石油天然氣管道外部安全防護(hù)距離研究

溫濠瑋,李 軒,陳 強(qiáng)

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

石油天然氣管道外部安全防護(hù)距離研究

溫濠瑋,李 軒,陳 強(qiáng)

(華北科技學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

在石油天然氣管道普查資料統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外油氣管道事故資料及典型事故案例，對包括水下穿越段等石油天然氣管道的各種影響因素及影響程度進(jìn)行分析研究，確定不同事故場景的發(fā)生概率，建立石油天然氣管道及水下穿越段管道的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，研究提出適用于我國的石油天然氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法，定量計(jì)算不同事故場景中事故后果的嚴(yán)重程度。研究管道周邊的脆弱目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)可接受基準(zhǔn)值，結(jié)合定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法，提出石油天然氣管道外部安全防護(hù)距離設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。

燃?xì)庑孤?；管道事故；定量風(fēng)險(xiǎn)評估；安全防護(hù)距離

Abstract: Based on the statistical analysis of oil and gas pipeline survey data, combined with foreign oil and gas pipeline accident data and typical accident cases, this paper analyzes the influencing factors and their influencing degree of oil and gas pipelines including underwater crossing section, in order to determine the probability of occurrence of different accident scenes. The risk analysis methods of oil and gas pipelines, as well as the pipelines of underwater crossing section, are established, a quantitative risk assessment method for oil and gas pipelines applicable to China is put forward, which can quantitatively calculate the severity of the consequences of the accidents in different accident scenes. The reference value of acceptable risk of the fragile target around the pipeline is studied, and the setting standard of external safety protection distance for the oil and gas pipeline is put forward according to the quantitative risk assessment method.

Keywords:Gas leakage; Pipeline accident; Quantitative risk assessment; Safety protection distance

0 引言

本文中所稱的石油天然氣，根據(jù)《石油天然氣管道保護(hù)法》，該法中所稱石油包括原油和成品油，所稱天然氣包括天然氣、煤層氣和煤制氣。

石油天然氣管道可以按照輸送產(chǎn)品、功能等進(jìn)行分類。按照輸送功能油氣管道可以分為三類，集輸管道(gathering pipeline)、長輸管道(transmission pipeline)、分輸管道(distribution pipeline)。

石油天然氣管道不同于固定危險(xiǎn)源，其管道距離長，位于公共區(qū)域內(nèi)，所經(jīng)過的周邊環(huán)境復(fù)雜，因此石油天然氣管道的安全主要是公共安全問題。設(shè)置石油天然氣管道外部安全防護(hù)距離的目的主要包括以下三個(gè)：保護(hù)管道周邊人員生命安全；保護(hù)管道免受破壞；為事故應(yīng)急救援提供便利。

由于目前管道安全防護(hù)距離存在的突出問題主要是管道與周邊居民區(qū)等人員密集場所的安全距離不足問題，因此本文中確定的石油天然氣管道外部安全防護(hù)距離的防護(hù)目標(biāo)主要是管道周邊人員。對于管道與構(gòu)筑物或其他設(shè)施如電力設(shè)施、其他管道等的安全距離，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定相對完善，本文將不對此進(jìn)一步進(jìn)行研究。

根據(jù)以上分析，本文將“石油天然氣管道外部安全防護(hù)距離”定義為“為保護(hù)石油天然氣管道周邊人員安全和保障管道安全運(yùn)行，在管道與周邊建筑物之間設(shè)置的緩沖距離”。

1 石油天然氣管道的危險(xiǎn)性

石油天然氣管道的風(fēng)險(xiǎn)來自其輸送介質(zhì)——石油天然氣本身的危險(xiǎn)性。典型原油、汽油、煤油和天然氣等物質(zhì)的危險(xiǎn)特性可見表1。依據(jù)《原油和天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50183-2004)和《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50160-2008)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可知[1][2]，原油、汽油的閃點(diǎn)低于28℃，屬于甲B類，最容易揮發(fā)，在其周圍易形成爆炸混合氣體，遇明火即會引起爆炸或燃燒；煤油閃點(diǎn)高于28℃低于60℃，屬于乙類，較易引起火災(zāi)或爆炸；天然氣的爆炸下限小于10%，屬于甲類。[3]因此石油天然氣具有較高的易燃、易爆特性，容易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，某些高含硫的天然氣，由于含有硫化氫，還具有很強(qiáng)的毒性。

