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      管道研究

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      輸氣管道與建構筑物間距設計新理念的探討

      來源:《管道保護》2021年第2期 作者:熊健 時間:2021-3-24 閱讀:

      熊健 周亞薇 張振永

      中國石油天然氣管道工程有限公司

       

      摘要:依據管道保護法及國家標準,輸氣管道與建構筑物的間距僅有不小于5 m的強制要求,此“間距”雖然滿足了管道的施工及運行管理需求,但未考慮管道周邊人員風險、管道失效后果因素?偨Y分析了國內外法規標準關于輸氣管道與周邊建構筑物的間距要求,探討了經驗取值法、基于失效后果的設計方法和基于風險評價的設計方法及各自優缺點,提出了在基于管道定量風險評價間距設計基礎上,增加驗算管道失效特定后果的間距設計新理念。

      關鍵詞:輸氣管道;間距;風險評價;特定后果

       

      隨著國民經濟持續發展,城鄉擴張與油氣管道建設運營之間的矛盾逐漸凸顯,管道與建構筑物之間的間距問題尤為突出。依據石油天然氣管道保護法和輸氣管道設計標準規范,輸氣管道與建構筑物間距應不小于5 m。5 m間距僅滿足管道施工和運行管理要求,并未考慮管道一旦發生失效對周邊安全的影響。與我國國情類似的歐洲地區已經采用基于風險評價與公眾安全設置管道與建構筑物間距的方法。筆者在基于管道定量風險評價基礎上,提出了增加驗算管道失效特定后果的間距設計理念,為管道建設和運行管理中處理與周邊建構物間距問題提供了一個新角度。

      1  間距標準對比與剖析

      1.1  主要國家間距要求

      通過對比國內外標準,發現不同國家在設計階段對管道與建構筑物的間距要求、間距設置原則、考慮因素等均存在差異,國際上并沒有統一標準。對比主要結果見表 1。




      1.2  間距設計方法剖析

      根據各國標準規定和主要考慮因素,結合各國管道路由選線原則,基本可以將其按照地域特點劃分為如下幾類。

      1.2.1  經驗取值法

      我國GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規范》對管道與地上建構筑物的間距規定為不小于5 m,與管道保護法的要求一致。管道保護法5 m數值的確定主要從“保護管道”的角度出發,即保護管道免受近距離施工作業影響和損傷、保證管道維搶修作業所需的單側通車能力、滿足管道開挖放坡和堆土作業的空間需求,并本著節約使用土地的原則。

      我國管道與建構筑物間距要求可認為是經驗取值法,該方法根據歷史經驗或專家判斷,列出不同工業活動或設施與其他場所或區域之間的安全距離,其大小取決于工業活動的類型或現存危險物質的性質和數量。

      該方法的原理簡單直觀,容易理解和便于操作,所以至今仍被廣泛應用。但是,該方法僅建立在專家經驗或歷史案例基礎上,并沒有考慮管道及設施的安全管理水平和管道本質安全等方面的差別。

      GB 50028―2016《城鎮燃氣設計規范》中明確規定各種管徑、壓力、壁厚及地區等級下管道與建構筑物的間距,基本等效采用了英國氣體工程師學會標準IGE/TD/1《高壓燃氣輸送鋼管》要求。但由于城鎮燃氣敷設區域及失效后果與長輸管道差異較大,其間距要求無法直接借鑒和采用。

      1.2.2  基于失效后果的設計方法

      俄羅斯設計標準中對不同管徑管道與地上不同建構筑物的間距均有明確要求,間距范圍從25 m~350 m不等,通過失效影響范圍(與管徑相關)來確定管道與建構筑物的間距,從而避免管道失效導致較為嚴重的后果。

      意大利的相關法規針對建構筑物和特定場所等人員密集場所提出了間距要求。意大利SNAM公司針對城鎮和人員密度高的建筑物的實際做法(100 m)為基于后果的間距控制方法,主要防控措施為套管保護。該方法的核心是基于各種“最壞假想事故情景”模型,并計算“最壞事故情景”的物理量達到一定閾值的距離;再根據這個距離進行分區:在這個區域內會造成死亡或某種傷害,區域之外則不會造成相應后果。

      該方法的優點是計算過程與計算結果都是系統確定的,可信度高,可以給出不同條件下最嚴重事故的傷害半徑,并用于土地利用規劃及決策,可操作性強。但由于沒有考慮事故發生的概率,不利于土地的合理使用和規劃。

      1.2.3  基于風險評價的設計方法

      基于風險評價的設計方法主要以英國、荷蘭等歐洲標準為代表。該方法以定量風險評價(QRA)為基礎,依據個人風險和社會風險能否滿足風險可接受準則來評估管道與建構筑物的間距;陲L險評價的方法科學、靈活、全面,能夠反映管道實際的風險狀況。

      該方法首先計算危險源的個人風險(IR)和社會風險(SR),然后依據風險可接受標準進行相關間距分區,通常以個人風險可接受標準為主,以社會風險可接受標準為輔;诙匡L險評價的方法同時考慮事故后果嚴重程度和事故發生概率,因此更加全面。

