高压燃气管道高后果区增量的控制

2020-10-20巩忠领深圳市燃气集团股份有限公司广东深圳518049

煤气与热力 2020年9期

巩忠领(深圳市燃气集团股份有限公司，广东深圳518049)

1 概述

2017年12月15日，国家安全监管总局、国家发改委、国土资源部、住建部、交通运输部、国务院国资委、国家质检总局、国家能源局联合下发了《关于加强油气输送管道途经人员密集场所高后果区安全管理工作的通知》(安监总管三[2017]138号)，要求突出加强油气输送管道途经人员密集场所高后果区安全管理工作。通知强调，各有关企业要及时准确掌握人员密集高后果区状况，落实主体责任，有效防控安全风险。通知要求，各有关部门要认真落实油气输送管道保护和安全监管职责分工，按照归口管理、分级负责的原则，充分考虑油气输送管道输送介质的易燃易爆特性，依法加强涉及大口径、高压力油气输送管道项目的可行性论证和审核，认真管好人员密集型高后果区存量，严格控制人员密集型高后果区增量。

为此，深圳市安委办结合深圳市的具体情况，出台了《关于涉及油气管线等危险化学品场所建设项目安全评价工作指引》(深安办[2019]2号)，明确提出了城镇次高压燃气管道两侧100 m范围内、高压燃气管道两侧200 m范围内需以安全评估替代综合分析，以期控制油气管道周边建设活动，降低隐患风险等级。在市安委办相关文件指引的基础上，涉及城市建设的方方面面均需要做出详细的安全评估，才能获得政府规划部门的正式批文。但是，由于高后果区增量及其控制办法没有明确的量化依据，相关工作推动极为缓慢，在一定程度上双重制约着油气管道和周边项目的建设。

深圳市地处中国华南沿海，经济总量和人口密度均处于国际、国内前列，其土地资源短缺情况日益凸显。深圳市规划与国土资源委员会曾专门出台《深圳市橙线管理规定》约束高压油气管道周边项目建设，但未正式对外发布。随着近年来国家对城市公共安全的重视程度日益提升，出台的办法更加严格，由于给出的评估指标相对模糊，在某种程度上束缚了城市化进程速度。尤其是八部门联合文件的出台，高后果区增量及其控制问题，在国内未形成一个可以参照的量化指标，政府相关职能部门在审批管道周边建设项目时，没有明确可参照执行的量化标准，导致周边项目一度停滞，严重浪费了社会资源。本文从定性和定量角度分析高后果区增量，形成明确的、可参照执行的审批原则，助力相关部门快速有效地进行项目决策审批工作。

2 高后果区和人员密集地区相关定义

① 高后果区

关于高后果区比较权威的有GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》(以下简称GB 32167—2015)，其定义为：高后果区指管道泄漏后可能对公众和环境造成较大不良影响的区域。该标准给出了高后果区的识别准则，对于输气管道，其识别准则有6条，满足其中1条即为高后果区。

识别高后果区时，高后果区边界设定为距离最近一幢建筑物外边缘200 m，高后果区分为三级，I级代表最小的严重程度，III级代表最大的严重程度。深安办[2019]2号文提出的高后果区增量，未明确既有高后果区等级变化，可否列为增量。

高后果区一词的系统阐述，出现于GB 32167—2015，评判出高后果区的目的在于帮助油气企业实施管道完整性管理。而完整性管理的目的在于将风险控制在合理、可接受的范围内，最终实现安全、可靠、经济地运行管道。

② 人员密集情况及其定义

《消防法》给出了人员密集场所的定义，指公共聚集场所，医院的门诊楼、病房楼，学校的教学楼、图书馆、食堂和集体宿舍，养老院、福利院、托儿所、幼儿园，公共图书馆的阅览室、公共展览馆、博物馆的展示厅，劳动密集型企业的生产加工车间和员工集体宿舍，旅游、宗教活动场所等。

