張華兵 王新

中國石油管道科技研究中心；中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣管道輸送國家工程實(shí)驗(yàn)室

截至2015年，我國油氣管道運(yùn)營里程已達(dá)12萬公里，隨著管道里程不斷增加及城市化不斷推進(jìn)，越來越多的管道周邊形成了人口密集區(qū)。油氣介質(zhì)易燃易爆，一旦泄漏引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故，可能對(duì)周邊人員和財(cái)產(chǎn)的安全帶來嚴(yán)重威脅。合理確定管道安全距離，不僅可以減少事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，還可以為管線的合理設(shè)計(jì)及土地規(guī)劃提供依據(jù)。

近年來，國內(nèi)外很多政府及學(xué)者開展了管道安全距離的研究。目前，管道安全距離的確定方法主要有兩種：一種是基于法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的管道安全距離確定方法，一種是基于風(fēng)險(xiǎn)的管道安全距離確定方法。

國內(nèi)主要采用基于法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的管道安全距離確定方法，比如《石油天然氣管道保護(hù)法》第三十一條規(guī)定：在管道線路中心線兩側(cè)修建人口密集建筑物和易燃易爆生產(chǎn)經(jīng)營儲(chǔ)存場(chǎng)所，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[1]；《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50253—2014）規(guī)定輸油管道與城鎮(zhèn)居民點(diǎn)或重要公共建筑的距離不應(yīng)小于5m[2]；《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50251—2015）規(guī)定管道與建（構(gòu)）筑物的距離不應(yīng)小于5m[3]。

基于法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的管道安全距離多來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及事故總結(jié)，這種確定方法主要優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)際操作，但所有管道使用統(tǒng)一化的要求，無法體現(xiàn)管道及周邊環(huán)境的變化，科學(xué)性不強(qiáng)，不能針對(duì)性地保障管道沿線的安全。同時(shí)國內(nèi)涉及安全距離的標(biāo)準(zhǔn)多參考?xì)W美標(biāo)準(zhǔn)，與歐美相比，我國管道特性的外部環(huán)境有很大不同。

基于風(fēng)險(xiǎn)的管道安全距離的確定方法，可以體現(xiàn)管道本身特性和外部環(huán)境的差異性，比如不同的管道壁厚、埋深、運(yùn)行壓力及周邊環(huán)境等。因此針對(duì)性較強(qiáng)，比基于法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)確定管道安全距離的方法更加科學(xué)合理，但技術(shù)較為復(fù)雜。

1 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法

1.1 管道失效頻率分析

管道失效頻率的計(jì)算方法可歸納為基于歷史失效數(shù)據(jù)的修正法和基于管道結(jié)構(gòu)可靠性分析的方法兩種�；�于歷史失效數(shù)據(jù)的修正法，是指參考管道歷史失效頻率，并根據(jù)被評(píng)管段實(shí)際情況，依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)歷史失效頻率進(jìn)行修正，使其更加符合管道的實(shí)際情況[4]。

基于結(jié)構(gòu)可靠性分析的方法，是在分析管道作用荷載的基礎(chǔ)上，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)理論對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析。然后依據(jù)應(yīng)力—強(qiáng)度干涉理論，把影響管道強(qiáng)度和應(yīng)力的參數(shù)看作隨機(jī)變量，建立管道失效的極限狀態(tài)方程，求解管道的失效頻率[5]。

目前基于歷史失效數(shù)據(jù)的修正法應(yīng)用

較多，主要計(jì)算公式如下[4]：

F=Fav×A （1）

式中：F為管道失效頻率，F(xiàn)av為管道失效頻率統(tǒng)計(jì)值，A為修正因子。

1.2 管道失效后果分析

油氣管道泄漏后，對(duì)周邊的人員安全會(huì)造成巨大的威脅，其失效后果類型與泄漏速率、點(diǎn)燃時(shí)間、泄漏點(diǎn)環(huán)境等因素有關(guān)。管道泄漏后火災(zāi)的熱輻射作用和爆炸的破壞作用是管道周邊人員和建筑物的主要危害來源。

