埋地燃气管道的风险评估技术

埋地燃气管道的风险评

估技术

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埋地燃气管道的风险评估技术摘要：阐述了我国进行燃气管道风险评估面临的挑战。用改进的故障树法建立埋地燃气管道阴极保护的风险评估模型，将风险评估模型的结果与现场实测、开挖结果相比较，二者基本一致。该风险评估模型为管道的安全运行及防腐系统的修复工作提供了科学依据。

关键词：埋地燃气管道；风险评估；故障树；阴极保护

燃气管道，无论是初期使用的铸铁管还是目前普遍采用的优质钢管，在使用一段时间后，都可能发生因腐蚀，超压或第三方破坏等造成的燃气泄漏或管道破裂事故。由于燃气具有易燃、易爆的特点，所以燃气事故威胁着人民群众的生命财产安全。尽管燃气公司在设计、施工和运行期间采取各种技术手段防止事故的发生，但由于管道所处环境复杂多变，常规的预防措施仍难以确保燃气管道长期安全地运行。风险评估技术正是在选种需求下被引入的一种新型管理技术。经过近30a的开发研究与应用实践，管道风险评估技术已在许多国家发挥了明显的经济效益和社会效益，并越来越受到世界各国燃气公司的重视。

由于燃气管道的建设成本高，其成本的回收率除受输送效率的影响外，还在很大程度上受管道事故损失的制约。因此严格地说，燃气管道

的风险评估实质上就是管道建设成本风险分析与经济问题的阶段评估[1]。20世纪70年代，发达国家在二战后兴建的大量燃气管道将进入老龄阶段，这些管道承担着国家的燃气输配任务，所以最大限度地减少燃气管道的事故发生率和尽可能延长这些燃气管道的使用寿命便成为各国关注的焦点，为了解决在一条管道上合理使用维护费用这一技术难题，美国的一些管道公司开始尝试用经济学中的风险分析技术来评估燃气管道的风险性[2]，并在后来的研究与应用实践中逐步建立起了燃气管道风险评估体系和各种行之有效的评估方法。目前风险评估的方法主要有：初步危险分析(PHA)、失效模型与影响分析(FMEA)、致命度分析(CA)、故障树分析(FTA)、事件树分析(ETA)、危险性与可能性研究(HOS)等。

1我国燃气管道风险评估面临的挑战

根据管道风险评估的定义，完整的风险评估需要解决3方面的问题。首先是引起管道事故的因素有哪些：其次是这些因素诱发管道事故的可能性有多大；第三是管道事故的后果是什么。这3方面问题所包含的内容既是管道风险评估所依赖的基本信息，也是影响评估结果精度的数据源，所以上述3个问题是管道风险评估的技术关键。然而，由于我国燃气管道系统在装备和管理水平上同国外燃气管道系统存在一定的差距，所以要把国外成熟的管道风险评估技术直接用于我国燃气管道的风险评估，在如下4个方面将面临新的技术挑战。

①真实可靠的原始数据

首先，我国很多燃气管道系统，无论是长输还是矿场集输管道，在设计时一般没有考虑采用SCADA系统。管道投运后，工作参数全由人工定时记录，导致这些记录的许多数据缺乏准确性。其次，许多不重视技术资料归档的单位很难找全管道的所有历史工作参数。即使评估所需的全部历史工作参数都能收齐，必须花费大量人力将其录入数据库才可使用。所有这些，不仅削弱了我国燃气管道原始数据的可靠性，还增加了采集评估原始数据的难度和工作量[3]。另外，我国管道燃气的组成有一定差异，尤其是一些天然气长输管道，设计时是按商品天然气考虑的，而实际运行中却常将未经处理的湿酸气混入长输管道。由于有湿酸气不定期地进入长输管道，输气管道内腐蚀的规律性极难掌握，这无疑给腐蚀指标的评估造成困难。

②风险影响因素的确定

管道系统风险值由管道发生事故的可能性与事故损失后果的乘积来确定。由于燃气管道的工作环境复杂多变，所以诱发管道事故的影响因素既是多方面的，又是多层次的。设想把一切可能导致燃气管道事故的影响因素都纳入风险评估的考虑中，固然可以提高评估结果的准确程度，但是这会增加管道风险评估的成本。因此，从大量影响因素中筛选出对评估结果最敏感的风险要素将是管道风险评估中的重要环节。由于