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(以下简称GB 50016—2014)规定的人员密集的公共建筑主要指：设置有同一时间内聚集人数超过50人的公共活动场所的建筑。如宾馆、饭店、商场、市场、体育馆、会堂、公共展览馆的展览厅、证券交易厅、公共娱乐场所、医院的门诊楼、病房楼、养老院、托儿所、幼儿园、学校的教学楼、图书馆和集体宿舍、公共图书馆的阅览室、客运车站、码头、民用机场的候车、候船、候机厅(楼)等。

关于人员密集场所的防火措施，GB 50016—2014对建筑物内部情况结构给予了明确的规定，例如规定了疏散门、疏散走道、疏散楼梯的宽度，以及每100人的最小疏散净宽度，相关规定具备较强的可实施性，从建筑物本体结构角度给出了可行的量化方案。因此，人员密集场所从自身结构角度可以找出合理的规避风险措施，高压燃气管道高后果区增量的变化就落实到了人员数量上。

3 地区等级划分及泄漏原因后果分析

3.1 地区等级划分

GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》(以下简称GB 50028—2006)和GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》(以下简称GB 50251—2015)均有地区等级划分的描述，2个标准划分地区等级的原则基本一致，仅局部存在不一致。GB 50028—2006关于地区等级的描述仅限于压力大于1.6 MPa的室外燃气管道，任意划分长度为1.6 km；而GB 50251—2015则是针对所有长输燃气管道做出的划分，任意划分长度为2.0 km。相类似地，在地区等级划分的具体方法上，城镇燃气的取值下限更加符合城镇的实际情况和有利于安全；强度设计系数选取上，对于三级和四级地区，GB 50028—2006给出了更加严格的强度设计系数。

城镇高压燃气管道和长输燃气管道强度设计系数对比见表1。可以看出，城镇高压燃气在高后果区问题上采取了更加谨慎的措施，以确保城镇高压燃气管道自身安全和周边建构筑物安全。

表1 城镇高压燃气管道和长输燃气管道强度设计系数对比

基于地区等级给定燃气管道强度设计系数后，对燃气管道与周边建构筑物的净距给出了明确的可量化执行的参数。同时，GB 50028—2006条文解释中对净距要求给予了详细的描述。净距的控制，并非是说建构筑物与燃气管道保持了规范要求的净距，就一定能够确保事故状态下建构筑物的安全，而是为了给燃气管道留有足够的维抢修空间。这也说明强度设计系数更高的燃气管道，其维修所需设备占地越大，管道自身遭受破坏的可能性越低。

因此，无论长输燃气管道还是城镇高压燃气管道，其相关规范给定的净距只是满足运行管理的最低要求，而不是安全要求。那么，高压燃气管道和周边建构筑物的安全间距该如何确定，国内相关规范给予了一些典型方法。但是，国内关于油气管道的隐患分级理论，一般是围绕周边建构筑物对管道的影响开展的，因此，关于高后果区的增量问题，也宜以此开展。

国内涉及油气管道隐患分级的相关理论，以GB/T 34346—2017《基于风险的油气管道安全隐患分级导则》给定的方法比较权威，该方法也是安全评价单位选择运用较多的一种方法。该导则强调的“隐患”仅包括占压、间距不足，不满足规范要求的交叉、并行(含穿跨越)，地质灾害和管道本体及附属设施缺陷。因此，除上述缺陷外，可以认为：一般情况下，在消除上述隐患条件之后，在相关规范给定的维抢修间距满足时，油气管道的平稳运行是可控的。管道对周边建构筑物的影响，主要是极端条件下，管道发生局部泄漏时，对周边人员的影响。

3.2 管道泄漏原因分析

油气管道发生泄漏原因很多，包括管道内外腐蚀、材料缺陷、第三方施工破坏等[1-3]。对于当代油气管道管理企业，管道因为内外腐蚀和材料缺陷发生泄漏的概率可以忽略。唯一能够影响油气管道本体安全的事故是第三方施工过程中的机械挖掘、勘探等，这类事故发生的概率，不仅考验油气管道管理企业现场管理水平，也与当地政府对工程施工活动的监管程度有着直接关系，具有突发性，且是唯一能够构成较大危害的情况。第三方破坏(施工破坏)引起的失效事故率为36%，腐蚀引起的失效事故率为25%[4]。这为评估油气管道对周边建构筑物的影响提供了思路：在管道实施有效阴极保护和智能检测的基础上，可以保证管道不会因腐蚀而失效，则在管道运行期仅需要以第三方破坏(施工破坏)作为主要研究对象，即可有效控制高后果区增量。

