基于个人风险分析的天然气管道安全距离研究.pdf

★石 油化 工安 全环 保 技 术★ P E T R O C H E M I C A l S A F E T Y A N D E N V I R O N ME N T A L P R O T E C T I O N T E C H N O I O G Y 2 0 1 6年第3 2卷第 1 期 基于个人风险分析的天然气管道安全距离研究 王 新 ，张华兵，张希祥，张 强，程万洲 中国石油管道科技研究中心油气管道输送国家工程实验室，河北 廊坊0 6 5 0 0 0 摘要合理确定天然气管道安全距离，不仅可以减少和避免事故造成的人员和财产损 失，而且可以为管线的合理设计及城 市土地规划提供依据。通过分析天然气管道 失效概率和 失效后果 ，建立天然气管道个人风险计算模型。根据 危 险化 学品生产、储存装置 个人可接 受风险和社会可接受风险标准 所规 定的个人 风险可接 受标 准，划分 了管道周边 不同的风险 区域 ，确定了新建及在役天然气管道的安全距 离。以某段 天然气管道 为例 ，计算 了个人风险 和安全距 离，为在役及新建天然气管道安全距 离的确定提供参考。 关键词 天然气管道个人风险失效后果失效概率安全距离 管道作为油气产 品转运最安全 、可靠 、高效 的运输方式愈来愈受到世界各 国的高度重视 ，随 着管道里程的不断增多，越来越多的天然气管道 进入到城市周边 ，甚至进入城区。天然气管道一 旦泄漏 ，往往会引发火灾或爆炸事故 ，对周边人 员和财产造成重大威胁 。合理确定天然气管道安 全距离 ，不仅可以减少和避免事故造成的人员和 财产损失 ，而且可以为管线 的合理设计及城市土 地规划提供依据。 近年来 ，国内外很 多学者 开展 了天然 气管 道安全距离 的研究 ，但 大多从 管道失 效后 果影 响范 围方面进行考 虑 。 ，缺乏事故失效概率 分 析 ，并未从 个人 风 险角度对 管道安 全距 离进 行 确定 ，这主要是 因 为国 内缺 少统一 的天 然气 管 道个人风险可接受标准。2 0 1 4年 4月 2 2日国家 安全监管总局 发布 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 ，对天然气管道个人 风险的可接受标准进行 了明确规定 。基 于个人 风 险分析确定 天 然气 管道安全距 离 的方 法 ，不仅要评 价 可能事 故场 景 的后果 ，还要 分 析事 故发 生 的概率 ，比基 于 失效后 果 确定 管道 安 全距 离 的方 法 更加 全 面 ， 结果也 更加准确 。本 文在基 于个人 风 险分析 的 基础上 ，给 出了运 用量 化风险评 价对 新建 及在 役天然气管 道安 全距离进 行确 定 的过程 。以某 段天然气 管道 为例 ，确 定 了不 同人 口密 度场 所 与天然气管 道 的安全距 离 ，可 为安 全规 划及 防 护措施的制定提供依据 。 1 计算模型 1 ． 1 失效概率分析 引起天然气管道失效的风险 因素可以分 为以 下几类 1 外部干扰 ，包括地表开挖等 ； 2 制 造 缺 陷，包 括 管 体 制 造 过 程 中 的 缺 陷等； 3 腐蚀 ，包括 内腐蚀 、外腐蚀等 ； 4 地层移动 ，包括泥石流 、崩塌等 ； 5 其他 ，包括设计误差 、雷电等。 管道的失效概率 是风险因素 i 和失效模式 的函数 ，有 以下关系式 f X ， X 1 式中 为风险因素 i i l ，2，3，4，5分 别对应外部 干扰 ，制造 缺陷 ，腐蚀 ，地层 移动 ， 其他 的基础失效概率； 为失效模式修正因子， 是对风险因素 i 、失效模式 J J 1 ，2 ，3分别 对 收稿 日期 2 0 1 5 0 51 3 。 作者简 介 王 新，2 0 1 1年 毕 业于 中 国科 学技 术 大学 安全技术及工程专业，硕士，主要从事油气管道站 场风 险评 价 的研 究工作，工程 师。电话 0 3 1 6 2 0 7 2 7 7 0 ，E m a i l k j w a n g x i n p e t r o c h i n a ． c o i n ． c n 2 0 1 6年第 3 2卷 第 1 人风险分析的天然 气管道安全距 离研 究 ★ 应小泄漏 、大泄漏和破 裂 的相对 失效概率 ； 为风险因素 i 的失效概率修正因子。 其中 ， 根据历史失效数据库统计得 到， ．， 是根据管道的实 际风险情 况与失效数据库 中管 道情况对比得到的修正系数。 1 ． 