石油天然气管道外部安全防护距离研究

温濠玮,李 轩,陈 强

(华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

石油天然气管道外部安全防护距离研究

温濠玮,李 轩,陈 强

(华北科技学院，北京 东燕郊 101601)

在石油天然气管道普查资料统计分析的基础上，结合国外油气管道事故资料及典型事故案例，对包括水下穿越段等石油天然气管道的各种影响因素及影响程度进行分析研究，确定不同事故场景的发生概率，建立石油天然气管道及水下穿越段管道的风险分析方法，研究提出适用于我国的石油天然气管道定量风险评估方法，定量计算不同事故场景中事故后果的严重程度。研究管道周边的脆弱目标的风险可接受基准值，结合定量风险评估方法，提出石油天然气管道外部安全防护距离设定标准。

燃气泄漏；管道事故；定量风险评估；安全防护距离

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

本文中所称的石油天然气，根据《石油天然气管道保护法》，该法中所称石油包括原油和成品油，所称天然气包括天然气、煤层气和煤制气。

石油天然气管道可以按照输送产品、功能等进行分类。按照输送功能油气管道可以分为三类，集输管道(gathering pipeline)、长输管道(transmission pipeline)、分输管道(distribution pipeline)。

石油天然气管道不同于固定危险源，其管道距离长，位于公共区域内，所经过的周边环境复杂，因此石油天然气管道的安全主要是公共安全问题。设置石油天然气管道外部安全防护距离的目的主要包括以下三个：保护管道周边人员生命安全；保护管道免受破坏；为事故应急救援提供便利。

由于目前管道安全防护距离存在的突出问题主要是管道与周边居民区等人员密集场所的安全距离不足问题，因此本文中确定的石油天然气管道外部安全防护距离的防护目标主要是管道周边人员。对于管道与构筑物或其他设施如电力设施、其他管道等的安全距离，现有标准规范中规定相对完善，本文将不对此进一步进行研究。

根据以上分析，本文将“石油天然气管道外部安全防护距离”定义为“为保护石油天然气管道周边人员安全和保障管道安全运行，在管道与周边建筑物之间设置的缓冲距离”。

1 石油天然气管道的危险性

石油天然气管道的风险来自其输送介质——石油天然气本身的危险性。典型原油、汽油、煤油和天然气等物质的危险特性可见表1。依据《原油和天然气工程设计防火规范》(GB 50183-2004)和《石油化工企业设计防火规范》(GB 50160-2008)两个标准可知[1][2]，原油、汽油的闪点低于28℃，属于甲B类，最容易挥发，在其周围易形成爆炸混合气体，遇明火即会引起爆炸或燃烧；煤油闪点高于28℃低于60℃，属于乙类，较易引起火灾或爆炸；天然气的爆炸下限小于10%，属于甲类。[3]因此石油天然气具有较高的易燃、易爆特性，容易引发火灾爆炸事故，某些高含硫的天然气，由于含有硫化氢，还具有很强的毒性。

表1 典型石油天然气物质的危险特性

2 国内外管道外部安全防护距离相关法规

目前我国涉及石油天然气管道外部安全防护距离的有关法规主要是《石油天然气管道保护法》，另外还有一些地方规章对此有相关规定。2010年颁布的《石油天然气管道保护法》第三十条规定：在管道线路中心线两侧各五米地域范围内，禁止有种植、挖掘施工、修建建筑等危害管道安全的行为；第三十一条规定“在管道线路中心线两侧和本法第五十八条第一项所列管道附属设施周围修建、构筑物的，建筑物、构筑物与管道线路和管道附属设施的距离应当符合国家技术规范的强制性要求。”2014年颁布了修订后的《输油管道工程设计规范》的第4.1.6条规定“埋地输油管道同地面建(构)筑物的最小间距”。2003年颁布的《输气管道工程设计规划》[4]，2006年颁布的《城镇燃气设计规范》，以及石油化工企业最常用的标准《石油化工企业设计防火规范》等。

美国ASME B31.4和加拿大CSA Z662《油气管道系统》都没有对管道同建(构)筑物间的距离做出规定。ASME B31.8将天然气、凝析油、液化石油气管道的沿线地区按其特点进行分类，不同地区采用不同的设计系数，提高管道的设计强度，用控制管道的强度来确保管线系统的安全，从而对周围建筑物构筑物提供安全保护。美国在《液体管道联邦最低安全标准》第195部分中210条中规定，管道和住宅、工业建筑及公共场所的最小间距为50 ft(15.24 m)。

