埋地工业气体长输管道的定量风险分析

王建荣

（液化空气（中国）投资有限公司,上海 200235）

引 言

埋地工业气体长输管道（以下称长输管道）输送成本低,输送量大,现在越来越多被各类生产企业广泛使用。但这类项目往往涉及管道穿越人员密集区域,例如,居民区、工商业区等；输送介质往往又涉及危险化学品,操作运行时间比较长,一旦管道被破坏导致发生泄漏事故,会造成财产、人员、环境的重大损失。同时,管道由于距离长,沿途的各类施工活动比较多,也比较难以监控,这些因素使得管道本身有较高的可能性被工程施工等外力破坏,进而导致严重的介质泄漏、火灾、爆炸等事故。因此,如何控制长输管道风险是一个重要的研究课题。长输管道风险控制方法很多,其中,定量的风险分析方法因为其可以模拟计算事故发生的严重程度和发生概率,因而得到科学的结论,从而被社会广泛认可。由于气体长输管道应用时间不长,对该类型管道定量分析的研究也较少,随着该类管道在国内应用逐渐增加,对定量分析的需求也会越来越多。作者将通过一条氧气输送管道的例子来具体介绍气体长输管道定量的风险分析方法。

1 管道情况介绍

该管道是DN200mm的氧气管道,流量为6 000m3/h,质 量 流 量 为 2.083kg/s,操 作 压 力2.5MPa,操作温度20℃,管道埋深10m。该管道经过某村镇,沿途有居民住宅和其他生活配套设施,其中,有2个小型超市（J超市和H超市）,是人员相对密集的场所,这2个小型超市坐落于一条街道两侧各20m高的6层建筑物内,管道埋设于该街道下方。该管道沿途人员密度估算见表1。

表1 沿途人员密度估算

2 定量风险分析

定量的风险分析必须计算出每种伤害的严重程度（死亡人数）,以及每种情况发生的概率。严重程度（死亡人数）和每种情况发生的概率的乘积决定了定量风险分析的结果。

2.1 每种伤害的严重程度（死亡人数）

对于长输管道的定量风险分析,需要考虑3种情况：小孔破裂（孔径≦12mm）、大孔破裂（12mm＜孔径≦70mm）和全管破裂（孔径＞70mm）。对人员伤害形式需要考虑2种情况：超压伤害（爆炸）和富氧伤害（由于环境中氧含量超过一定的水平而导致人员肺部受损）。

假设该管道出现小孔破裂（孔径≦12mm）,由于管道埋地深10m,小孔破裂不会对人员产生超压及富氧伤害。

假设该管道出现大孔破裂（12mm＜孔径≦70mm）,大孔破裂会对人员产生超压以及富氧伤害。

假设该管道出现全管破裂（孔径＞70mm）,全管破裂会对人员产生超压以及富氧伤害。

其中,超压（包括抛射物影响,土壤状况为包括碎石的情况）伤害半径使用Brode超压计算,计算结果如表2、表3。

表2 全管破裂超压伤害半径

表3 大孔破裂超压伤害半径

其中,富氧伤害影响半径,使用 PHAST 6.7［1］计算机软件模拟,输入条件为：

天气状况考虑2种典型气候状况3F和5D,3F代表风速3级,大气稳定度F；5D代表风速5级,大气稳定度D。富氧的3个等级见表4,模拟结果见图1～图4。

表4 富氧的3个等级

图1 大孔破裂、天气状况3F下氧气扩散半径

图2 大孔破裂、天气状况5D下氧气扩散半径

汇总上述模拟结果可以得到表5。

计算每种假设情况的伤亡人数,富氧伤害按暴露1min考虑。计算结果见表6及第52页表7。对于富氧伤害,考虑富氧扩散受风影响,其扩散角度为K1＝60°,对于超压和抛射物伤害,其影响范围为K2＝360°。

图3 全管破裂、天气状况3F下氧气扩散半径

图4 全管破裂、天气状况5D下氧气扩散半径

表5 影响半径的汇总①

表6 大孔破裂死亡人数

2.2 事故发生频率

管道破裂发生的频率是由管道长度和单位长度的管道每年破坏的频率共同决定的,单位管道每年的破坏频率由统计得来,不同的行业、不同的公司得出的频率可能会有不同,其计算方法见表8。

