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公司油氣管道輸送國家工程實(shí)驗室

截至2015年，我國油氣管道運營(yíng)里程已達12萬(wàn)公里，隨著(zhù)管道里程不斷增加及城市化不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的管道周邊形成了人口密集區。油氣介質(zhì)易燃易爆，一旦泄漏引發(fā)火災或爆炸事故，可能對周邊人員和財產(chǎn)的安全帶來(lái)嚴重威脅。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產(chǎn)損失，還可以為管線(xiàn)的合理設計及土地規劃提供依據。

近年來(lái)，國內外很多政府及學(xué)者開(kāi)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：一種是基于法規和標準的管道安全距離確定方法，一種是基于風(fēng)險的管道安全距離確定方法。

國內主要采用基于法規和標準的管道安全距離確定方法，比如《石油天然氣管道保護法》第三十一條規定：在管道線(xiàn)路中心線(xiàn)兩側修建人口密集建筑物和易燃易爆生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)儲存場(chǎng)所，與管道線(xiàn)路和管道附屬設施的距離應當符合國家技術(shù)規范的強制性要求[1]；《輸油管道工程設計規范》（GB50253—2014）規定輸油管道與城鎮居民點(diǎn)或重要公共建筑的距離不應小于5m[2]；《輸氣管道工程設計規范》（GB50251—2015）規定管道與建（構）筑物的距離不應小于5m[3]。

基于法規和標準的管道安全距離多來(lái)自實(shí)驗數據及事故總結，這種確定方法主要優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)際操作，但所有管道使用統一化的要求，無(wú)法體現管道及周邊環(huán)境的變化，科學(xué)性不強，不能針對性地保障管道沿線(xiàn)的安全。同時(shí)國內涉及安全距離的標準多參考歐美標準，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)險的管道安全距離的確定方法，可以體現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、運行壓力及周邊環(huán)境等。因此針對性較強，比基于法規和標準確定管道安全距離的方法更加科學(xué)合理，但技術(shù)較為復雜。

1 風(fēng)險計算方法

1.1 管道失效頻率分析

管道失效頻率的計算方法可歸納為基于歷史失效數據的修正法和基于管道結構可靠性分析的方法兩種�；�于歷史失效數據的修正法，是指參考管道歷史失效頻率，并根據被評管段實(shí)際情況，依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗對歷史失效頻率進(jìn)行修正，使其更加符合管道的實(shí)際情況[4]。

基于結構可靠性分析的方法，是在分析管道作用荷載的基礎上，利用結構力學(xué)相關(guān)理論對管道進(jìn)行應力分析。然后依據應力—強度干涉理論，把影響管道強度和應力的參數看作隨機變量，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據的修正法應用

較多，主要計算公式如下[4]：

F=Fav×A （1）

式中：F為管道失效頻率，Fav為管道失效頻率統計值，A為修正因子。

1.2 管道失效后果分析

油氣管道泄漏后，對周邊的人員安全會(huì )造成巨大的威脅，其失效后果類(lèi)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(lái)源。

失效后果分析主要計算管道周邊不同距離處熱輻射或者超壓值，然后通過(guò)后果傷害準則將熱輻射值或者超壓值轉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，可以通過(guò)概率變量的線(xiàn)性化概率函數獲得[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傷害荷載感受性的經(jīng)驗常數，D是給定暴露時(shí)間下傷害荷載的劑量。

1.3 風(fēng)險計算

個(gè)人風(fēng)險是因各種潛在事故造成區域內某一固定位置內未采取任何保護措施的人員死亡的概率，通常用年死亡概率表示。對于區域內的任一危險源，其在區域內某一地理坐標為（x，y）處產(chǎn)生的個(gè)人風(fēng)險都可由下式計算[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)險區域

國家安監總局在對發(fā)達國家土地安全規劃、安全距離確定方法進(jìn)行廣泛調研和分析的基礎上，結合我國國情，于2014年4月22日出臺了《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個(gè)人可接受風(fēng)險標準和社會(huì )可接受風(fēng)險標準》 [9]，見(jiàn)表1。此標準針對的是�；�行業(yè)，但由于管道輸送的介質(zhì)是石油、天然氣，屬于�；�品，作者認為可以參考使用。

根據表1，可以將新建及在役管道劃分為四個(gè)風(fēng)險區域Z1、Z2、Z3、Z4，如圖1所示。在圖1中Z1區域，新建管道的個(gè)人風(fēng)險值IR≤1×10-5，在役管道的個(gè)人風(fēng)險值IR≤3×10-5。區域內人數應＜30人，如果超過(guò)，管道應改線(xiàn)或者將建筑物搬離。