表1 典型石油天然氣物質(zhì)的危險(xiǎn)特性

2 國內(nèi)外管道外部安全防護(hù)距離相關(guān)法規(guī)

目前我國涉及石油天然氣管道外部安全防護(hù)距離的有關(guān)法規(guī)主要是《石油天然氣管道保護(hù)法》，另外還有一些地方規(guī)章對此有相關(guān)規(guī)定。2010年頒布的《石油天然氣管道保護(hù)法》第三十條規(guī)定：在管道線路中心線兩側(cè)各五米地域范圍內(nèi)，禁止有種植、挖掘施工、修建建筑等危害管道安全的行為；第三十一條規(guī)定“在管道線路中心線兩側(cè)和本法第五十八條第一項(xiàng)所列管道附屬設(shè)施周圍修建、構(gòu)筑物的，建筑物、構(gòu)筑物與管道線路和管道附屬設(shè)施的距離應(yīng)當(dāng)符合國家技術(shù)規(guī)范的強(qiáng)制性要求?！?014年頒布了修訂后的《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的第4.1.6條規(guī)定“埋地輸油管道同地面建(構(gòu))筑物的最小間距”。2003年頒布的《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)劃》[4]，2006年頒布的《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》，以及石油化工企業(yè)最常用的標(biāo)準(zhǔn)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等。

美國ASME B31.4和加拿大CSA Z662《油氣管道系統(tǒng)》都沒有對管道同建(構(gòu))筑物間的距離做出規(guī)定。ASME B31.8將天然氣、凝析油、液化石油氣管道的沿線地區(qū)按其特點(diǎn)進(jìn)行分類，不同地區(qū)采用不同的設(shè)計(jì)系數(shù)，提高管道的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，用控制管道的強(qiáng)度來確保管線系統(tǒng)的安全，從而對周圍建筑物構(gòu)筑物提供安全保護(hù)。美國在《液體管道聯(lián)邦最低安全標(biāo)準(zhǔn)》第195部分中210條中規(guī)定，管道和住宅、工業(yè)建筑及公共場所的最小間距為50 ft(15.24 m)。

3 石油天然氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法研究

3.1 定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法簡介

定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)(quantitative risk assessment簡稱QRA)也稱為概率風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)(PRA)，是一種對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評估的重要技術(shù)手段。該方法以實(shí)現(xiàn)工程、系統(tǒng)安全為目的，應(yīng)用安全系統(tǒng)工程原理和方法，通過對系統(tǒng)或設(shè)備失效概率和失效后果進(jìn)行分析，將風(fēng)險(xiǎn)表征為事故發(fā)生頻率和事故后果的乘積，從而對危險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量描述。[5]石油天然氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)可以作為政府相關(guān)部門進(jìn)行管道土地利用規(guī)劃重要的輔助決策工具。定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的一般程序如圖1所示。

圖1 定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的一般程序

3.2 管道事故頻率分析

管道歷史失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是管道定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)的基礎(chǔ)，為分析管道風(fēng)險(xiǎn)因素、確定各因素影響大小、確定管道基礎(chǔ)失效頻率等具有重大意義。管道事故失效率一般是通過統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的失效次數(shù)除以所統(tǒng)計(jì)的時(shí)間和所暴露管道長度來確定。一般石油天然氣管道的失效率應(yīng)當(dāng)按照不同失效原因分別計(jì)算。有關(guān)管道失效與時(shí)間緊密關(guān)聯(lián)，而有些則與時(shí)間發(fā)生沒有關(guān)系，表現(xiàn)為隨機(jī)性。

由于我國管道工業(yè)起步晚，且失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理不完善，本文中主要研究分析國外管道失效事故。國外很早開始收集存儲管道失效數(shù)據(jù)，并建成管道事件數(shù)據(jù)庫。管道事件數(shù)據(jù)庫(Pipeline Incident Database, 縮寫為 PID)是展示和保證管道安全運(yùn)營的一個(gè)有效管理工具。

根據(jù)調(diào)研，目前世界現(xiàn)有主要管道事故數(shù)據(jù)庫包括：

由歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)組織(European Gas Pipeline Incident Data Group，EGIG)所管理的天然氣管道事故數(shù)據(jù)庫；

根據(jù)歐洲清潔空氣水保護(hù)組織(CONCAWE)的油品管道管理組所管理的油品管道事故數(shù)據(jù)庫；

美國交通部(DOT)的管道和危險(xiǎn)物質(zhì)安全管理局(PHMSA)所管理的氣體集輸和長輸系統(tǒng)事故數(shù)據(jù)庫(GasGathering and Transmission System Incident Database)和危險(xiǎn)液體事故數(shù)據(jù)庫(Hazardous Liquid AccidentDatabase)；

