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长输天然气管道高后果区识别与风险管控

日期:2022-02-17 23:52:25


本文对国内外高后果区识别和风险控制的标准推荐实践进行了梳理和总结,并对现状进行了研究。对比分析了国内外标准对区域等级和高后果区等级评价的差异,如工厂和办公楼的定义、高后果区边界的确定、管段区域的评价等,为管道运营商日常识别中的难点提供了参考。介绍了区域等级发展和最大允许操作压力的国外标准(MAOP)同时,介绍了高后果区管段可接受的风险水平研究现状,为高后果区管控提供量化依据。



文章:吴广春(安科工程技术研究院(北京)有限公司)、李德明(上海天然气管网有限公司)、濮春明(国家管网集团西气东输分公司)


49 CFR Part 195《高后果区危险液体管道完整性管理》CFR Part 192《高后果区天然气管道完整性管理》的批准和实施标志着全球长输油气管道从风险管理阶段转向完整性管理阶段,实现了长输油气管道管理模式的重大变化。


自20世纪90年代以来,我国开展了管道安全评价研究,逐步建立和完善了我国长输油气管道的完整性管理体系。2017年,国家安全监督管理局等八个部门发布了《关于加强油气输送管道密集场所高后果区安全管理的通知》,要求有关单位突出加强高后果区安全管理,有效防止油气输送管道重大生产安全事故。GB 32167-2015年《油气输送管道完整性管理规范》还强制管道运营单位定期进行高后果区的识别和更新,并对高后果区管道进行风险评估。然而,在具体的识别定义和风险控制过程中,由于对标准规范的认知不同,如如何定义工厂和办公楼、如何定义高后果区的边界、区域发展后的等级评价和最大允许的操作压力(MAOP)如何确定和修正高后果区管段可接受的风险水平,如何量化。


本文分析了上述问题的现状,提出了管道完整性管理发展的一些建议,为国内同行提供了一定的参考。


1 高后果区识别


1.1 区域等级划分


区域等级划分主要采用单位面积居民数量(又称居民密度指数)或人口密度两个指标,其中单位面积居民数量更为普遍。目前,国内外区域等级划分标准主要包括:国家标准 GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》ISO 13623:2017 Petroleum and natural gas industries- Pipeline transportation systems、GB/T 24259-2009《石油天然气工业 管道输送系统》( ISO13623:2000) ASME B31.8:2018 Gas Transmission and Distribution PipingSystems CSA-Z662-15 Oiland Gas pipeline systems。其中,ISO 13623:2017 和GB/T 24259-2009 以人口密度衡量区域等级,其余3个 标准由单位面积居民数量测量。表 1 是我国现行标准对区域等级划分相关规定的比较。根据单位面积居民数量和人口密度的差异,相应的管道设计系数也存在差异。



在区域等级划分上,GB/T 24259-2009 更清楚地定义了工业厂房、办公楼、酒店和酒店,属于三级地区。然而,考虑到居民数量统计的便利性, 主要用于中国GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》进行区域等级划分和管道设计。


GB 50251-2015 不同地区等级的管道设计采用不同设计系数的方法,主要参考 ASME B31.8:2018 标准,结合我国人口差异较大的特点,从实际出发,对居民密度指数进行了修正。ASME B31.8:2018 指数 15.6 户/km2,GB50251-2015 根据国情确定为 18.75 户/km2。


ASME B31.8:2018 与CSA-Z662-15 区域等级划分要求相似,但 ASME B31.8:2018 对管道设计系数要求更高、更保守。可见标准 GB 50251—2015 和GB/T 24259-2009 在充分考虑中国实际人口分布的情况下,标杆国际标准更加科学,尤其是一级地区。


1.2 高后果区等级识别


高后果区是管道事故发生后可能对公众和环境影响较大的区域,分为 I、II 和 III 级。I 级表示严重程度最小,III 级表示最大的严重程度。管道高后果区的识别与管道所在区域的等级划分密切相关。GB 32167-2015《油气输送管道完整性管理规范》规定了输气管道高后果区识别标准:管道通过表 2 识别项中的任何一个为高后果区。区域等级按 划分GB 50251-2015 执行相关规定。对于通过公路和铁路的燃气管道,虽然高后果区级别没有明确定义,但 GB 50251—2015 和 GB 50253—2014《输油管道设计规范》中都相应降低了强度设计系数,即间接提升了高后果区等级。




