【摘要】管道风险评价普遍采用以Kent打分法为代表的定性方法，笔者提出了一种新方法，即定量风险评价(QRA)，采用基于管道失效历史数据库和巳有成熟的数值模型，进行管道失效概率分析和失效后果分析，并以此方法在某输气管道上进行了验证，最后得到管段的绝对风险和人口密集段的个人风险，并进行了风险预剥。研究表明，QRA受人员主观判断影响较小，计算方法科学合理，结果量化，对进行检测与维护维修资源的分配具有很好的指导意义。

【关键词】管道；定量风险评价法(QRA)；个人风险；失效历史数据库；完整性管理

0 引言

油气长输管道是国家经济的大动脉，直接服务沿线工业的生产和城市居民的普通生活。但管道又属于危险源，一旦发生泄漏事故，易燃易爆的高压介质迅速扩散，对沿线造成较大危害。如1999年美国华盛顿Beirut市一条成品油管道发生泄漏起火事故，造成2人死亡，大量油品泄漏，环境严重污染；2000年美国加州的CarIsbad市一条天然气管道泄漏并爆炸，造成12人死亡；2004年，陕西榆林境内某输气管道发生泄漏，紧急疏散方圆10km内人员，造成恶劣影响。

管道完整性管理是一种主动预防的管道管理方法，是先进管道公司管理经验的总结提炼，以被国际上众多管道公司所采用，如著名的Enbridge管道公司、加拿大彩虹管道公司等。目前，美国法规已经强制要求各管道公司必须对管道实行完整性管理，而完整性管理的基础是管道的风险评价，其主要目的是识别危害和管段风险排序，以完成对管道检测、维护维修资源的科学决策。所以进行风险评价的研究，开发有效的风险评价实施方法，对保证管道完整性管理的实施，保障油气管道的安全运行，具有重大的意义。

1 管道风险评价现状及定量风险评价(QRA)简介

管道风险评价按照最后结果的量化程度，可以分为定性方法、定量方法两种。定性方法以W. Kent Muhlbauer于1995年著的“管道风险管理手册”为代表，简称Kent打分法，至今已是第二版，仍在世界上各管道公司广泛使用，定量方法近几年才出现，以QRA(Quantitative Risk Analysis)为典型代表，国外管道公司一般也以定性方法为主，对复杂项目和重点管段才采用QRA。

国内管道风险评价基本上还处于起步阶段，理论研究较多，油气场站评价较多，简单方法采用较多，如故障树(FAT)的定性分析、作业条件危险性评价(LEC)等。为突破传统的定性评价方法，也有一些研究结合了数学方法，如模糊数学，以实现定量的评价，但基本还处于理论研究阶段，无工业应用。

QRA是一种纯定量的方法，是目前管道风险评价的最新成果，其结果一般是具体的数值，且有量纲。QRA主要基于管道历史失效数据库进行，通过将实际管道与失效数据库中的抽象管道对比，并通过一些经验模型进行公式推导，从而得到相应结果，如绝对失效概率，管段年千米经济损失等。QRA主要流程如图1所示。

图1 QRA流程图

2 ORA的主要技术

ORA的主要技术有管道失效概率分析，失效后果分析，以及最后风险值的计算，这几个过程与传统的Kent打分法不同的是，不需要管道专家进行主观的定级判断，基本是基于历史数据库和数值模型推导。下面将一一介绍。

2.1 管道失效概率分析

影响管道安全的因素大抵可分为以下几类：

1)腐蚀，包括内腐蚀、外腐蚀和应力腐蚀开裂(SCC)。

2)管体缺陷，包括制管缺陷和施工期间造成的缺陷。

3)第三方破坏。

4)误操作。

5)设备缺陷。

6)自然与地质灾害，包括滑坡、泥石流、崩塌、地表沉陷等。

7)疲劳。

有些管道应力腐蚀开裂和疲劳等问题并不存在或不严重，可不考虑。QRA中在计算管道失效概率时，将各类因素分别考虑，以下式来计算：

式中，

Fp——各原因引起管道失效的概率；

Fg——通用失效概率。统计大量事故案例得到的管道平均失效概率；

Ft——每种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——修正系数。其中，Fg和Ft是根据历史失效数据库得到的，Fa是将管道的实际情况与历史库中管道实际情况对比得到的修正系数。

欧洲和北美很多国家的一些组织和协会早在30年前，就开始收集和统计工业事故失效案例，并建立大型的历史失效数据库，其中有名的管道失效数据库有AGA，EGIG等，一些公司也建有自己的历史失效数据库。欧洲石油公司公布了1971-1993年该公司输油管道失效概率，具体数据如下表所示。通用失效概军表

由于积累了大量的管道失效案例，各个历史失效数据库的统计值相差不大，一般不会超过一个数量级。

各失效原因引起的管道失效模式所占比例Ft是不一样的，例如：腐蚀引起的绝大部分失效为小泄漏；而地质灾害则有一半为管道破裂。美国联邦应急管理中心(FEMA)1999年公布的统计数据表明，地震引起的管道失效模式为：80%的管道破裂，20%的管道泄漏。

历史失效数据库中统计得到的各失效概率是针对代表性的管道的，如统计标明，应力腐蚀开裂引起的管道失效概率为3×10-5，其针对的代表性管道的属性如下：①管道年龄：20年；②管径：914mm：③压力：6.895MPa；④是否易于形成局部腐蚀环境：一般；⑤管体对应力腐蚀开裂的敏感性：一般；⑥壁厚：9.14mm；⑦SMYS：448MPa。