2 失效后果计算 高压天然气管道发生泄漏后 ，对周边 的人员 安全会造成 巨大的威胁 ，天然气从 管道 内泄漏 出 来 ，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 。管道发 生泄漏时 ，若泄漏 天然气立即遇到点火源，往往 引发 喷射火。如果 泄漏天然气在扩散过程 中未被 立即点燃 ，且受空 间的限制会造成天然气的不断积累而形成蒸气 云 团，此时遇到点火源 ，会引发蒸气云爆炸。研究 表明管道泄漏后 ，喷射火灾 的热辐射作用和爆 炸的破坏作用是管道周边人 和建筑物 的主要危害 来源 。 1 ． 2 ． 1 泄 漏速 率 天然气管道泄漏后 ，泄漏 I5处气体的泄漏速 率取决于气体流动是属于亚音速流动还是音速流 动 ，当式 2 成立时 ，气体流动属于亚音速流动 _ P a 厂 2 当式 3 成立时 ，气体流动属于音速流动 ≤ ㈩ 式中P 为大气压力，p a ； P 为泄漏E l 处压 力 ，p a ； 为气体比热 比。 气体呈音速流动时 ，泄漏 口处泄漏速率 由式 4 计算 ／／别 一 ’ ㈩ 式中Q 为天然气泄漏速率 ，k g ／ s ；O L 为气 体泄漏系数 ；P 为管道内上游压力 ，p a ； 为管 道 内上 游温度 ，T ；M 为 天然 气分 子质 量 ，k g ／ m o l ；R为理想气体常数，J ／ m o l K ；Z为气体 压缩因子 ；A 为泄漏孔面积 ，i n 。 随着管道 内压力下降 ，气体会 由音速流 动变 为亚音速流动 ，泄漏 口处泄漏速率的计算公式为 Q P 2 4 5 1 ． 2 ． 2 天然气扩散 如果天然气管道发生小孔泄漏 ，天然气的泄 漏为连续点源稳定泄漏 ，往往采用高斯烟羽模 型 来描述气体的扩散L 8 j q T0- 唧 [ - 2 0- 一 2 0- 1 6 v z“ I v一 一 J 其中 c ，Y ，z 为给定 地点 ，Y ， 处天 然气浓度 ，k g ／ m ；Q 为天然气泄漏速率 ，k g ／ s ； 0- ，0- 分别为横风 向和垂直风 向的扩散参数 ；t x 为风速 ，m ／ s ； ，Y ，z 分别 为下风 向、横风向和 离地面的距离 ，1 3 3 。 如果天然气管道发生破裂 ，则天然气 的泄漏 往往为瞬态泄漏 ，这种情况往往采用高斯烟 囱模 型来描述瞬时泄漏气体的扩散 c ， Y ， ， t 2 Q f M Y 1 3 ／ 2 -- ⋯ 一 p l 一 一 一 J 7 式 中c ，Y ， ，t 为给定地点 ，Y ， 处 ，给定时问 t 时天 然气浓度 ，k g ／ 1 T I 。 ；0- 为下 风向的扩散参数 。 1 ． 2 ． 3喷射火 喷射火是天然气 管道失效后果分析 中最常见 且形式较为复杂的一种火灾现象 ，喷射火对周边 人员的伤害主要来 自其强烈的热辐射。为 了简化 喷射火热辐射 的计算过程 ，A P I R P 5 2 1 把 喷射火 看成 由一系列位于喷射 中心线上 的点源组成 ，同 时假设这些点源集 中在泄漏源处 ，则距离泄漏源 r 处热辐射强度为 ， r l e Q s H c 8 4r r r 式中， 为喷射火热辐射，W ／ m ； 为热辐 射系数； 为大气透射率；H c 为天然气燃烧热， J ／ k g ；r 为火焰中心距 目标的距离，m。 1 ． 2 ． 4 蒸气云爆炸 如果天然气泄漏后 ，发生延迟点燃 ，在一定 翟 ★ 石油 化工 安全 环保技术 -k 2 0 1 6 年第3 2 卷第1 期 条件下 达到爆炸极限 ，存在受 限空间 有可能引 发蒸气云爆炸 。蒸气云爆 炸对人员的危害主要来 自爆炸产生的冲击波。蒸气 云爆炸 的严重程度通 常采用 T N T当量法来计算 △ P 0 ． 7 11 0 。 9 式 中△ P为爆炸超压 ，p a ；r 为爆炸 中心距 目标的距离 ，m；m 为爆炸极 限范 围内天然气质 量 ，k g ；Hc 为天然气燃烧 热 ，J ／ k g ；QT N r 为标准 T N T爆炸源的爆炸热，一般取 4 ． 5 21 0 K J ／ k g 1 ． 3 死亡概率的计算 人员死亡概率作为天然气管道失效后果伤害 载荷的函数 ，可以通过概率变量 的线性化概率 函 数获得⋯J 1 r 一 5 2 P f 亡I e 丁d s 1 0 ,／ 2 r J 一 式中 P 『／ 为死亡概率；S 为积分变量；P 为 概率变量 ，描述具 体伤害载荷 如压力 、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 ，如式 1 1 P 0b l n D 1 1 式 中o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 。 