由英國陸上管道運(yùn)營商協(xié)會(united kingdom Onshore Pipeline Operator’s Association,UKOPA)管理的管道失效數(shù)據(jù)庫(pipeline fault database)。

加拿大阿爾伯特能源與公用事業(yè)委員會(AER)所管理的管道事故數(shù)據(jù)庫。

3.3 點(diǎn)火概率

易燃物質(zhì)泄漏只有遇到火源會發(fā)生火災(zāi)或爆炸從而對周邊人員或財(cái)產(chǎn)造成危害。因此點(diǎn)火概率是定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的一個(gè)重要參數(shù)，對管道事故風(fēng)險(xiǎn)影響很大。點(diǎn)火一般分為直接點(diǎn)火和延遲點(diǎn)火。直接點(diǎn)火泄漏發(fā)生后30秒內(nèi)，延遲點(diǎn)火則30秒以上發(fā)生。

(1) EGIG統(tǒng)計(jì)的氣體管道點(diǎn)火概率，由表2可看出大管徑破裂的點(diǎn)火概率遠(yuǎn)高于一般孔洞泄露的點(diǎn)火概率。

表2 EGIG統(tǒng)計(jì)氣體管道泄漏后點(diǎn)火概率

(2)英國PD8010-3:2009標(biāo)準(zhǔn)中點(diǎn)火概率

英國HSE在重大危險(xiǎn)管道的土地利用規(guī)劃的定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中針對易燃?xì)怏w(不包括天然氣)的典型點(diǎn)火概率的數(shù)據(jù)如下：

* 立即點(diǎn)燃發(fā)生火球隨后形成噴射火的概率為0.2；

* 延遲點(diǎn)燃導(dǎo)致噴射火的概率為0.512；

* 延遲點(diǎn)燃導(dǎo)致發(fā)生閃火隨后形成噴射火的概率為0.128；

* 未點(diǎn)燃概率為0.16。

(3) UKOPA統(tǒng)計(jì)管道點(diǎn)火概率

UKOPA的管道失效數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)表明，1962年-2013年間共發(fā)生產(chǎn)品損失事故191起，其中共有9起事故發(fā)生點(diǎn)燃，占到4.7%。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)例概況

實(shí)例分析中假定管徑為200 mm、600 mm和900 mm的三條天然氣管道，管道長度都為1 km。以下分析將分別就采取相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)消減措施前和后進(jìn)行對比分析。三條天然氣管道的原有基本參數(shù)見表3。

表3 三條天然氣管道的原有基本參數(shù)

為提高管道的安全性，降低安全防護(hù)距離的要求，以下采取一些更改設(shè)計(jì)參數(shù)和降低風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)安全措施，作為與原來情況進(jìn)行對比分析，具體見下表4。

表4 三條天然氣管道采取的安全措施情況

三條天然氣管道的周邊人員分布情況，按照《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50251-2003)，假定管道中心線兩側(cè)200 m范圍的地區(qū)等級為三級地區(qū)，假定戶數(shù)為200戶，每戶3人，200 m范圍內(nèi)的人口密度約為750人/km2。

表5 三條天然氣管道周邊人口密度情況

三條天然氣管道所在地區(qū)的溫度為15℃，主要?dú)庀髼l件分為兩種，一種風(fēng)速為5 m/s，大氣穩(wěn)定度為D；另一種風(fēng)速為2 m/s，大氣穩(wěn)定度為F。假定兩種氣象條件的概率分別為50%。

4.2 點(diǎn)火概率分析

三條天然氣管道泄漏后的點(diǎn)火概率參考EGIG數(shù)據(jù)庫所統(tǒng)計(jì)1970～2013的數(shù)據(jù)，見表6。立即點(diǎn)火概率和延遲點(diǎn)火概率分別按50%考慮，因此三條天然氣管道的點(diǎn)火概率見表7。

