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管道研究

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基于风险的管道安全距离确定方法

来源:《管道保护》杂志 作者:张华兵 王新 时间:2018-7-6 阅读:

张华兵 王新

中国石油管道科技研究中心;中国石油天然气集团公司油气管道输送国家工程实验室

截至2015年,我国油气管道运营里程已达12万公里,随着管道里程不断增加及城市化不断推进,越来越多的管道周边形成了人口密集区。油气介质易燃易爆,一旦泄漏引发火灾或爆炸事故,可能对周边人员和财产的安全带来严重威胁。合理确定管道安全距离,不仅可以减少事故造成的人员伤亡和财产损失,还可以为管线的合理设计及土地规划提供依据。

近年来,国内外很多政府及学者开展了管道安全距离的研究。目前,管道安全距离的确定方法主要有两种:一种是基于法规和标准的管道安全距离确定方法,一种是基于风险的管道安全距离确定方法。

国内主要采用基于法规和标准的管道安全距离确定方法,比如《石油天然气管道保护法》第三十一条规定:在管道线路中心线两侧修建人口密集建筑物和易燃易爆生产经营储存场所,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[1];《输油管道工程设计规范》(GB50253—2014)规定输油管道与城镇居民点或重要公共建筑的距离不应小于5m[2];《输气管道工程设计规范》(GB50251—2015)规定管道与建(构)筑物的距离不应小于5m[3]。

基于法规和标准的管道安全距离多来自实验数据及事故总结,这种确定方法主要优点是便于实际操作,但所有管道使用统一化的要求,无法体现管道及周边环境的变化,科学性不强,不能针对性地保障管道沿线的安全。同时国内涉及安全距离的标准多参考欧美标准,与欧美相比,我国管道特性的外部环境有很大不同。

基于风险的管道安全距离的确定方法,可以体现管道本身特性和外部环境的差异性,比如不同的管道壁厚、埋深、运行压力及周边环境等。因此针对性较强,比基于法规和标准确定管道安全距离的方法更加科学合理,但技术较为复杂。

1 风险计算方法

1.1 管道失效频率分析

管道失效频率的计算方法可归纳为基于历史失效数据的修正法和基于管道结构可靠性分析的方法两种。基于历史失效数据的修正法,是指参考管道历史失效频率,并根据被评管段实际情况,依靠技术人员的经验对历史失效频率进行修正,使其更加符合管道的实际情况[4]。

基于结构可靠性分析的方法,是在分析管道作用荷载的基础上,利用结构力学相关理论对管道进行应力分析。然后依据应力—强度干涉理论,把影响管道强度和应力的参数看作随机变量,建立管道失效的极限状态方程,求解管道的失效频率[5]。

目前基于历史失效数据的修正法应用

较多,主要计算公式如下[4]:

F=Fav×A (1)

式中:F为管道失效频率,Fav为管道失效频率统计值,A为修正因子。

1.2 管道失效后果分析

油气管道泄漏后,对周边的人员安全会造成巨大的威胁,其失效后果类型与泄漏速率、点燃时间、泄漏点环境等因素有关。管道泄漏后火灾的热辐射作用和爆炸的破坏作用是管道周边人员和建筑物的主要危害来源。

失效后果分析主要计算管道周边不同距离处热辐射或者超压值,然后通过后果伤害准则将热辐射值或者超压值转换为不同距离处人员死亡概率。

人员死亡概率作为管道失效后果伤害载荷的函数,可以通过概率变量的线性化概率函数获得[6]:

式中:Pd为死亡概率;s为积分变量;Pr为概率变量,描述具体伤害载荷(如冲击波、热辐射等)与受体伤害情况(比如死亡或受伤)的剂量——反应关系,如下式[7]

式中:a和b是反映具体伤害荷载和受体对伤害荷载感受性的经验常数,D是给定暴露时间下伤害荷载的剂量。

1.3 风险计算

个人风险是因各种潜在事故造成区域内某一固定位置内未采取任何保护措施的人员死亡的概率,通常用年死亡概率表示。对于区域内的任一危险源,其在区域内某一地理坐标为(x,y)处产生的个人风险都可由下式计算[8]:

式中:f为管道失效频率;PM为气象条件概率;Pi为点火概率;Pd为人员死亡概率。

2 管道安全距离的确定

2.1 划分不同风险区域

国家安监总局在对发达国家土地安全规划、安全距离确定方法进行广泛调研和分析的基础上,结合我国国情,于2014年4月22日出台了《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准》 [9],见表1。此标准针对的是危化行业,但由于管道输送的介质是石油、天然气,属于危化品,作者认为可以参考使用。

根据表1,可以将新建及在役管道划分为四个风险区域Z1、Z2、Z3、Z4,如图1所示。在图1中Z1区域,新建管道的个人风险值IR≤1×10-5,在役管道的个人风险值IR≤3×10-5。区域内人数应<30人,如果超过,管道应改线或者将建筑物搬离。

2.2 确定不同风险区域的安全距离

根据管道运行及周边实际情况,开展管道定量风险计算,可以得出不同风险分布的对应管道垂直距离值。一般来讲,距离管道的垂直距离越大,则风险值越小,即距离管道越远,人身安全性越高。接下来可按照图1划分风险区域,各风险区域代表容许的敏感场所的类别和人员密度,各风险区域的边界与管道垂直距离即最终确定的管道安全距离。