导致 人 员 死 亡 的 热 辐 射 概 率 变 量 P 表 示为 m J r 一 ／ 3 、 一 2 5 6 k l l 1 2 ＼ ／ 式中 t 为人员暴露 在火灾热辐射 中的时间； ， 为受影响点处热辐射值。 导致人员死亡的超压概率变量 P 表示为 。 I P r一7 7 ． 16 ． 9 1 n A P 1 3 式 中△ P为受影响点处超压值。 1 ． 4 个人风险的计算 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 内某一地理坐标处 ，Y 产生 的个人风险都可由式 1 4 计算 ∑ ∑f P P P 1 4 式中 f为管道失效概率 ；P ．“为气象条件概 率 ；P 为点火概率 ；P 为人员死亡概率 。 1 ． 5安全距离的确定 国家安全监 管 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 2 0 1 4年 4月 2 2日 提出 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 ，其 中包含 新建管道及在役管道 的风险个人 可接受标准， 见表 1 。 表 1 新建及在役天然气管道个人风险可接受标准 新建管道个人风险 在役管道个人风险 天然气管道周边重要目标和敏感场所类别 可接 受标准／ a 可接受标 准／ a 低密度人员场所 人数 3 0 人 单个或少量暴露人员。 ≤1 1 0 一 ≤3 1 0 - 5 1 ． 居住类高密度场所 3 O 人≤人数 1 0 0人 居民区、宾馆、度假村等； 2 ． 公众聚集类高 密度场所 3 O人 ≤人数 1 0 0人 办公场所 、商场 、饭店 、娱乐场所等 ≤31 0 ≤1 1 0- 5 1 ． 高敏感场所学校、医院、 幼儿园、养老院、监狱等；2 ． 重要目标军事禁区、军事管 理区、文物保护单位等； 3 ． 特殊高密度场所 人数≥1 0 0 人 大型体育场、大型交通枢纽等 ≤3 1 0 ≤ 3 1 0 - 6 根据表 l 天然气管道个人风险可接受标准， 可以将新建及在役天然气管道划分为 四个 风险区 域 Z ． 、z 、Z 、Z ，如图 1 、图 2所示。 2 应用实例 假设 某 天然 气 管 道 直 径 7 2 0 m m，压 力 6 M P a ，为满足城市供气需求，计划在该在役管 道附近新建一条天然气管道。选取其中穿越城市 开发区的一段管道 长度约 1 ． 7 k m 进行个人风险 分析 ，确定在役及新建天然气管道与周边 不同密 度人群的安全距离 。 利用式 1 计算得 出此段天然气管道 的失效 概率 ，见表 2 。 2 01 6 g - 第 3 2恭 第 1 z 4 I R3 x l 0 z 3 3 x i 0 一 I R 3 x l 0 一 z 2 3 x 1 0 I R1 0 于个人 风险分析的天然气管道安全距 离研 究 ★ 天然气管道 图1 新建天然气管道与周边人口区域安全距离示意 z 4 I R 3 x l 0 一 Z 3 3 x 1 0 I R1 0 一 Z 2 1 0 I R3 x l 0 一 通过 图 3可 以看出 对于在役管道 ，当个人 风险值为 3 X 1 0 ～，l 0 和 3 X 1 0 时 ，与天然气 管道的最大距离分别为 1 1 8 ，1 8 0和 2 4 0 n l ，也就 是说 z 1 、z 2 、z 3 、Z 4区域 的分界线为 1 1 8 ，1 8 0 和 2 4 0 m。 天然气管道 图4 在役管道个人风险曲线 图2 在役天然气管道与周边人口区域安全距离示意 表2 天然气管道失效概率 1 ／ a k m 失效 失效概率 模式 外部干扰 制造缺陷 腐蚀 地层移动 其他 小孔 4 7 3 1 O 一 5 7 l 1 0 5 矗1 1 1 0 5 7 ． 6 l l O 一 3 ． 1 1 X 1 0 5 中孔 1 ． 0 61 0 - 4 1 ． 7 1 X1 0 5 1 ． 8 9l 0 8 ． 1 41 0 一 1 ． O 51 0 5 破裂 3 ． 5 91 0 4 ． 1 O1 0 6 6 ． 3 01 0 1 ． 0 5 X 1 0 - 5 4 ． 2 Ol O 一 总共 1 ． 8 91 0 - 4 6 ． 