表6 EGIG統(tǒng)計(jì)氣體管道泄漏后點(diǎn)火概率

表7 三條天然氣管道的點(diǎn)火概率

4.3 事故后果分析

采用DNV公司開發(fā)的PHAST RISK 6.54定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)軟件對三條天然氣管道進(jìn)行相關(guān)后果計(jì)算。下表為天然氣管道發(fā)生破裂后噴射火危害距離。管徑為900 mm的管道3破裂噴射火造成室外人員死亡出現(xiàn)的距離達(dá)到232 m，造成建筑物內(nèi)人員死亡出現(xiàn)的距離達(dá)到123 m。管道3破裂火球造成室外人員死亡出現(xiàn)的距離達(dá)到502 m，造成建筑物內(nèi)人員死亡出現(xiàn)的距離達(dá)到303 m，而200 mm的管道1由于泄漏量較少，未形成火球。

表8 三條天然氣管道噴射火事故危害后果

表9 三條天然氣管道火球事故危害后果

4.4 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果

采用DNV公司開發(fā)的PHAST RISK 6.54定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)軟件對三條天然氣管道的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果可見表11和圖4～圖9。由于管道失效頻率與固定危險(xiǎn)源相比相對較低，因此沒有出現(xiàn)10-4、10-5風(fēng)險(xiǎn)等值線。管道1由于管徑小、壓力相對較低，因此改管道均未出現(xiàn)本報(bào)告給出的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值。按照本報(bào)告給出風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，對于管道3如果為新建管道，采取安全措施前，則該管道到居民區(qū)的外部安全防護(hù)距離應(yīng)為140 m，到醫(yī)院等敏感區(qū)的外部安全防護(hù)距離應(yīng)為220 m。而采取安全措施后，該管道到居民區(qū)的外部安全防護(hù)距離滿足國家相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定即可，該管道到醫(yī)院等敏感區(qū)的外部安全防護(hù)距離應(yīng)為155 m。

圖2 管道3破裂后噴射火危害范圍圖

圖3 管道3破裂后火球危害范圍

風(fēng)險(xiǎn)半寬度(m)管道1采取安全措施前后的風(fēng)險(xiǎn)比對情況10-410-53×10-610-63×10-7采取風(fēng)險(xiǎn)消減措施前/////采取風(fēng)險(xiǎn)消減措施后/////風(fēng)險(xiǎn)半寬度(m)管道2采取安全措施前后的風(fēng)險(xiǎn)比對情況10-410-53×10-610-63×10-7采取風(fēng)險(xiǎn)消減措施前///63145采取風(fēng)險(xiǎn)消減措施后////88風(fēng)險(xiǎn)半寬度(m)管道3采取安全措施前后的風(fēng)險(xiǎn)比對情況10-410-53×10-610-63×10-7采取風(fēng)險(xiǎn)消減措施前///140220采取風(fēng)險(xiǎn)消減措施后////155

圖4 管道1個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)橫截面圖(采取安全措施前)

圖5 管道1個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)橫截面圖(采取安全措施后)

圖6 管道2個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)橫截面圖(采取安全措施前)

圖7 管道2個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)橫截面圖(采取安全措施后)

圖8 管道3個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)橫截面圖(采取安全措施前)

圖9 管道3個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)橫截面圖(采取安全措施后)

5 結(jié)語

由于管道失效頻率與固定危險(xiǎn)源相比相對較低，采取安全措施后可以有效地降低風(fēng)險(xiǎn)。管道1由于管徑小、壓力相對較低，因此改管道均未出現(xiàn)本報(bào)告給出的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值。按照本報(bào)告給出風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，對于管道3如果為新建管道，采取安全措施前，則該管道到居民區(qū)的外部安全防護(hù)距離應(yīng)為140 m，到醫(yī)院等敏感區(qū)的外部安全防護(hù)距離應(yīng)為220 m。而采取安全措施后，該管道到居民區(qū)的外部安全防護(hù)距離滿足國家相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定即可，該管道到醫(yī)院等敏感區(qū)的外部安全防護(hù)距離應(yīng)為155 m。

天然氣管道發(fā)生破裂后的主要事故后果是噴射火和火球，相比較而言發(fā)生火球的影響范圍和危害較大，而且管道管徑越大危害后果越大。通過更改管道的一些設(shè)計(jì)參數(shù)和降低風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)安全措施可以有效的降低風(fēng)險(xiǎn)。

[1] GB 50183-2004, 石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

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StudyonExternalSafetyProtectionDistanceofOilandGasPipeline

WEN Hao-wei, LI Xuan, CHEN Qiang

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

TE973

A

1672-7169(2017)03-0063-08

2017-05-09

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015127)

溫濠瑋(1992-) ，男，山東煙臺人，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：安全工程，危險(xiǎn)化學(xué)品安全。E-mail：85107046@qq.com