城市燃氣管道風險評價分析
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摘要:概述了近二十年國內外管道風險評價的研究背景和現(xiàn)狀，對城市燃氣管道風險評價的基本步驟、重要事故風險指標的計算和風險評價準則進行了總結，以某城鎮(zhèn)燃氣管道為例，利用Phast軟件計算了重要事故的傷害面積指標，并對結果進行了分析，最后對國內風險評價方法提出不足和展望。
關鍵詞:城市燃氣管道，風險評價，風險評價準則
1概述
近年來，隨著我國城市化進程的加快，城市人口激增，加快了城市天然氣管道的鋪設，大部分城市已形成了密集的天然氣管道網(wǎng)。影響燃氣管道安全的因素有很多:首先是城市天然氣管網(wǎng)的復雜性和密集性;其次，城市建設中的一些不合理規(guī)劃和現(xiàn)有管道老齡化現(xiàn)象突出;此外，由于燃氣本身極易擴散，又屬于易燃易爆物質，且爆炸下限低，一旦發(fā)生泄漏，極有可能形成火災、爆炸事故。因此，城市燃氣管網(wǎng)的風險評價研究引起了廣大科研工作者的重視。工程上風險的定義是事故后果和事故概率的乘積，即事故后果的期望。該定義綜合了后果和概率的關系，能較好的反映實際風險的程度，是對城市管道進行風險評估的基礎。風險接受準則是用來衡量風險評價結果的重要依據(jù)?？紤]因素主要有個人風險、社會風險、經(jīng)濟風險和環(huán)境風險4個指標。其中個人風險衡量的是某一地點個體的傷亡概率，而社會風險衡量的是某一區(qū)域的總體情況。而經(jīng)濟風險指標的計算方法通常運用與F—N曲線類似的F—D曲線來表示，F(xiàn)—D曲線與經(jīng)濟損失的期望值可由經(jīng)濟損失的概率密度函數(shù)得出。最后，環(huán)境風險用于描述風險活動對自然環(huán)境或者周圍建筑、管道設施的影響。
2管道風險評價方法研究
2．1國外研究現(xiàn)狀
管道風險評價最早出現(xiàn)在美國，目前在歐美等發(fā)達國家已得到普遍應用。從20世紀70年代至今，經(jīng)過近50年的發(fā)展，目前管道風險評估中最常使用的風險評價方法有危險與可操作性研究、層次分析法、模糊綜合評價、肯特法、事故樹法、故障樹法、灰色關聯(lián)度法等。如2005年Jo等［1］基于肯特法，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)的人口密度信息計算事故的致死半徑和累計致死半徑，對肯特法進行了改進。2011年Y．Han等［2］將肯特法與事故樹法、故障樹法相結合計算風險后果。發(fā)現(xiàn)定量方法更適用于有毒氣體擴散，噴射火焰等事故的風險評估，具體方法選擇取決于天然氣管道的實際基礎數(shù)據(jù)和風險評估的精度要求。2014年Zhou等［3］基于QRA方法，分析了各重大事故風險的疊加效應。并根據(jù)HSE劃分個體風險區(qū)域，實現(xiàn)將風險降到最低的情況下最大化的利用土地。2019年Tsinidis等［4］分析了不同地震強度下對應的管道破壞模式，并利用脆弱性曲線對天然氣管道進行有地震效應的風險評估。結果表明脆弱性曲線的經(jīng)驗公式與實際地震響應有明顯差異，需要對不同地震破壞模式進行修正。2019年Zhang等［5］將管道故障概率(P)和財產(chǎn)損失(L)的曲線圖與ALARP原理相結合，將管道故障的后果統(tǒng)一量化為貨幣以制定經(jīng)濟損失風險可接受的標準。
2．2國內研究現(xiàn)狀
我國的管道風險評估方法起步于20世紀90年代初，是在外國風險評價方法的基礎上，基于我國國情進行改進的，主要運用了層次分析法、模糊評價法、肯特法、灰色理論法、貝葉斯概率法等。2008年黃小美等［6］以層次分析法為基礎，由專家評分法確定最底層概率，結合權重的模糊綜合評價法評得到了城市天然氣管道總風險的級別。2009年王敏等［7］考慮到城市燃氣事故的隨機性，運用灰色理論對其進行預測。以上海的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎，建立灰色預測模型，并對其可靠性與準確性進行檢驗。2014年楊燕鵬等［8］通過統(tǒng)計我國2005年—2012年間的壓力管道事故傷亡數(shù)據(jù)，運用線性回歸的方法進行分析，采用F—N曲線與ALARP準則相結合的方法確定我國壓力管道的社會風險可接受準則。2016年趙新偉等［9］按照ALARP原則，結合中國油氣管道歷史事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，提出了中國油氣管道風險可接受準則，給出了社會風險可接受判據(jù)的F—N曲線模型，以及個人個體風險可接受的臨界值。2019年王文和等［10］提出基于貝葉斯網(wǎng)絡的燃氣管網(wǎng)動態(tài)風險分析方法，構建了燃氣管網(wǎng)失效蝴蝶結模型并將其轉化為貝葉斯網(wǎng)絡模型。該模型能夠在事故發(fā)生狀態(tài)下更新事件失效概率，從而實現(xiàn)管網(wǎng)的網(wǎng)絡動態(tài)風險分析。