3 石油天然气管道定量风险评价方法研究

3.1 定量风险评价法简介

定量风险评价(quantitative risk assessment简称QRA)也称为概率风险评价(PRA)，是一种对风险进行量化评估的重要技术手段。该方法以实现工程、系统安全为目的，应用安全系统工程原理和方法，通过对系统或设备失效概率和失效后果进行分析，将风险表征为事故发生频率和事故后果的乘积，从而对危险源的风险进行定量描述。[5]石油天然气管道定量风险评价可以作为政府相关部门进行管道土地利用规划重要的辅助决策工具。定量风险评价的一般程序如图1所示。

图1 定量风险评价的一般程序

3.2 管道事故频率分析

管道历史失效统计数据是管道定量风险评价技术的基础，为分析管道风险因素、确定各因素影响大小、确定管道基础失效频率等具有重大意义。管道事故失效率一般是通过统计一段时间内的失效次数除以所统计的时间和所暴露管道长度来确定。一般石油天然气管道的失效率应当按照不同失效原因分别计算。有关管道失效与时间紧密关联，而有些则与时间发生没有关系，表现为随机性。

由于我国管道工业起步晚，且失效统计数据统计整理不完善，本文中主要研究分析国外管道失效事故。国外很早开始收集存储管道失效数据，并建成管道事件数据库。管道事件数据库(Pipeline Incident Database, 缩写为 PID)是展示和保证管道安全运营的一个有效管理工具。

根据调研，目前世界现有主要管道事故数据库包括：

由欧洲天然气管道事故数据组织(European Gas Pipeline Incident Data Group，EGIG)所管理的天然气管道事故数据库；

根据欧洲清洁空气水保护组织(CONCAWE)的油品管道管理组所管理的油品管道事故数据库；

美国交通部(DOT)的管道和危险物质安全管理局(PHMSA)所管理的气体集输和长输系统事故数据库(GasGathering and Transmission System Incident Database)和危险液体事故数据库(Hazardous Liquid AccidentDatabase)；

由英国陆上管道运营商协会(united kingdom Onshore Pipeline Operator’s Association,UKOPA)管理的管道失效数据库(pipeline fault database)。

加拿大阿尔伯特能源与公用事业委员会(AER)所管理的管道事故数据库。

3.3 点火概率

易燃物质泄漏只有遇到火源会发生火灾或爆炸从而对周边人员或财产造成危害。因此点火概率是定量风险评价中的一个重要参数，对管道事故风险影响很大。点火一般分为直接点火和延迟点火。直接点火泄漏发生后30秒内，延迟点火则30秒以上发生。

(1) EGIG统计的气体管道点火概率，由表2可看出大管径破裂的点火概率远高于一般孔洞泄露的点火概率。

表2 EGIG统计气体管道泄漏后点火概率

(2)英国PD8010-3:2009标准中点火概率

英国HSE在重大危险管道的土地利用规划的定量风险评价中针对易燃气体(不包括天然气)的典型点火概率的数据如下：

* 立即点燃发生火球随后形成喷射火的概率为0.2；

* 延迟点燃导致喷射火的概率为0.512；

* 延迟点燃导致发生闪火随后形成喷射火的概率为0.128；

* 未点燃概率为0.16。

(3) UKOPA统计管道点火概率

UKOPA的管道失效数据库统计表明，1962年-2013年间共发生产品损失事故191起，其中共有9起事故发生点燃，占到4.7%。

4 实例分析

4.1 实例概况

实例分析中假定管径为200 mm、600 mm和900 mm的三条天然气管道，管道长度都为1 km。以下分析将分别就采取相关风险消减措施前和后进行对比分析。三条天然气管道的原有基本参数见表3。

表3 三条天然气管道的原有基本参数

为提高管道的安全性，降低安全防护距离的要求，以下采取一些更改设计参数和降低风险的相关安全措施，作为与原来情况进行对比分析，具体见下表4。

表4 三条天然气管道采取的安全措施情况

三条天然气管道的周边人员分布情况，按照《输气管道工程设计规范》(GB50251-2003)，假定管道中心线两侧200 m范围的地区等级为三级地区，假定户数为200户，每户3人，200 m范围内的人口密度约为750人/km2。

表5 三条天然气管道周边人口密度情况

三条天然气管道所在地区的温度为15℃，主要气象条件分为两种，一种风速为5 m/s，大气稳定度为D；另一种风速为2 m/s，大气稳定度为F。假定两种气象条件的概率分别为50%。

4.2 点火概率分析

三条天然气管道泄漏后的点火概率参考EGIG数据库所统计1970～2013的数据，见表6。立即点火概率和延迟点火概率分别按50%考虑，因此三条天然气管道的点火概率见表7。