8 31 0 5 6 ． 3 6 X1 0- 5 2 ． 6 31 0 4 ． 2 01 O一 5 注 运用式 1 计 算失效概率 时 ，国内缺乏 天然气管道失效概率 ． 、 ． 的相关数据 ，本次计 算 中采用 E G I G 发布 的欧 洲天 然气 管道 事故 数 据 J ，失效概率修正因子 ． 根据管道的实 际风险 情况与 E G I G失效数据库中管道情况对 比得到。 结合失效后果 的计算结果 ，得到天然气管道 失效后距管道不 同距离处个人风 险变化 曲线 ，如 图 3所示 ● 互 _ 图 3 距管道不 同距离处个人风险变化 曲线 图4为在役管道个人风险曲线 图，3 X 1 0 个 人风险等值线 内不存在人员密集场所，说明 z l 区域 内个人风险属于可接受水平 ；11 0 到 3 X l O 个人 风 险 等值 线 内有 低人 员 密 度场 所 人 数 3 0人 ，但没有居住 类高密度场所或公众聚 集类高密度场所 3 0人 ≤人数 1 0 0人 ，说明 z 2 区域 内个人风 险也属于可接受水平 ；3 X 1 0 到 1 X 1 0 个人风险等值线内允许有居住类高密度场 所或公众聚集类高密度 场所 3 0人 ≤人 数 1 0 0 人 ，但不允许存在学校 、医院等高敏感 区域或 特殊高密度 区域 人数 ≥1 0 0人 ，根据现有实地 调研情况 ，该区域 目前没有居住类高密度场所或 公众聚集类高密度场所 3 0人 ≤人数 1 0 0人 ， 也没有重要 目标 和特 殊高密 度场所 如 学校 、医 院、幼儿 园、养 老院等 ，因此 z 3区域个人 风险 也是可以接受的。 目前为节约土地 ，新规划管道往往与原有管 道并行 ，共用一个管廊带 ，但在原有管道位置规 划 的新建管道往往并不能满 足风险可接受标准 ， 这主要是由于新建管道个人风险可接受标准较之 在役管道更为严格 。通过 图 3可 以看出，对于新 建管道 ，当个人风 险值 为 l 0～，3 X 1 0 和 3 1 0 时 ，与天然 气管 道 的最大距 离分别 为 1 8 0 、 2 4 0和 3 0 2 m，也就是说 z 1 、Z 2 、Z 3 、Z 4区域的 分界线为 1 8 0 、2 4 0和 3 0 2 i n 。 图 5为在原管道管廊带新建管道 的个人风险 曲线 图，与图4相 比，新建管道风险区域要更大 ， 如果在原先管道位置新建管道，z ． 区域 内会存在 歪 -f L 安全环 技 -A - 2 0 1 6 年第3 2 卷第 1 期 图5 新建管道的个人风险曲线 低密度人员场所 1 0 个人风险等值线超过 人员 低密度场所边缘，为6 2 m左右 ，说明z ． 区域是 风险不可接 受的；Z ，区域及 z 3区域 内没有居住 类高密度场所 、公众聚集类高密度场所及高敏感 场所等 ，z ，区域及 z 3区域 内个人风险也是可 以 接受的。通过对新建管道各风险 区域 内风险可接 受性进行分析可以得 出如果在原管廊带规划新 建管道 ，应该考虑到 目前 z 区域内的风险是不可 接受的，对新建管道 的位置进行调整 ，应在现有 在役管道下方 6 2 m的地方规划。 3 结论 1 给出了基于个人风险分析确定天然气管道 安全距离的过程 ，并进 行了实 际应用 ，得到 了在 役及新建天然气管道周边不 同人 口密度场所 的安 全距离 ，可以为新建管道 的规划及在役管道安全 防护措施的制定提供依据。 2 目前 ，国内天然气管道安全距离的确定 多 从管道失效后果影响范 围方面进行考 虑 ，缺乏从 个人风险分析角度确定天然气管道安全距离的研 究 ，该方法是对天然气管道安全距离研究的有益 补充。 参考文献 [ 1 ] 王大庆 ，王晓黎．长距 离输气管道周 围安 全距 离 的 研 究[ J ] ． 石 油 工 程 建 设 ， 2 0 0 7 ，3 3 6 ．5 - 7 ． [ 2 ] S p y r o s S k l a v o u n o s ，F o t i s R i g a s ．E s t i m a t i o n o f s a f e t y d i s t a n c e s i n t he v i c i n i t y o f f u e l g a s p i p e l i n e s[ J ] ．J o u r n a l o f L o s s P r e v e n t i o n i n t h e P r o c e s s I n d u s t r i e s ，2 0 0 6 1 9 2 4 ． 