我国的大部分埋地管道都是人工挖沟敷设的，其覆土厚度不仅存在各处不一的问题，而且许多地段的埋深并未达到设计埋深的要求；另外，后来地面的变迁导致某些地段管道的实际覆土厚度与初建时差距很大，所以埋地管道的覆土厚度的归类必须慎重处理。由于我国许多管道所输介质的一致性较差，所以管输介质的腐蚀性也是一个变化的因素。此外，我国一些燃气管道在建成投运后，其管道的施工带便退耕还林，管道沿线的路权状况明显比北美地区差，由此导致许多通常不会改变的环境影响因素受到第三方生产活动的影响而改变。所有这些不利条件无疑会增加对风险要素分类的难度。

③随机因素的概率模型

定量风险评估是管道风险评估的高级阶段。它通过考虑如设备故障和安全系统失灵这样的单个事件，可以算出最终事故的发生概率，被认为是确定绝对事故频率的数学和统计学方法。使用这种评估方法首先需要将各类影响因素处理成随机过程或随机变量。由于我国的燃气管道都是按容许应力法设计的，过去基本上没有对燃气管道所受各种载荷的概率模型做过任何系统的研究，所以要实现对燃气管道的定量风险评估，就面临着用什么概率模型去描述燃气管道的各种随机载荷，以及这些载荷因素对管道的结构完整性影响遵从什么样的随机过程等难题。根据我国燃气管道的实际环境状况，要使用定量风险评估方法来评估各类长输

或集输燃气管道，就必须通过大量的实测研究工作来确定主要随机因素的概率模型。

④模糊因素的影响

管道风险评估是一个多因素综合评定的过程，国外的应用研究实践表明，在评估过程中对引起管道发生事故的因素考虑越全面，则评估结果的准确性就越高。由于燃气管道的工作环境条件千差万别，所以在诱发管道事故的因素中除了有前面提到的随机因素外，还包括管道的设计、施工、运行和维护期间存在的许多模糊因素的影响。这些因素不仅客观存在，而且在某种程度上先天性地降低了燃气管道的结构完整性并削弱了防护措施的有效性，但又往往被人们所忽视。比如燃气管道设计单位的设计经验就是一个典型的模糊因素。假设甲、乙两个设计院都具有设计某条燃气管道工程的资质，但甲院已有类似管道工程多次的设计经验，而乙院却无类似工程的设计经验，尽管它们都采用同一规范来设计，但其结果可能是甲院完成的设计方案会比乙院的更好。同样管道施工单位的经验和管道运行单位的经验都具有类似的模糊影响。然而，在目前国外通用的管道风险评估基本模型中，基本上没有考虑这些模糊影响因素，为了弥补管道风险评估技术在这方面的不足，我国有必要借用模糊分析技术的研究成果把影响燃气管道事故发生可能性的模糊因素纳入管道风险评估体系中。这样，不仅可以提高管道风险评估结果的准确性，也是对管道风险评估技术的进一步完善和发展。

2燃气管道阴极保护系统风险评估模型

故障树分析是一种主要的安全风险分析方法[4]，是由美国贝尔电话实验室的A.B.米伦斯在1962年首次提出的。我国于1976年开始引进这种方法，并在很多领域广泛应用，为提高产品的安全性和可靠性发挥了重要作用。故障树由若干节点和连接这些节点的线段组成，每个节点表示某一具体事件，而连线则表示事件之间的某种特定关系。

燃气管道的故障树分析可分为3个阶段：①故障树的编制阶段——定性分析阶段；②故障树的量化阶段，根据设备故障率和作业人员的差错发生率计算事故发生的概率；③当计算结果超过目标值时，要拟定事故防止对策。

由于受数据数量的限制，同时本项目主要是针对埋地燃气管道的阴极保护系统而设计，因此采取故障树分析作为本项目的风险评估模型。

标准的故障树评估模型需要实现通过充分研究各种事故发生的可能概率以及事故之间的关联关系，采用逻辑推理的方法找出事故发生的原因和可能的概率，这需要事先对大量的不同的数据进行分析、推理。但是，由于数据量的限制和项目时间的关系，我们对故障树模型加以改

进，引入了数据挖掘技术，形成一种我们称为决策故障树的分析模型(见图1)。

国际上普遍把-0.85V作为判断阴极保护系统是否正常工作的标准，因此在模型中把-0.85V作为开始判断的标准。如是存在大于0.85V的测量数据，则认为管道局部存在欠保护状态，调用

HAR(HistoricAccessRisk．历史评估)模块，对管道的历史数据和防腐层进行进一步的分析和评估；如果不存在大于-0.85V的数据，则再进一步判断管道管龄是否大于20a，调用当前风险评估模块

ACR(AccessCurrentRisk，风险评估)模块，对管道管龄进行风险加权，分析防腐层，从而得出相应的评估结论。