根据深圳市内管道破坏事故分析，进入城镇的油气管道一般敷设在市政道路上，城区第三方施工能够造成较大影响的主要有管道上方机械开挖和钻探。以深圳市高压输配系统为例，管道选用L450MB材质管线钢，其屈服强度为450 MPa，据此我们可以得出第三方施工冲击管道破坏，需要的应力应不小于450 MPa，机械设备与管道接触的有效面积和屈服应力的乘积视为机械破坏管道所需施与管道的当量力。

调查发现，市政道路上施工的机械设备，其正常工作输出功率传达至管道，难以对管道造成实质性损坏，即机械冲击L450MB材质、壁厚19.1 mm钢质管道，不会从本质上破坏燃气管道。能够造成管道泄漏的唯一设备，就是管道周边实施的钻探，这为管道管理提供了清晰的思路。

3.3 管道泄漏后果

① 火灾、爆炸事故后果分析方法

火灾、爆炸事故后果分析方法中，比较成熟的有美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers，ASME)制定的ASME B31.8S—2016《输气管道系统完整性管理》(以下简称ASME B31.8S—2016)准则、美国石油学会(American Petroleum Institute，API)制定的API 581—2016《基于风险的检测技术》(以下简称API 581—2016)准则和20世纪70年代由美国海军武器实验室(NOL)和弹道实验室(BRL)制定的超压-冲量破坏模型。这3种火灾、爆炸事故后果分析方法优缺点比较如下。

a.ASME B31.8S—2016准则可以根据热辐射阈值估算人员伤害和设备损伤情况。计算简明、便捷，便于现场操作人员估算人员和设备的伤害面积。但是评价影响区域方程中仅包含管径和压力两个参数，考虑因素不够全面。

b.API 581—2016准则采用基于风险的检测技术对失效后果进行分析，在风险基础上建立设备单元的相对排序，评价步骤清晰简明，应用范围广，适用于各种设备的泄漏情形，同时考虑泄漏尺寸的不连续性和泄漏速率等因素，确定了瞬时泄漏和持续泄漏两种泄漏类型。但是其划分危险区域不够详细，只给出了潜在的影响面积，未考虑各种伤害程度下人员和设备的伤害情形。同时，由于评价结果是事故的潜在后果区，还包括火灾后果，因此评价结果较为保守。

c.超压-冲量破坏模型对爆炸后果进行了详细分区，可对人员和设备的伤害破坏情况进行全面评价，方便事故现场人员确定事故影响区域和安全距离。但是当中提到的TNT当量模型具有一定的局限性，蒸气云的TNT当量系数取值范围较宽，不同取值对分析结果影响较大。

对比以上3种分析方法和模型的优缺点，燃气管道泄漏火灾、爆炸事故后果分析分别以ASME B31.8S—2016准则和超压-冲量破坏模型为依据，在计算方法上结合各分析方法做一定的优化处理。

② 气体泄漏速率

结合深圳市城镇高压燃气管道周边项目实际情况，假设管道受第三方破坏(施工破坏)破裂，燃气泄漏情况下发生火灾、爆炸事故，裂口形状以圆形计，直径分别取50 mm、100 mm和200 mm，泄漏模型见图1。