2 1 ． [ 3 ] 国家安全监 管总局． 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 试行[ M] ．北京国家 安 全监 管总局 ，2 0 1 4 ． [ 4 ] E G I G G a s P i p e l i n e I n c i d e n t s D a t a G r o u p ． Ga s i n c i d e n t s i nc i d e n t s 8t h r e p o r t l 9 7 0 2 01 0 [ R] ．2 0 1 0 ． [ 5 ] 张华兵，冯庆善，郑 洪龙，等．油气长输 管道定量风险评价 [ J ] ． 中国安全科 学学 报 ，2 0 0 8 ，1 8 3 1 6 1 1 6 5 ． [ 6 ] J o ，Y ．D，A h n ，B ．J ． ．A n a l y s i s o f h a z a r d a r e a s a s s o c i a t e d wi t h hi g h p r e s s u r e n a t u r a l g a s p i p e l i n e s[ J ] ．J ．L o s s P r e v e n t i o n ， 2 0 02。 1 5 1 7 9一 l 8 8． [ 7 ] r a n g Z h a o ，L i X i h o n g ，L a i J i a n b o ．A n a l y s i s o n t h e d i f f us i o n ha z a r d s o f d y n a mi c l e a k a g e o f g a s p i p e l i n e[ J ] ．R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g a n d S y s t e m S a f e t y ，2 0 0 7， 9 2 4 7 5 3． [ 8 ] 王小完，马骥 ，骆正 山．基 于天然气管线 泄漏蒸汽云爆炸危 害分析 [ J ] ． 灾害学， 2 0 1 3 ，2 8 3 1 6 ． 1 9 ． [ 9 ] A m e r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ．G u i d e f o r p r e s s u r e r e l i e v i n g a n d d e p r e s s i n g s y s t e m s[ S ] ．3 r d e d ． Wa s h i n g t o n，CAP 1 P u b l i c a t i o n， 1 9 9 0 ． [ 1 0 ] L e i Ma ，L i a n g C h e n g ，M a n e h u n L i ．Q u a n t i t a t i v e r i s k a n a l y s i s o f u r b a n n a t u r a l g a s p i p e l i n e n e t wo r k s us i ng g e o g r a p h i c a l i n f o r ma t i o n s y s t e m s[ J ] ．J o u r n a l o f L o s s P r e v e n t i o n i n t h e P r o c e s s I n d u s t r i e s ， 2 0 1 3 2 6 1 l 8 3一 l1 9 2 [ 1 1 ] L e i M a ，Y o n g s h u L i ，L e i L i a n g ，e t a 1 ．A u o v e l me t h o d o f q ua n t i t a t i v e r i s k a s s e s s n l e n t b a s e d o n g r i d d i t f e r e n e e o f p i p e l i n e s e c t i o n s [J] ． S a f e t y S c i e n c e ， 2 0 1 3 ， 5 9 21 9． 22 6 [ 1 2 ] 马月鹏，李竹 霞，倪凯 ，等．化 工园区区 域 定量风险评价及其应用研 究 [ J ] ．安全 与环境学报 ，2 0 1 2，1 2 5 5 2 3 9 2 4 2 ．