2 地区等级升级影响


2.1 地区等级变更限值


随着区域经济的发展、区域家庭数量或人口的增长,区域水平的升级是管道经营单位日常高后果区控制中经常遇到的情况。传统的做法是根据发展后的家庭数量或人口重新评估区域水平。ISO 13623:2017 在评估区域等级时,考虑到在役管道周边环境的发展,提出了区域发展后人口密度的限值。一、二、三、四级地区分别给出了发展后人口密度的限值范围:25 人/km2、(25~100)人/km2、(100~350) 人/km2 和>350 人/km2(但不符合五级地区要求),不超过给定区间,不进行区域等级升级。ASME B31.8:2018 给出了地区发展后户数变化的允许范围,即一级地区 11~二级地区265 户~65 户和三级地区>66 户(但不符合四级要求)。允许区域发展,设定合理的变更限值,是一种合理科学的做法。管道运营单位在日常管理过程中可供参考。


2.二 现役管道 MAOP 调整


区域等级升级后,将导致现役管道和升级后的区域 MAOP 不匹配。现役管道 MAOP 调整修正是困扰管道运营单位的突出问题。ASME B31.8:2018 推荐参考。


(1) 管段实际服务状况良好的,经适用性评估满足使用评估强度要求或在区域等级变化前进行过不小于 2 h 强度试压应在区域等级变化后18个月内进行MAOP 确认或降低,使其不超过表 3 中允许的值。

长输天然气管道高后果区识别与风险管控「天然气智库」




(2) 当操作条件需要保持现有的 MAOP,但与(1)不符时,应铺设符合相应要求的管道,并根据升级后的区域等级选择合适的设计系数。


3


3.1 管道完整性管理


之所以叫高后果区,是因为一旦泄漏,后果非常严重。因此,高后果区的风险控制尤为重要。高后果区的风险控制主要有两个方面:


(1) 在管道设计阶段,针对不同地区等级设置不同的强度设计系数,确保管道安全。


(2) 在管道运行期间加强管道完整性管理,防止事故发生。


ASME 统计分析了 1984-2001 管道事故数据库,表明应力水平和设计系数不是管道故障数据和安全银行的控制因素。EGIG、PHMSA、AER 和 Concawe 等国外管道故障数据库的最新统计数据显示,外部损坏、设备故障、腐蚀和误操作已成为管道故障的主要原因,加强管道完整性管理可有效降低管道事故发生率。


3.2 失效概率分析


要加强高后果区的完整性管理,有必要量化不同地区管道可接受的故障概率。基于历史统计数据库和目标可靠性理论分析,可以通过两种方法获得目标可接受的故障概率。


(1) 基于历史统计失效数据库。国际知名的油气管道失效数据库包括:欧洲输气管道事故组织

EGIG、管道和危险材料安全管理局PHMSA、英国陆上管道运营商协会 UKOPA CEPA 数据库。汇总各数据库最新发布的数据,失效概率数值如表 4 所示。




EGIG 和 UKOPA 统计了 5年移动平均失效概率,在最新报告中给出了 2012-2016年 5年移动平均失效概率,代表了其目前的完整性管理水平。PHMSA 和 CEPA 没有对此数据进行统计分析,分别表示 2005-2010 年整体平均失效概率和2015 年整体平均概率。此外,由于PHMSA 只统计符合某些标准的事故(如5万美元以上 的经济损失等。),表 4 中的值在其发布失效概率的基础上乘以 4 ,说明其未统计的事故数据。


根据上述故障数据库的历史统计,建议总平均故障概率目标可设为:1*10-4/(km·a)。


(2) 基于目标可靠性的理论分析。基于目标可靠性的理论分析标准主要包括国家标准 GB/T 29167—

2012年《石油天然气工业 管道输送系统 基于可靠性的极限状态方法》(相当于 ISO 16708:2006)CSA-Z662-15 Oil and Gas pipeline systems、挪威船级社(DNV)与德国劳氏船级社 (GL) 标准 DNVGL-RP-F101:2017 Corroded pipelines 等等。此外,中石油于2012年批准了天然气管道基于可靠性的设计和评价方法研究。在国外现有研究成果的基础上,结合国内天然气管道的设计、材料、施工和运行维护,给出了国内天然气管道的目标可靠性计算公式。有关规定如表 5 所示。




4 结语


系统总结梳理国内外标准推荐实践和研究现状,为高后果区的风险评估和风险控制提供定量依据。未来,高后果区的识别和控制应朝着智能识别、潜在影响半径的准确定义和控制效果的定量方向发展,以提高管道运营单位的完整性管理水平和智能化程度。



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