陳國(guó)華1,2 徐佳1,2 方順1,2 吳悅1,2 李明陽(yáng)3

1.華南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程研究所；2.廣東省安全生產(chǎn)科技協(xié)同創(chuàng)新中心；3.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院

摘要：隨著城鎮(zhèn)天然氣需求量增加，燃?xì)夤艿啦⑿袖佋O(shè)現(xiàn)象逐漸增多。為避免低概率、高風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生，開展并行燃?xì)夤艿朗�效概率研究，分析失效概率影響因素及參�?shù)敏感性。結(jié)果表明：并行管道失效概率在設(shè)計(jì)階段受管道間距影響最顯著，在運(yùn)行階段則受氣云半徑影響最為顯著；由于其對(duì)源管道內(nèi)壓敏感度更高，因此應(yīng)盡量控制運(yùn)行階段并行管道內(nèi)壓波動(dòng)，避免峰值過大。

關(guān)鍵詞：并行燃?xì)夤艿�；蒙特卡洛法；失效概率；參�?shù)敏感性

2012年，加拿大哥倫比亞省北部一條燃?xì)夤艿榔屏驯�炸，�?dǎo)致與其并行間距為3 m的一條燃?xì)夤艿腊l(fā)生破裂著火，此次事件形成了一個(gè)長(zhǎng)17 m，寬7.6 m，深1.1 m的火坑[1]。近年來，由于國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)庑枨罅吭黾�，燃�(xì)夤艿啦⑿袖佋O(shè)現(xiàn)象逐漸增多，一旦其中某條管道因泄漏引發(fā)的蒸氣云爆炸，極易對(duì)其臨近鋪設(shè)的燃?xì)夤艿涝斐蓻_擊進(jìn)而也發(fā)生失效，產(chǎn)生多米諾效應(yīng)并導(dǎo)致事故后果進(jìn)一步擴(kuò)大[2]。因此，基于已構(gòu)建的并行管道失效概率模型[3]，結(jié)合蒙特卡洛模擬法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)并行管道失效概率進(jìn)行影響因素分析及參數(shù)敏感性分析。

1  并行管道失效概率影響因素

在并行管道設(shè)計(jì)階段，影響其事故發(fā)生概率的主要因素為管道間距、目標(biāo)管道埋深、目標(biāo)管道管徑、目標(biāo)管道壁厚與土壤重度。管道運(yùn)行參數(shù)中影響其失效概率的因素主要包括初始失效管道（以下簡(jiǎn)稱源管道）泄漏氣云半徑、源管道內(nèi)壓及目標(biāo)管道內(nèi)壓。

2  并行管道失效概率計(jì)算

管材為X70鋼的兩條燃?xì)夤艿啦⑿袖佋O(shè)，管材屈服強(qiáng)度為480 MPa。以源管道發(fā)生大孔泄漏為初始失效場(chǎng)景，該場(chǎng)景下并行管道失效概率計(jì)算模型相關(guān)隨機(jī)變量分布規(guī)律如表 1所示。采用蒙特卡洛抽樣方法對(duì)各隨機(jī)變量進(jìn)行107次隨機(jī)抽樣，隨后將各組隨機(jī)抽樣值代入并行管道失效概率計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，得到該場(chǎng)景不同參數(shù)影響下的并行管道失效概率曲線，如圖 1、圖 2所示。

表 1 并行管道失效概率模型相關(guān)隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)分布[4-6]

圖 1 不同設(shè)計(jì)參數(shù)影響下的并行管道失效概率曲線

圖 2 不同運(yùn)行參數(shù)影響下的并行管道失效概率曲線

3  并行管道失效概率影響因素分析

由圖 1（a）和（b）可知，增大管道間距和目標(biāo)管道壁厚均可以使并行管道失效概率下降。增大管道間距使目標(biāo)管道受爆炸載荷影響減少，進(jìn)而使其損傷幾率下降。增大管道壁厚，有利于提高目標(biāo)管道抵抗外部荷載的能力。同時(shí)，壁厚增大也會(huì)減少其因管體受腐蝕、施工挖掘與其他環(huán)境因素而遭受損傷的可能，進(jìn)而有效降低并行管道失效概率。

由圖 1（c）和（d）可知，目標(biāo)管道埋深與管徑對(duì)并行管道失效概率有著相反的影響。對(duì)于管道并行鋪設(shè)場(chǎng)景，增加埋深可使其降低遭受施工挖掘、地面違規(guī)占?jí)旱鹊谌�方損壞的概率。由于燃?xì)庑孤┻^程中土壤對(duì)泄漏燃?xì)獾酿�滯作用以及吸收作用，增加埋深也有助于減少燃?xì)庑孤┝浚�降低目�?biāo)管道失效概率。由圖 1（e）可知，土壤重度對(duì)并行管道失效概率影響較小。