2.2 確定不同風(fēng)險區域的安全距離

根據管道運行及周邊實(shí)際情況，開(kāi)展管道定量風(fēng)險計算，可以得出不同風(fēng)險分布的對應管道垂直距離值。一般來(lái)講，距離管道的垂直距離越大，則風(fēng)險值越小，即距離管道越遠，人身安全性越高。接下來(lái)可按照圖1劃分風(fēng)險區域，各風(fēng)險區域代表容許的敏感場(chǎng)所的類(lèi)別和人員密度，各風(fēng)險區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管段為例進(jìn)行計算，主要輸入的參數見(jiàn)表2。

確定的安全距離見(jiàn)表3。

從上表可以看出，確定的安全距離值相比現有標準規范給定的值大很多。這主要是由于管道風(fēng)險可接受標準參考�；�行業(yè)確定，對管道行業(yè)來(lái)講，可能過(guò)于嚴格。此外，目前設定的管道中心線(xiàn)兩側各5m的距離，普遍認為保證不了管道周邊的人員安全，其設定的初衷只是為了方便事故后的搶險入場(chǎng)。國內多處管道改線(xiàn)案例也證明了這一點(diǎn)：在管道穿過(guò)市鎮的區段，管道兩側雖保證了5m的距離，但由于周邊人口太過(guò)密集，管道企業(yè)與民眾都覺(jué)得風(fēng)險過(guò)高。最后管道企業(yè)進(jìn)行了改線(xiàn)，將管道遷出了該區域。

3 問(wèn)題討論

3.1 管道失效頻率計算的不確定性

目前，基于管道歷史失效數據修正的失效頻率計算存在兩個(gè)問(wèn)題：一是管道失效頻率統計沒(méi)有統一平均值。管道失效頻率的計算通常需要大量的歷史失效統計數據，國內缺乏管道歷史失效數據庫，歐美等發(fā)達國家起步較早，而國內在管道歷史失效數據的收集和分析方面尚處于起步階段，管道失效事故統計數據量遠遠不足。目前，國內在管道失效頻率計算中大多參考國外失效數據庫，且不同國家和組織的統計平均值不一致，評價(jià)人員采用時(shí)沒(méi)有統一值，導致最終計算得出的失效頻率值具有很大不確定性。二是對管道歷史失效頻率的修正過(guò)程中，主觀(guān)性較強。對管道歷史失效頻率的修正往往采用基于專(zhuān)家知識經(jīng)驗的主觀(guān)評價(jià)方法，如API 581中給出了一種基于指標體系的修正方法[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(guān)性，受評價(jià)人員影響較大，也導致了計算過(guò)程存在不確定性。

3.2 管道失效后果計算時(shí)的模型選擇

管道失效后果的計算大多利用相應的數值仿真或者解析模型來(lái)進(jìn)行計算，由于數值仿真方法計算效率低下，目前解析模型應用較多。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]。

這些計算模型各有特點(diǎn)及其適用范圍，評價(jià)人員在模型選擇時(shí)，必須對其進(jìn)行深入了解，不同模型的計算結果會(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)險標準的確定

目前管道行業(yè)的風(fēng)險可接受標準參照了�；�行業(yè)的已有標準，�；�行業(yè)的危險性比管道行業(yè)高，因此國家安監總局制定的風(fēng)險可接受標準很?chē)栏�。管道行業(yè)直接參照此標準后，從實(shí)際應用過(guò)程中來(lái)看，此標準對管道行業(yè)過(guò)于嚴格，確定的安全距離比目前基于標準規范確定的安全距離大很多，雖然保證了管道沿線(xiàn)人員的安全性，但不利于管道沿線(xiàn)土地的合理利用。因此，應根據管道行業(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安全水平，從而制定相應的風(fēng)險可接受標準。

4 結論

經(jīng)過(guò)上述分析討論，本文主要結論如下：

（1）目前，國內管道安全距離的確定多基于法規及標準，本文提出的方法具有更強的針對性和科學(xué)性，但計算過(guò)程較為復雜。

（2）基于風(fēng)險確定的管道安全距離與基于法規及標準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)險可接受標準，可能過(guò)于嚴格。后者在用于穿過(guò)人口密集區時(shí)，發(fā)現過(guò)于寬松。

（3）實(shí)施基于風(fēng)險的管道安全距離，需要注意管道失效頻率計算、管道失效后果模型選擇和管道風(fēng)險可接受標準等技術(shù)問(wèn)題。

參考文獻：

[1] 《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》 .北京：法律出版社， 2010.

[2]中國石油天然氣集團公司GB 50251-2015輸氣管道工程設計規范[S]. 北京：中國計劃出版社， 2015.

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[11] 范維澄，王清安，姜馮輝，等. 火災學(xué)簡(jiǎn)明教程[M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 1995： 200-202.

作者：張華兵，男， 1981年生，高級工程師， 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(zhuān)業(yè)，現主要從事油氣管道完整性管理的研究工作。

《管道保護》2016年第5期（總第30期）