      2  基于定量風險評價的間距設計

      2.1  風險準則

      2.1.1  依據

      GB 36894―2018《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》在《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準(試行)》(原國家安全生產監督管理總局2014年 第13號公告)基礎上,對防護目標按照使用性質,考慮防護能力和疏散場景,進行了細化分類,提出了個人風險可接受標準(概率值),見表 2。其中高敏感防護目標、重要防護目標與管道高后果區定義的特定場所較為吻合。




      SY/T 7380―2017《輸氣管道高后果區完整性管理規范》提出定量風險評價的個人風險和社會風險可接受準則按照13號公告執行。

      GB/T 34346―2017《基于風險的油氣管道安全隱患分級導則》與SY/T 6859―2012《油氣輸送管道風險評價導則》提出的個體風險基準并未對防護目標分類,風險基準低于13號公告。

      考慮到輸氣管道輸送介質為天然氣,屬危險化學品,風險準則推薦采用GB 36894―2018《危險化學品生產裝置和儲存設施風險基準》。

      2.1.2  個人風險

      個人風險表示由于事故而導致特定防護目標的個人死亡概率,詳見表 2。

      2.1.3  社會風險

      社會風險表示特定防護目標多人死亡的事故累計頻率,也就是群體死亡的頻發程度。通過兩條風險分界線將社會風險劃分為三個區域,即:不可接受區、盡可能降低區和可接受區,詳見圖 1。



      圖 1 社會風險基準圖


      2.2  間距初步判定

      采用定量評價方法對管道沿線風險分別進行個人風險和社會風險的模擬計算,根據標準規定的特定防護目標個人風險可接受值,初步判定管道與特定防護目標(特定位置)的設計間距;同時輔以社會風險評價結果做參考。如國內某管道定量風險評價結果見圖 2、圖 3和表 3。


      圖 2 國內某管道特定位置個人風險橫切圖

      圖 3 國內某管道特定位置社會風險曲線圖




      3  基于失效后果的間距設計

      3.1  失效后果分析

      3.1.1  基于風險評價間距設計的不確定性

      相較于經驗取值法和基于失效后果的設計方法,基于風險的設計方法既可充分利用管道周邊土地資源,又能保證管道周邊風險可控,是目前復雜地區管道設計的常用方法。由于管道失效風險=管道失效概率×管道失效后果,而管道失效概率主要有基于歷史失效數據庫(或修正)的計算方法及基于可靠性的計算方法?紤]到管道建設與運營所涉及的鋼管規格、制管工藝、建設年代、焊接工藝、施工隊伍、檢測水平、外部環境、防護措施等差異較大,可用的管道歷史數據、管體及焊縫基礎數據、荷載信息等獲取難度大,導致用這兩種方法計算的失效概率都有一定誤差,不能完全真實反映管道特定位置的失效概率。因此,目前技術水平及現存數據條件下,基于風險的間距設計還存在一定的不確定性。

      3.1.2  法規與標準要求

      國務院令第493號《生產安全事故報告和調查處理條例》規定,10人及10人以上人員死亡的重大事故、特別重大事故逐級上報至國務院安全生產監督管理部門和負有安全生產監督管理職責的有關部門。

      根據GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規范》附錄E管道風險矩陣法失效后果等級規定,當人員死亡≥10人,失效后果為E類。而當失效后果為E類時,在任何失效可能性的情況下(即使最低失效概率),風險均為較高(Ⅲ)和高(Ⅳ),風險水平不可接受。

      所以,從絕對后果角度看,10人及10人以上死亡事故,都屬于不可接受特定后果。

      3.2  驗算特定后果的間距設計

      中國石油天然氣管道工程有限公司(管道設計院)為彌補定量風險評價中失效概率計算的不確定性,滿足法規與標準基本要求,提出在基于定量風險評價的間距設計基礎上,增加驗算管道失效特定后果的間距設計方法。

      首先模擬計算管道周邊的個人風險及社會風險水平,與標準規定的特定防護目標可接受風險值進行對比,初步判定基于風險的“設計間距”;再驗算管道發生失效事故后最多傷亡人數是否滿足“10人”特定后果準則。

      如果個人風險、社會風險或“10人”準則任何一項結果未滿足法規與標準要求,則管道與建構筑物間距不可接受,需要調整管道輸送參數或周邊建筑物分布;反之,三項結果均滿足才能判定油氣管道與建構筑物間距可以接受。

      同時,該方法在進行輸氣管道失效后果分析時,主要考慮噴射火的熱輻射影響和危害后果作為度量參考。

      4  結語

      在基于管道定量風險評價的間距設計基礎上,提出了增加驗算特定后果的間距設計理念,彌補了定量風險評價中失效概率計算的不確定性缺陷,提高了管道與建構筑物間距設計的合理性。



      作者簡介:熊健,1981年生,高級工程師,中國石油天然氣管道工程有限公司(管道設計院)管道完整性管理所所長,現主要從事油氣長輸管道完整性技術與管理工作。聯系方式:0316-2077470、13930630437,xiongjian1314@cnpc.com.cn,xiongjian0203@foxmail.com。


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