在管道運(yùn)行階段，泄漏氣云半徑及管道內(nèi)壓為并行管道失效概率主要影響因素。如圖 2（a）所示，氣云半徑與并行管道失效概率呈正相關(guān)關(guān)系。而氣云半徑大小主要取決于源管道泄漏時(shí)間，為探究該參數(shù)與并行管道失效概率之間的關(guān)系，基于文獻(xiàn)[2]的管道燃?xì)庑孤�擴(kuò)散模型，獲得源管道泄漏時(shí)間與并行管道失效概率關(guān)系曲線。如圖 2（b）所示，并行管道失效概率隨著源管道泄漏時(shí)間的增加而逐漸增大。在源管道泄漏時(shí)間較短時(shí)，泄漏氣云半徑相對(duì)較小，因此目標(biāo)管道失效概率及并行管道失效概率均較小。而在源管道發(fā)生泄漏約2200 s后，由于其產(chǎn)生的爆炸載荷超出管道可承受的臨界值，導(dǎo)致目標(biāo)管道必然發(fā)生失效，目標(biāo)管道失效概率值趨近于1，此時(shí)，并行管道失效概率主要取決于源管道失效概率。由圖 2（c）和（d）可知，增高目標(biāo)管道內(nèi)壓促使管道抵抗外部載荷的能力增強(qiáng)，從而有利于使并行管道失效概率下降，而增大源管道內(nèi)壓，使源管道失效泄漏時(shí)燃?xì)獾男狗潘俾噬仙�，增加了源管道燃�(xì)庑孤┝浚�目�?biāo)管道失效概率增大，進(jìn)而使并行管道失效概率上升。

4  并行管道失效概率參數(shù)敏感性分析

為了提高管道故障預(yù)防和事故控制的有效性，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。敏感性大小用敏感性指數(shù)αi表示，其計(jì)算公式如下[7]：

式中，Ci表示上述影響參數(shù)中某參數(shù)的取值，ΔCi為一定范圍內(nèi)該影響參數(shù)的變化量，F(xiàn)p表示并行管道失效概率，ΔFp為由ΔCi引起Fp的變化量。

令取值分別在5%至25%共5個(gè)階梯范圍內(nèi)波動(dòng)，得到如圖 3、圖 4所示敏感性分析結(jié)果。由圖 3可知，并行管道設(shè)計(jì)階段各參數(shù)敏感性大小排序依次為：管道水平間距、土壤埋深、管道壁厚、管道內(nèi)徑、土壤重度。在規(guī)定波動(dòng)范圍內(nèi)，管道間距和土壤埋深對(duì)并行管道失效概率影響顯著。

圖 3 并行管道設(shè)計(jì)階段參數(shù)敏感性分析結(jié)果

圖 4 并行管道運(yùn)行階段參數(shù)敏感性分析結(jié)果

由圖 4可以看出，在規(guī)定波動(dòng)范圍內(nèi)，并行管道運(yùn)行階段各參數(shù)敏感性大小排序依次為：氣云半徑、源管道內(nèi)壓、目標(biāo)管道內(nèi)壓。并行管道失效概率與源管道內(nèi)壓之間呈正相關(guān)關(guān)系，與目標(biāo)管道內(nèi)壓之間則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但由敏感性分析結(jié)果對(duì)比可知，并行管道失效概率對(duì)源管道內(nèi)壓敏感性更高。

5  結(jié)論

（1）并行管道設(shè)計(jì)階段，各參數(shù)對(duì)并行管道失效概率影響程度從大到小依次為管道水平間距、土壤埋深、管道壁厚、管道內(nèi)徑、土壤重度。

（2）并行管道運(yùn)行階段，影響程度大小排序?yàn)闅庠瓢霃�、源管道�?nèi)壓、目標(biāo)管道內(nèi)壓。

（3）并行管道失效概率與源管道內(nèi)壓呈正相關(guān)，與目標(biāo)管道內(nèi)壓則呈負(fù)相關(guān)，但對(duì)源管道內(nèi)壓敏感性更高，因此在管道運(yùn)行過程中應(yīng)盡量控制運(yùn)行階段并行管道的內(nèi)壓波動(dòng)，避免峰值過大。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ñanalysis based on pipeline crater models and historical accidents[J]. Journal of loss prevention in the process industries, 2016, 43：315-331.

[2]RAMIREZ C J G, PASTOR E, CASAL J, MUÑOZ G F. Analysis of domino effect in pipelines[J]. Journal of hazardous materials, 2015, 298：210-220.

[3]徐佳. 埋地并行交叉天然氣管道爆炸耦合風(fēng)險(xiǎn)分析及評(píng)估研究[D].廣州：華南理工大學(xué), 2020.

[4]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50251-2015 [S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社, 2015.

[5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范： GB 50268-2008[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[6]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 壓力管道規(guī)范動(dòng)力管道：GB/T 32270-2015[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2015.

[7]韓文海，周晶. 腐蝕海底管道可靠性分析[J].石油學(xué)報(bào)，2015，36(4)：516-520.

基金項(xiàng)目：2020年度珠海市科技計(jì)劃項(xiàng)目，ZH22036205200013PWC；2019年廣東省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)資金/廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目，2019B020208012。

作者簡(jiǎn)介：陳國(guó)華，1967年生，教授，1993年博士畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)學(xué)校化工過程機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)主要從事過程裝備安全可靠性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)方向的研究工作。聯(lián)系方式：13660261735，mmghchen@scut.edu.cn。