3風險評價方法
3．1基本步驟
根據(jù)國內外文獻和工程經(jīng)驗總結，管道風險評價方法是將事故后果和概率結合，直觀量化風險等級。管道風險評價的方法很多，各有優(yōu)缺點，但是其基本步驟可以總結如下:1)定義系統(tǒng)和范圍，辨識危險源，并用可以量化的指標描述;2)確定事故風險指標的計算公式，進行事故情景概率和事故情景后果的綜合計算;3)根據(jù)具體情況，如天氣、地理位置、周圍建筑，進行風險系數(shù)修正，綜合計算事故風險值;4)根據(jù)風險的大小和社會可接受程度劃分風險等級，采取適當?shù)拇胧p少風險，直至風險達到可接受范圍。
3．2重要事故風險指標計算
事故后果風險指標計算是風險評價基本步驟中的重點，這里以城鎮(zhèn)燃氣管道為案例進一步具體說明。城市燃氣管道的重要事故包括燃燒(射流火、閃火)，爆炸(受限空間爆炸和開敞空間爆炸)等。事故的概率一般通過歷史數(shù)據(jù)法或者專家權重評分的方式進行確定，這里不再贅述。而事故后果的風險指標一般通過實驗或者軟件計算獲得。這里以某城鎮(zhèn)埋地燃氣管道為例，利用Phast軟件模擬計算開敞空間，常溫常壓下的重要事故后果的傷害面積?，F(xiàn)有某城鎮(zhèn)埋地燃氣管道，已知該管道總長800m，壓力級制為中壓A，管徑200mm，埋地深度0．8m，周圍環(huán)境為開敞空間，常溫常壓，風速1．5m/s。該地區(qū)由于監(jiān)管良好，建立了該管段的歷史數(shù)據(jù)庫，結合地方燃氣行業(yè)專家的評估，可以初步得到管道事故后果的發(fā)生概率，以方便后續(xù)綜合風險計算。將上述基本條件導入Phast軟件7．2后可以得到重要事故后果的傷害面積，見表1。由表1的模擬結果可以看出，城鎮(zhèn)燃氣管道在案例的條件下:小孔徑(小于5mm)泄漏后點火，僅會發(fā)生閃火，基本不會發(fā)生射流火和開敞爆炸的情況;而對于開裂泄漏，泄漏核心區(qū)域點火會出現(xiàn)死亡和重傷情況，且能造成至少輕傷傷害的影響范圍較大。得到事故后果的傷害面積指標后，接下來還需要結合具體情況，如事故情景后果發(fā)生概率、人口密度、財產(chǎn)密度、天氣等情況進一步詳細計算事故損失，綜合求出定量的風險損失結果。
3．3后果評價準則
風險接受準則是用來衡量前面得出的風險評價結果的重要依據(jù)，表2對目前國內常用的風險評價準則進行了分類匯總。
4結語
通過對城市管道風險評價的探討和總結，最后提出不足和展望:1)目前，云計算和大數(shù)據(jù)技術正逐步融入能源行業(yè)，推動能源—互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)有風險評價管道數(shù)據(jù)一般使用單一的數(shù)據(jù)庫，不同數(shù)據(jù)庫間的導入和管理上有很大局限性。如果能將所有管道數(shù)據(jù)在一個統(tǒng)一的云端進行整合，結合人工智能技術比對和識別管道數(shù)據(jù)問題，可以大大提高管道風險評價數(shù)據(jù)的實時性和準確性。2)在實際情況中，管道風險事故風險指標的計算不僅取決于靜態(tài)管道參數(shù)，還受到當?shù)貙崟r溫度、風向風速、周圍環(huán)境等動態(tài)環(huán)境參數(shù)的影響。氣象條件是易忽略的，且對風險計算結果有較大影響的參數(shù)。因此管道風險評價體系必須綜合考慮動態(tài)因素的影響，以提高預測實際風險的準確性。3)我國的風險評價體系起步較晚，是在國外風險評價體系的基礎上提出的。實際上不同的國家和地區(qū)的風險標準是有差異的，例如針對地震頻發(fā)、周圍有危險建筑的高風險地區(qū)的燃氣管道等。因此建立適應我國國情的科學、規(guī)范、系統(tǒng)的風險評價方法是目前亟待解決的問題。
參考文獻:
［6］黃小美，李百戰(zhàn)，彭世尼，等．基于層次分析和模糊綜合評判的管道風險評價［J］．煤氣與熱力，2008(2):13-18．
［7］王敏，喬建江．城市燃氣事故灰色預測模型及其應用［J］．安全與環(huán)境學報，2009，9(5):164-167．
［8］楊燕鵬，羅云，曾珠，等．壓力管道社會風險可接受準則研究［J］．中國安全科學學報，2014，24(9):128-133．
［9］趙新偉，張華，羅金恒．油氣管道可接受風險準則研究［J］．油氣儲運，2016，35(1):1-6．
［10］王文和，董傳富，劉林精，等．基于貝葉斯網(wǎng)絡的城市地下燃氣管網(wǎng)動態(tài)風險分析［J］．中國安全生產(chǎn)科學技術，2019，15(5):55-62．
作者：張瓊雅 張勝杰 單位：南京市燃氣工程設計院有限公司