表6 EGIG统计气体管道泄漏后点火概率

表7 三条天然气管道的点火概率

4.3 事故后果分析

采用DNV公司开发的PHAST RISK 6.54定量风险评价软件对三条天然气管道进行相关后果计算。下表为天然气管道发生破裂后喷射火危害距离。管径为900 mm的管道3破裂喷射火造成室外人员死亡出现的距离达到232 m，造成建筑物内人员死亡出现的距离达到123 m。管道3破裂火球造成室外人员死亡出现的距离达到502 m，造成建筑物内人员死亡出现的距离达到303 m，而200 mm的管道1由于泄漏量较少，未形成火球。

表8 三条天然气管道喷射火事故危害后果

表9 三条天然气管道火球事故危害后果

4.4 风险计算结果

采用DNV公司开发的PHAST RISK 6.54定量风险评价软件对三条天然气管道的个人风险计算结果可见表11和图4～图9。由于管道失效频率与固定危险源相比相对较低，因此没有出现10-4、10-5风险等值线。管道1由于管径小、压力相对较低，因此改管道均未出现本报告给出的风险标准值。按照本报告给出风险标准，对于管道3如果为新建管道，采取安全措施前，则该管道到居民区的外部安全防护距离应为140 m，到医院等敏感区的外部安全防护距离应为220 m。而采取安全措施后，该管道到居民区的外部安全防护距离满足国家相关法规标准规定即可，该管道到医院等敏感区的外部安全防护距离应为155 m。

图2 管道3破裂后喷射火危害范围图

图3 管道3破裂后火球危害范围

风险半宽度(m)管道1采取安全措施前后的风险比对情况10-410-53×10-610-63×10-7采取风险消减措施前/////采取风险消减措施后/////风险半宽度(m)管道2采取安全措施前后的风险比对情况10-410-53×10-610-63×10-7采取风险消减措施前///63145采取风险消减措施后////88风险半宽度(m)管道3采取安全措施前后的风险比对情况10-410-53×10-610-63×10-7采取风险消减措施前///140220采取风险消减措施后////155

图4 管道1个人风险横截面图(采取安全措施前)

图5 管道1个人风险横截面图(采取安全措施后)

图6 管道2个人风险横截面图(采取安全措施前)

图7 管道2个人风险横截面图(采取安全措施后)

图8 管道3个人风险横截面图(采取安全措施前)

图9 管道3个人风险横截面图(采取安全措施后)

5 结语

由于管道失效频率与固定危险源相比相对较低，采取安全措施后可以有效地降低风险。管道1由于管径小、压力相对较低，因此改管道均未出现本报告给出的风险标准值。按照本报告给出风险标准，对于管道3如果为新建管道，采取安全措施前，则该管道到居民区的外部安全防护距离应为140 m，到医院等敏感区的外部安全防护距离应为220 m。而采取安全措施后，该管道到居民区的外部安全防护距离满足国家相关法规标准规定即可，该管道到医院等敏感区的外部安全防护距离应为155 m。

天然气管道发生破裂后的主要事故后果是喷射火和火球，相比较而言发生火球的影响范围和危害较大，而且管道管径越大危害后果越大。通过更改管道的一些设计参数和降低风险的相关安全措施可以有效的降低风险。

[1] GB 50183-2004, 石油天然气工程设计防火规范[S].

[2] GB 50160-2008, 石油化工企业设计防火规范[S].

[3] 张启波,贾颖,闫晓静. 石油天然气长输管道危险性分析[J]. 中国安全科学学报,2008(7):134-138.

[4] GB 50251-2003, 输气管道工程设计规范[S].

[5] 张华兵,冯庆善,郑洪龙,税碧垣. 油气长输管道定量风险评价[J]. 中国安全科学学报,2008(3):161-165+180.

[6] 严大凡,翁永基,董绍华.油气长输管道风险评价与完整性管理[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[7] 苗金明.管道风险评价技术[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[8] 赵秀雯,于力,柴建设.天然气管道安全[M]. 北京：化学工业出版社，2013.

[9] 宇德明，易燃、易爆、有毒危险品储运过程定量风险评价[M]. 北京：中国铁道出版社， 2000.

StudyonExternalSafetyProtectionDistanceofOilandGasPipeline

WEN Hao-wei, LI Xuan, CHEN Qiang

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

TE973

A

1672-7169(2017)03-0063-08

2017-05-09

中央高校基本科研业务费资助(3142015127)

温濠玮(1992-) ，男，山东烟台人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：安全工程，危险化学品安全。E-mail：85107046@qq.com