失效后果分析主要計(jì)算管道周邊不同距離處熱輻射或者超壓值，然后通過后果傷害準(zhǔn)則將熱輻射值或者超壓值轉(zhuǎn)換為不同距離處人員死亡概率。

人員死亡概率作為管道失效后果傷害載荷的函數(shù)，可以通過概率變量的線性化概率函數(shù)獲得[6]：

式中：Pd為死亡概率；s為積分變量；Pr為概率變量，描述具體傷害載荷(如沖擊波、熱輻射等)與受體傷害情況(比如死亡或受傷)的劑量——反應(yīng)關(guān)系，如下式[7]

式中：a和b是反映具體傷害荷載和受體對(duì)傷害荷載感受性的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，D是給定暴露時(shí)間下傷害荷載的劑量。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)是因各種潛在事故造成區(qū)域內(nèi)某一固定位置內(nèi)未采取任何保護(hù)措施的人員死亡的概率，通常用年死亡概率表示。對(duì)于區(qū)域內(nèi)的任一危險(xiǎn)源，其在區(qū)域內(nèi)某一地理坐標(biāo)為（x，y）處產(chǎn)生的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)都可由下式計(jì)算[8]：

式中：f為管道失效頻率；PM為氣象條件概率；Pi為點(diǎn)火概率；Pd為人員死亡概率。

2 管道安全距離的確定

2.1 劃分不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域

國家安監(jiān)總局在對(duì)發(fā)達(dá)國家土地安全規(guī)劃、安全距離確定方法進(jìn)行廣泛調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國國情，于2014年4月22日出臺(tái)了《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和社會(huì)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)》 [9]，見表1。此標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)的是�；�行業(yè)，但由于管道輸送的介質(zhì)是石油、天然氣，屬于�；�品，作者認(rèn)為可以參考使用。

根據(jù)表1，可以將新建及在役管道劃分為四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域Z1、Z2、Z3、Z4，如圖1所示。在圖1中Z1區(qū)域，新建管道的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值IR≤1×10-5，在役管道的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值IR≤3×10-5。區(qū)域內(nèi)人數(shù)應(yīng)＜30人，如果超過，管道應(yīng)改線或者將建筑物搬離。

2.2 確定不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的安全距離

根據(jù)管道運(yùn)行及周邊實(shí)際情況，開展管道定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，可以得出不同風(fēng)險(xiǎn)分布的對(duì)應(yīng)管道垂直距離值。一般來講，距離管道的垂直距離越大，則風(fēng)險(xiǎn)值越小，即距離管道越遠(yuǎn)，人身安全性越高。接下來可按照?qǐng)D1劃分風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，各風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域代表容許的敏感場(chǎng)所的類別和人員密度，各風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的邊界與管道垂直距離即最終確定的管道安全距離。

以具體某管道的一高后果區(qū)管段為例進(jìn)行計(jì)算，主要輸入的參數(shù)見表2。

確定的安全距離見表3。

從上表可以看出，確定的安全距離值相比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范給定的值大很多。這主要是由于管道風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)參考�；�行業(yè)確定，對(duì)管道行業(yè)來講，可能過于嚴(yán)格。此外，目前設(shè)定的管道中心線兩側(cè)各5m的距離，普遍認(rèn)為保證不了管道周邊的人員安全，其設(shè)定的初衷只是為了方便事故后的搶險(xiǎn)入場(chǎng)。國內(nèi)多處管道改線案例也證明了這一點(diǎn)：在管道穿過市鎮(zhèn)的區(qū)段，管道兩側(cè)雖保證了5m的距離，但由于周邊人口太過密集，管道企業(yè)與民眾都覺得風(fēng)險(xiǎn)過高。最后管道企業(yè)進(jìn)行了改線，將管道遷出了該區(qū)域。