以具体某管道的一高后果区管段为例进行计算,主要输入的参数见表2。

确定的安全距离见表3。

从上表可以看出,确定的安全距离值相比现有标准规范给定的值大很多。这主要是由于管道风险可接受标准参考危化行业确定,对管道行业来讲,可能过于严格。此外,目前设定的管道中心线两侧各5m的距离,普遍认为保证不了管道周边的人员安全,其设定的初衷只是为了方便事故后的抢险入场。国内多处管道改线案例也证明了这一点:在管道穿过市镇的区段,管道两侧虽保证了5m的距离,但由于周边人口太过密集,管道企业与民众都觉得风险过高。最后管道企业进行了改线,将管道迁出了该区域。

3 问题讨论

3.1 管道失效频率计算的不确定性

目前,基于管道历史失效数据修正的失效频率计算存在两个问题:一是管道失效频率统计没有统一平均值。管道失效频率的计算通常需要大量的历史失效统计数据,国内缺乏管道历史失效数据库,欧美等发达国家起步较早,而国内在管道历史失效数据的收集和分析方面尚处于起步阶段,管道失效事故统计数据量远远不足。目前,国内在管道失效频率计算中大多参考国外失效数据库,且不同国家和组织的统计平均值不一致,评价人员采用时没有统一值,导致最终计算得出的失效频率值具有很大不确定性。二是对管道历史失效频率的修正过程中,主观性较强。对管道历史失效频率的修正往往采用基于专家知识经验的主观评价方法,如API 581中给出了一种基于指标体系的修正方法[10],但是采用该方法进行管道失效率确定存在很大的主观性,受评价人员影响较大,也导致了计算过程存在不确定性。

3.2 管道失效后果计算时的模型选择

管道失效后果的计算大多利用相应的数值仿真或者解析模型来进行计算,由于数值仿真方法计算效率低下,目前解析模型应用较多。如池火研究主要采用Thomas模型、Heskestad模型等,喷射火模型有单点源模型、多点源模型和固体火焰模型等[11]。

这些计算模型各有特点及其适用范围,评价人员在模型选择时,必须对其进行深入了解,不同模型的计算结果会有一定的误差,最终间接影响了确定的管道安全距离的精度。

3.3 管道可接受风险标准的确定

目前管道行业的风险可接受标准参照了危化行业的已有标准,危化行业的危险性比管道行业高,因此国家安监总局制定的风险可接受标准很严格。管道行业直接参照此标准后,从实际应用过程中来看,此标准对管道行业过于严格,确定的安全距离比目前基于标准规范确定的安全距离大很多,虽然保证了管道沿线人员的安全性,但不利于管道沿线土地的合理利用。因此,应根据管道行业的特点,基于管道行业的历史事故率提出要保证的管道目标安全水平,从而制定相应的风险可接受标准。

4 结论

经过上述分析讨论,本文主要结论如下:

(1)目前,国内管道安全距离的确定多基于法规及标准,本文提出的方法具有更强的针对性和科学性,但计算过程较为复杂。

(2)基于风险确定的管道安全距离与基于法规及标准确定的管道安全距离之间差距较大。前者因采用危化行业风险可接受标准,可能过于严格。后者在用于穿过人口密集区时,发现过于宽松。

(3)实施基于风险的管道安全距离,需要注意管道失效频率计算、管道失效后果模型选择和管道风险可接受标准等技术问题。

参考文献:

[1] 《中华人民共和国石油天然气管道保护法》 .北京:法律出版社, 2010.

[2]中国石油天然气集团公司GB 50251-2015输气管道工程设计规范[S]. 北京:中国计划出版社, 2015.

[3] 中国石油天然气集团公司. GB 50253-2014输油管道工程设计规范[S]. 北京:中国计划出版社, 2014.

[4] 张华兵,冯庆善,郑洪龙,等. 油气长输管道定量风险评价[J].中国安全生产科学学报, 2008, 18 (3) .

[5] 黄小美,李百战,彭世尼,等. 燃气管道失效概率评估方法研究[J].石油学报, 2010, 31(4) :661-664.

[6] Lei Ma, Yongshu Li, Lei Liang, etl. A novel method ofquantitative risk assessment based on grid differenceof pipeline sections[J].Safety Science ,2013 (59): 219–226

[7] Jo, Y. D, Ahn, B. J.. Analysis of hazard areas associated with high pressure natural-gas pipelines[J], J. Loss Prevention. 2002, 15: 179-188.

[8] Lei Ma, Liang Cheng, Manchun Li. Quantitative risk analysis of urban natural gas pipeline networks using geographical information systems[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2013 (26):1183-1192

[9] 国家安监总局.《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准》 [S].北京:国家安监总局, 2014.

[10] American Petroleum Institute. Risk Based Inspection Technology [S]. 1rd ed. Washington, C: API Publication,2000.

[11] 范维澄,王清安,姜冯辉,等. 火灾学简明教程[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社, 1995: 200-202.

作者:张华兵,男, 1981年生,高级工程师, 2013年毕业于中国地质大学(北京)安全技术及工程专业,现主要从事油气管道完整性管理的研究工作。

《管道保护》2016年第5期(总第30期)

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