公共管廊管道的风险评价方法研究

2019-01-03 06:13丁志浩周沈楠王海峰

石油化工自动化 2018年6期

丁志浩，周沈楠，王海峰

(上海化学工业区公共管廊有限公司，上海201507)

公共管廊即公共管道的走廊通道，是大型化工园区的重要组成部分，且多数管道为架空敷设，本文叙述的管廊还包括管廊管道上的各种设备、设施及附件等，这些对管廊的安全状况都起着十分重要的作用[1-3]。管廊具有一定的复杂多样性，管廊中的某些管道发生泄漏和爆炸等安全事故，会威胁到周边的管道，甚至影响到整个化工园区的安全，造成无法估计的损失。因此，识别公共管廊风险，根据结果实施控制措施，将公共管廊的安全控制在合理并可接受的范围内，对于保证管廊的安全运行具有十分重要的意义[4-6]。

目前，管道风险评价方法多采用半定量评价方法，其中最常见的就是Kent指数评分法，而定量评价方法是未来研究趋势。对于管道的风险评价，国外基于历史失效数据库统计事故发生概率，可得到比较准确的结果，然后再利用数学模型进行分析，对事故后果做出判断，从而达到定量风险评价的目标。M. Jabbari等人使用概率和指数模型，对石化输送管道提出了一种复杂风险评价与管理方法，实现了定量风险评价[7]；Anjuman Shahriar等人结合故障树和事故树的蝴蝶分析模糊模型对油气管道进行风险评价[8]；Golam Kabir等人基于贝叶斯信度网络模型对金属水管进行风险评价，该方法考虑了结构完整性、水流体积、水质和后果因素[9]；Sigitas Rimkevicius等人对管网能源系统建立了一种科学可靠的风险评价方法，包括数学概率论、热工水力学和结构完整性三个方面的分析，该方法适用于集中供暖和油气供应网[10]；国内的风险评价和管理技术主要应用于长输管道，化工园区的公共管廊与长输管道在某些方面存在一定的区别，该情况造成长输管道风险评价技术不能完全适用于公共管廊管道中[11-14]。因此，分析和确定公共管廊的失效机理，建立模型计算失效概率，开展相关风险评价工作显得十分重要。

本文采用风险评价方法，结合公共管廊实际情况，从失效可能性和失效后果两方面出发，建立了公共管廊风险评价流程。最后，依托上海某化工园区的实际管廊管道数据进行实例分析。

1 风险评价流程

本文根据化工园区的公共管廊特点，确定了公共管廊管道的风险评价流程，如图1所示。具体步骤如下:

1) 明确评价对象，收集管廊管道的基本信息、检测数据及相关事故案例资料。

2) 根据频率估计和后果评估，选择合适的评价方法计算评价风险发生的概率。

3) 根据风险评价计算结果，采取一定的措施控制风险，减少事故发生的可能性，同时应根据风险评价的结果确定再评价的时间间隔。

图1 公共管廊通道的风险评价流程示意

2 风险评价模型

根据公共管廊实际情况，建立针对公共管廊的风险评价模型，包括危险识别与管段划分、失效可能性分析、失效后果分析及风险等级划分。

2.1 危险识别与管段划分

危险辨识是指识别出可能造成公共管廊事故的因素，确定公共管廊的失效模式，为后续工作做基础铺垫。公共管廊的危险因素较多，参考长输管道危险因素的分类方法，将危险因素按与管道相关、与管廊相关和其他相关三个方面进行划分，具体划分见表1所列。

表1 公共管廊管道危险因素

公共管廊系统的构成十分复杂，在分析评价前需要划分管段，评价结果取决于管段划分的粗细程度。划分程度越细，结果越准确，但评价费用也随之提高，具体划分方法由评价人员做决定。针对公共管廊，管段划分时常参考以下基础参数: 管道直径、壁厚、管材属性、输送介质种类、设计及运行压力、区域管理归属等。

2.2 失效可能性分析

失效可能性分析是风险评价中十分重要的一步，该分析是在大量历史数据基础上统计得到的平均失效概率Pf，并采用损伤因子和管理系统评价因子修正而得到的。目前，常参考CCPS，DNV，API等数据库。中国通过借鉴国外数据库，推荐了同类设备的平均失效概率Pf(t)，公共管廊平均失效概率计算如式(1)所示[15]:

Pf(t)=PgffDf(t)FMS

(1)

式中:Pgff——化工类管道平均失效概率；Df(t)——损伤因子；FMS——管理系统评价因子。

(2)

Art=yCr/d

(3)

式中:y——管道已使用年限；Cr——管道腐蚀速率；d——实际测得的管道最小壁厚。

表的检测结果

管理系统评价因子就是对当前管理系统的运行状况进行评价，通常对相关人员采取调查和填表的方式，每部分调查内容都有对应的评价分数，在完成所有对应的评价后，会得到管理系统的评估总分，最后将实际的评估总分转化成FMS，计算如式(4)所示:

(4)

式中:X——总得分。

2.3 失效后果分析

公共管廊失效后果以事故发生的破坏面积来表示，其中后果面积包括燃烧爆炸后果面积、毒性后果面积和无毒非可燃后果面积，失效后果分析流程如图2所示。

图2 失效后果分析流程示意

首先，应该确定泄放的流体种类和相关物性参数，根据标准泄漏孔直径来计算泄漏面积Sn。

根据介质是气相还是液相，选择对应的介质，计算泄漏孔理论泄漏速率v，确定介质泄放的总质量m总，利用探测系统等级、隔离系统等级、泄漏速率减少系数factdi和最大泄漏持续时间tmax，n来确定实际泄漏速率vn和实际泄漏质量mn。计算公式如式(5)～式(11) 所示:

(5)

(6)

m总，汽=ρ1V

(7)

(8)

vn=v(1-factdi)

(9)

mn=vntn

(10)

(11)

式中:v汽，v液——分别为气相和液相介质理论泄漏速率；R——摩尔气体常数；k——绝热指数；Cd——泄漏系数；ps——操作压力，MPa；patm——大气压力，MPa；ρ1——液相介质密度，kg/m3；gc——重力加速度，9.8m/s2；M——摩尔质量，g/mol；θs——操作温度，℃；min[a，b]——取a和b两个值中间的较小值。

最后，后果面积取燃烧爆炸后果面积、毒性后果面积和无毒非可燃后果面积三者中的最大值。