如果被评价管道与上述属性有较大差异，则通过Fa来修正。

2.2 管道失效后果的计算

管道泄漏后果大小影响因素众多，有泄漏介质属性、泄漏量大小及泄漏点环境等，泄漏之后的事态发展可用事件树来进行分析，图2所示的事件树以天然气管道为例。

图2 天然气管道泄漏事件树

如图2所示，天然气管道泄漏后，有4种后果模式。各种后果模式所导致的后果大小是不一样的，以VCE+VC模式为最。各后果模式所占比例也是变化的，主要与管道失效模式及管道周围的土地用途有关，风向及风速也有一定影响。最后的比例也是可以根据历史数据统计得到的。

各后果模式最后的影响可以分为人员伤亡和经济损失，危险液体管道还需要考虑环境破坏影响，每种后果模式造成的各类影响需要分别估算，并在最后都可以折算为经济损失大小(单位为元或美元)。

例如：计算人员伤亡影响，首先要考虑泄漏量。天然气的泄漏量与泄漏速率、流速、截断阀位置和紧急响应时间有关。已有一些经验公式可以采用。然后根据图2中事件相对的4种后果模式分别作用于人体产生的影响，主要是火灾、爆炸、热辐射、中毒和窒息等对人体的影响，结合各影响因素作用于人体导致死亡的下限值，计算得到最后的人员伤亡情况。

2.3 风险的计算

由于管道各属性沿管道一直是变化的，如壁厚、压力、高程、土地用途等，所以需要将管道分为多个管段，各相邻的两个管段必有一个属性不同。根据上面的计算，可以得到每个管段的失效概率和失效后果，最后用下式进行综合，可以得到管段的风险值。

式中，

R——风险；

F—失效概率：

C——失效后果；

J——各管段；

K——失效模式(k=1为小泄漏，k=2为大泄漏，k=3为破裂)：

L——失效原因(内腐蚀、外腐蚀、第三方破坏等，L为总数)；

M——后果类别(人员伤亡、经济损失、环境影响等)。

风险值的单位为元/km·a(元每千米每年)，表示管道每年每千米可能的经济损失大小。由于管道泄漏造成的人员伤亡所产生的影响最为恶劣。对于单点的风险绝对风险计算，QRA还专门提供表征人员伤亡影响大小的指标——个人风险值(Individual Risk)，表示人员在管道周围某一点死亡的概率。在英国、荷兰等国家还制定了个人风险值的可接受标准，这样就可以很方便地衡量管道的安全性，管道管理者也可以确定是否需要采取措施来降低风险。

3 QRA实例

对某天然气长输管道中一段进行QRA分析，此段管道长210km，运行压力6.4MPa，管径711mm，前期收集管道属性77个，涉及管道本体、运行、环境和维护措施等多个方面。每个属性整理为随着管道里程而变化的格式，根据管道各个属性将此段管道最后分成241个管段。计算得到各管段的风险值后，以管道中间的两个站场处为分隔点，将241个管段算术平均，合并为3个管段。以站场所在点为分隔是因为站场处有收发球筒，方便下一步完整性评价工作(内检测、压力试验等)的进行。合并后，对管段排序，如图3所示。

图3 管段风险排序图

各管段风险值的意义为每年每公里可能的经济损失大小，可与历史状况对比，也可与其他管道对比。管道检测与评价工作应先在高风险段实施，所以建议将来安排检测与完整性评价工作时，优先顺序应分别是管段1、管段2，然后才是管段3。

个人风险值是指个人的年死亡概率，常被用来衡量风险的绝对大小。对管道人口最密集处计算个人风险值，以衡量管道的安全性，如图4所示。

从图4可以看到，在管道正上方，风险最大，具体值为9.8×10-8/a，参照国外风险可接受标准，最严格的为英国安全卫生部规定的1×10-6/a，所以此天然气管道的风险应是可以接受的。此外，QRA提供的社会风险值(FN Curve)也可作为衡量风险是否可以接受的第二指标。

定量风险的最大好处之一是可以进行风险预测，结合情景分析(What-If分析)，实现合理的制定风险控制计划。对此天然气管道风险预测如图5所示，从图中可明显看出风险随着时间变化的增长过程。

图4 个人风险图

图5 多情景风险预测

从图5可以看出，此管道在6年内风险增长迅速，此后较为平稳。通过仔细分析，发现这是因为这6年是管道上次检测的受益期，所以建议此管道在6年后开始实施下一次检测。

另外，情景分析考虑量化后的经济投入，可以为多方案进行经济性比较，在保障管道安全的前提下，做到最大的投入产出。

4 结论

QRA是一种管道风险评价的最新方法，通过笔者的分析和应用，有以下几点主要结论：

1)QRA计算推导过程充分借鉴了之前的管道失效历史数据，和已有成熟的经验模型，相比一些定性打分法，更显科学合理。

2)分析过程主要是定量的数值计算，受评价人员的主观判断影响较小，结果统一性好。

3)QRA最后的结果以定量的形式给出，结果有明确的实际意义，便于制定风险可接受标准，判定风险的可接受性。

4)QRA便于进行情景分析和风险预测，实现真正的风险管理，推进管道完整性管理的实施，保障管道的安全运行。