表7 全管破裂死亡人数

表8 破坏情况发生频率的计算方法

实际大管破裂的频率为F（j）＝F1×L1＋F2×L2,这是因为,全管破裂也是一种大孔破裂,因此需要加上F2×L2。

L1＝L＋H超市的长边＋L＝12.5＋36.2＋12.5＝61.2m（如图5所示）,L是影响半径在水平线段上的投影。由于J超市最靠近管道的一面,距离管道17.6m,处于影响半径（16m）之外,因此不考虑对J超市的影响。

图5 L1的计算示意图

L2＝L＋J超市的长边＋L＝9.5＋44.8＋9.5＝63.8m,L是影响半径在水平线段上的投影,见图6。由于J超市和H超市位置均位于影响半径之内,因此同时考虑对J超市和H超市的影响。并且,J超市比H超市长度长,因此选择J超市的长度计算。

破坏频率F1和F2由统计数据得出（使用这些数据时可以结合具体实际情况调整）,结果如下：

图6 L2的计算示意图

大孔破裂的频率为Fj＝F1×L1＋F2×L2＝2.63×10－4,因为全管破裂也是一种大孔破裂,因此需要加上F2×L2。

全管破裂的频率为Fj＝F2×L2＝1.04×10－7。

破坏情况发生频率的计算结果见表9。

表9 破坏情况发生频率的计算结果

综合严重程度（死亡人数）和每种情况发生的概率,得到定量的风险分析结果,见表10。

表10 A点的死亡人数和发生频率

根据《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）》（国家安全生产监督管理总局2014年5月7日公布2014年第13号）中的我国社会可接受风险标准图,累积频率和死亡人数之间的关系曲线（F－N曲线）［3］,见图7。

图7 累积频率和死亡人数之间的关系曲线（F－N 曲线）

不可接受区：指风险不能被接受。图7中1×10－3斜线上方区域。

可接受区：指风险可以被接受,无需采取安全改进措施。图7中1×10－5斜线下方区域。

尽可能降低区：指需要尽可能采取安全措施,降低风险。图7中1×10－3斜线下方和1×10－5斜线上方区域。

本例中,管道在A点通过人员密集区的风险在大孔破裂情况下是处于尽可能降低区,在全管破裂情况下是可接受的水平。降低风险的方法可以采用国内有较多研究的 HAZOP、LOPA 等工具［3－4］。

3 结论

综上所述,定量的风险分析需要考虑严重程度（死亡人数）和每种情况发生的概率。严重程度可以使用各种理论进行计算,同时,需要用模拟工具对伤害半径进行模拟；每种情况下,管道破裂发生的概率可以使用由风险分析所考虑的管道长度和单位长度管道每年的破坏频率决定,单位长度管道每年的破坏频率由统计得来,不同的行业、不同的公司得出的频率可能会有不同。得到严重程度（死亡人数N）和发生频率F,对照社会可接受风险标准图,例如,我国《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）》中所给出的标准图,确定风险位于不可接受区、可接受区还是尽可能降低区。

埋地气体长输管道的定量风险方法是比较科学的,大家可以在实践中积极应用。通过定量的风险分析,可以识别项目（工厂）的风险等级,从而有针对性地对高风险部分采取安全措施,一方面,可以让项目（工厂）安全生产,另一方面,可以提高安全设施的针对性,节约安全设施的投资,从而为公司、社会提供更科学的安全防护。

参考文献：

［1］ 叶冲,蒋宏业,姚安林,等.油气管道第三方施工损伤风险控制方法研究［J］.中国安全生产科学技术,2013,9（8）：140－145.

［2］ 国家安全生产监督管理总局.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）［OL］.http：//www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel＿21111/2014/0509/234386/content＿234386.htm：2.

［3］ 国家安全生产监督管理总局.http：//www.chinasafety.gov.cn/fgzc/bz/index＿7.shtml：2－7.

［4］ 万古军,党文艺,张广文.化工企业典型保护层中独立保护层的识别研究［J］.中国安全生产科学技术,2013,9（5）：106－110.