3 問題討論

3.1 管道失效頻率計(jì)算的不確定性

目前，基于管道歷史失效數(shù)據(jù)修正的失效頻率計(jì)算存在兩個(gè)問題：一是管道失效頻率統(tǒng)計(jì)沒有統(tǒng)一平均值。管道失效頻率的計(jì)算通常需要大量的歷史失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國內(nèi)缺乏管道歷史失效數(shù)據(jù)庫，歐美等發(fā)達(dá)國家起步較早，而國內(nèi)在管道歷史失效數(shù)據(jù)的收集和分析方面尚處于起步階段，管道失效事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。目前，國內(nèi)在管道失效頻率計(jì)算中大多參考國外失效數(shù)據(jù)庫，且不同國家和組織的統(tǒng)計(jì)平均值不一致，評(píng)價(jià)人員采用時(shí)沒有統(tǒng)一值，導(dǎo)致最終計(jì)算得出的失效頻率值具有很大不確定性。二是對(duì)管道歷史失效頻率的修正過程中，主觀性較強(qiáng)。對(duì)管道歷史失效頻率的修正往往采用基于專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的主觀評(píng)價(jià)方法，如API 581中給出了一種基于指標(biāo)體系的修正方法[10]，但是采用該方法進(jìn)行管道失效率確定存在很大的主觀性，受評(píng)價(jià)人員影響較大，也導(dǎo)致了計(jì)算過程存在不確定性。

3.2 管道失效后果計(jì)算時(shí)的模型選擇

管道失效后果的計(jì)算大多利用相應(yīng)的數(shù)值仿真或者解析模型來進(jìn)行計(jì)算，由于數(shù)值仿真方法計(jì)算效率低下，目前解析模型應(yīng)用較多。如池火研究主要采用Thomas模型、Heskestad模型等，噴射火模型有單點(diǎn)源模型、多點(diǎn)源模型和固體火焰模型等[11]。

這些計(jì)算模型各有特點(diǎn)及其適用范圍，評(píng)價(jià)人員在模型選擇時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行深入了解，不同模型的計(jì)算結(jié)果會(huì)有一定的誤差，最終間接影響了確定的管道安全距離的精度。

3.3 管道可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的確定

目前管道行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)參照了危化行業(yè)的已有標(biāo)準(zhǔn)，危化行業(yè)的危險(xiǎn)性比管道行業(yè)高，因此國家安監(jiān)總局制定的風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)很嚴(yán)格。管道行業(yè)直接參照此標(biāo)準(zhǔn)后，從實(shí)際應(yīng)用過程中來看，此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管道行業(yè)過于嚴(yán)格，確定的安全距離比目前基于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定的安全距離大很多，雖然保證了管道沿線人員的安全性，但不利于管道沿線土地的合理利用。因此，應(yīng)根據(jù)管道行業(yè)的特點(diǎn)，基于管道行業(yè)的歷史事故率提出要保證的管道目標(biāo)安全水平，從而制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述分析討論，本文主要結(jié)論如下：

（1）目前，國內(nèi)管道安全距離的確定多基于法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，本文提出的方法具有更強(qiáng)的針對(duì)性和科學(xué)性，但計(jì)算過程較為復(fù)雜。

（2）基于風(fēng)險(xiǎn)確定的管道安全距離與基于法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)確定的管道安全距離之間差距較大。前者因采用�；�行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)，可能過于嚴(yán)格。后者在用于穿過人口密集區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)過于寬松。

（3）實(shí)施基于風(fēng)險(xiǎn)的管道安全距離，需要注意管道失效頻率計(jì)算、管道失效后果模型選擇和管道風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)問題。

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作者：張華兵，男， 1981年生，高級(jí)工程師， 2013年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）安全技術(shù)及工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣管道完整性管理的研究工作。

《管道保護(hù)》2016年第5期（總第30期）