fēng)險(xiǎn)水平，應(yīng)在嚴(yán)格監(jiān)控下運(yùn)行。

表2 各指標(biāo)的評(píng)價(jià)分值及權(quán)重Tab.2 Evaluation value and weight of eachindexs

3.3 失效后果分析

利用CFD仿真軟件模擬了管道泄漏后油蒸氣的擴(kuò)散，初步設(shè)定地面油池寬度5 m，壓力按最危險(xiǎn)條件設(shè)定，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型進(jìn)行模擬，邊界條件為空氣速度入口，油蒸氣擴(kuò)散入口，自由出流。計(jì)算模型整體網(wǎng)格見(jiàn)圖3，x-y面表示油蒸氣在空氣中的擴(kuò)散范圍，x-z面表示油蒸氣在地面上的擴(kuò)散范圍。

問(wèn)題計(jì)算基于常年風(fēng)向(東南風(fēng)、西北風(fēng))及風(fēng)速特征進(jìn)行分析，選擇一般(1 m·s-1)和危險(xiǎn)條件(10 m·s-1)下，管道泄漏后油蒸氣擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。

從圖4油蒸氣擴(kuò)散云圖結(jié)果可以看出，風(fēng)向決定了油蒸氣擴(kuò)散方向，而風(fēng)速的大小影響了油氣垂直風(fēng)向的擴(kuò)散范圍以及擴(kuò)散的高度。在一般(1 m·s-1)風(fēng)速條件時(shí)，油蒸氣擴(kuò)散范圍較小，高含量區(qū)域相對(duì)擴(kuò)散區(qū)域來(lái)說(shuō)面積較大；隨著風(fēng)速的增大(10 m·s-1)，油蒸氣擴(kuò)散范圍變大而含量呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，高含量區(qū)域相對(duì)面積縮小。分析認(rèn)為：當(dāng)風(fēng)速越大，風(fēng)對(duì)油蒸汽的輸送作用越顯著；風(fēng)速越大，大氣越不穩(wěn)定，湍流擴(kuò)散作用增大，空氣稀釋油蒸氣的速度增大，所以油蒸氣擴(kuò)散范圍變大而濃度降低。

圖3 模型整體網(wǎng)格示意圖Fig.3 Global mesh diagram of the model

圖4 不同情況下油蒸氣的擴(kuò)散云圖Fig.4 Diffusion nephogram of oil vapor under different conditions: a) 1 m·s-1, northwest wind; b) 1 m·s-1, southeast wind; c) 10 m·s-1, northwest wind; d) 10 m·s-1, southeast wind

3.4 防控措施

(1) 依據(jù)管道改線現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別和分級(jí)結(jié)果， 01號(hào)為Ⅲ級(jí)HCAs區(qū)，人口密集和重要設(shè)施并存;在改線過(guò)程中:①與地方政府部門溝通，加大對(duì)管道保護(hù)法及管道安全知識(shí)的宣傳力度，并請(qǐng)城市管理部門協(xié)助HCAs 的日常管理；②加強(qiáng)HCAs 管道安全警示；③制定檢測(cè)評(píng)價(jià)計(jì)劃，列入重點(diǎn)整治管段并持續(xù)跟蹤；④對(duì)于地下隱蔽設(shè)施、其他光纜管線等，勘察掌握其詳細(xì)信息，施工時(shí)注意，以防造成對(duì)其他管線的損傷。02～04號(hào)3處Ⅱ級(jí)HCAs區(qū)，應(yīng)制定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)檢測(cè)計(jì)劃，加強(qiáng)日常巡護(hù)和安全宣傳。

(2) 加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防控，提升管道本質(zhì)安全。在改線過(guò)程中：①規(guī)劃階段對(duì)管道環(huán)境進(jìn)行全面調(diào)研，尤其應(yīng)充分考慮城市發(fā)展速度；②設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家、行業(yè)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，做好管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)；③施工階段，提升焊接質(zhì)量，對(duì)于焊縫內(nèi)部質(zhì)量，采用100%超聲波檢測(cè)和100%射線檢測(cè)，避免出現(xiàn)氣孔、未焊透、延遲性裂紋等焊縫缺陷問(wèn)題；④與特種設(shè)備監(jiān)管、檢驗(yàn)部門相結(jié)合，定期對(duì)管道進(jìn)行基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)，不斷完善提升管道運(yùn)行管理水平。

(3) 針對(duì)3個(gè)管段失效的主要影響因素：①對(duì)于違規(guī)占?jí)夯虬踩嚯x不足等情況，聯(lián)合城市管理部門予以清除；②增加巡線頻次，加大對(duì)第三方施工、蓄意破壞等外部干擾活動(dòng)的防治力度；③改線過(guò)程中，定期對(duì)管道本體進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行治理，確保風(fēng)險(xiǎn)可控；④針對(duì)城鎮(zhèn)熱力、燃?xì)?、電力等基礎(chǔ)設(shè)施，與其隸屬部門，加強(qiáng)溝通，建立信息互通機(jī)制，提前做好事故應(yīng)急預(yù)案。

(4) 管段2得分較低，失效可能性較大。①識(shí)別和評(píng)估重大危險(xiǎn)源，在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)急能力分析的基礎(chǔ)上，制定《應(yīng)急預(yù)案》；②若一旦發(fā)生泄漏，立即疏散人員、封閉現(xiàn)場(chǎng)，并設(shè)置警示標(biāo)識(shí)，關(guān)閉附近所有的火源，避免發(fā)生二次事故；③查明管道周圍情況，制定有針對(duì)性的搶修方案，避免發(fā)生連鎖效應(yīng)產(chǎn)生次生事故；④對(duì)于泄漏反沖到路面的情況，采用鼓風(fēng)機(jī)等強(qiáng)制通風(fēng)方式降低油蒸氣濃度，防止造成中毒及遇明火發(fā)生爆炸的情況出現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)管道改線工程HCAs的識(shí)別和量化評(píng)估，對(duì)HCAs進(jìn)行排序和等級(jí)劃分，明確了造成管道HCAs的原因及主要特征因素。

(2) 針對(duì)埋地輸油管道失效可能性評(píng)估指標(biāo)體系，采用FAHP確定各指標(biāo)主觀權(quán)重，熵權(quán)法確定客觀權(quán)重，引入基于博弈論的組合賦權(quán)方法，確定組合權(quán)重，得出管道改線工程第3方破壞因素指標(biāo)占38.44%，腐蝕因素指標(biāo)占28.42%，是管道失效的主要原因，在第3方破壞中地上活動(dòng)頻繁、違章占?jí)阂约把簿€頻率低占主要因素，管段2的風(fēng)險(xiǎn)值為63.73，處于“中等”的風(fēng)險(xiǎn)水平，應(yīng)在嚴(yán)格監(jiān)控下運(yùn)行，以防造成管段失效。

(3) 模擬分析管道失效泄漏時(shí)，分別模擬油蒸氣在1 m·s-1和10 m·s-1情況下的擴(kuò)散情況，風(fēng)向是導(dǎo)致油蒸氣擴(kuò)散方向的決定性因素，隨著風(fēng)速增大油蒸氣擴(kuò)散范圍變大而含量變少。