图1 燃气管道泄漏模型

图中qm——气体泄漏速率，kg/s

p——绝对压力，Pa

T——温度，K

u——泄漏速度，m/s

ρ——密度，kg/m3

下标1、2、3分别对应管道阀门起点处、管道内裂口附近某点处、裂口处的量。

管道气体泄漏速率是估算火灾、爆炸事故后果的重要参数。当管道泄漏时，管道内部压力逐渐降低，基于管内摩擦力的作用，泄漏速率随时间逐渐降低。

当满足式(1)时，气体流动属于声速流动，燃气泄漏速率见式(2)[5]；当满足式(3)时，气体流动属于亚声速流动，燃气泄漏速率见式(4)[5]，各式具体如下：

(1)

(2)

(3)

qm=CdAp·

(4)

式中p0——环境压力，Pa

p——管内气体绝对压力，Pa

κ——气体等熵指数

Cd——气体泄漏系数

A——管道裂口面积，m2

M——气体的摩尔质量，kg/mol

Z——压缩因子

R——摩尔气体常数，J/(mol·K)，取8.314 J/(mol·K)

T——气体温度，K

气体等熵指数，双原子气体取1.4，多原子气体取1.29，单原子气体取1.66。气体泄漏系数与裂口形状有关，裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90。

对于城镇高压燃气，计算参数按以下取值：管道裂口面积A1、A2、A3分别为1.96×10-3m2、7.85×10-3m2和31.4×10-3m2；压缩因子取0.9；环境压力取101 325 Pa；燃气管道取城镇燃气运行压力上限4.0 MPa；气体等熵指数取1.29；气体泄漏系数按圆形裂口形状取1.00；天然气摩尔质量取16.05×10-3kg/mol；气体温度取298.15 K。

上述参数下，管道气体流动状态属于声速流动，3种不同管道裂口面积下气体泄漏速率分别为13.99、56.05、224.18 kg/s。

③ 伤害半径

对于燃气管道泄漏火灾事故后果主要以热辐射为基础进行分析。燃气管道火灾发生时，其毁伤程度可根据目标所受的热辐射通量阈值来判定，同样根据热辐射通量阈值可算出伤害半径。

根据喷射火模型，可以得到离火焰中心不同距离的热辐射通量[6]：

(5)

式中E——热辐射通量，kW/m2

η——燃烧效率参数，对于喷射火模型取0.3

Xg——放射率参数，对于喷射火模型取0.2

Hc——气体的燃烧热，kJ/kg，甲烷取5.56×104kJ/kg

r——伤害半径，m

将深圳市城镇高压燃气管道的基本参数和喷射火模型及热辐射通量阈值理论结合[6-7]，可以计算出不同热辐射通量对设备人员的伤害及伤害半径，见表2。

表2 不同热辐射通量对设备人员的伤害及伤害半径

4 高后果区存量和增量

检索国内外文献，对于城镇燃气而言，没有给出明确的高后果区定义，这为穿越城镇的长输高压燃气管道的安全平稳运行提供了有效的思路。即在现有长输燃气管道设计的基础上，重新复核其地区等级、强度设计系数，参照城镇燃气设计的相关规范，给长输燃气管道降压运行。比对城镇高压燃气核算出的火灾、爆炸参数，如果长输燃气管道的参数值能够达到当地气象条件下城镇高压燃气的后果水平，即可认为该管道在其不受第三方施工破坏下风险是可接受的。

GB 32167—2015给出的高后果区量化结果表明，只要地区等级不发生变化、管道200 m范围内不再兴建新的加油站、油库等易燃易爆场所，高后果区就不会发生变化。

深圳市常见的高后果区增量问题，发生在城市更新过程中新建构筑物的规划设计阶段。对于高压油气管道两侧200 m范围内，在城市更新过程中，需根据新建建筑物的容积率和规划建筑面积，核算建筑物内当量人口，当建筑物内及周边当量人口不超过原有人口时，可认为高后果区增量未发生变化；当建筑物内及周边当量人口超过原有人口时，可通过增加建筑物防火抗震强度，来提高建筑物的本质安全属性，在地区等级不变的基础上，采取行之有效的措施确保高后果区增量依然在可以接受的范围内。

政府规划部门在划定橙线管理规定时，可充分参考上述计算模型，将降压后的长输燃气管道两侧200 m划定为控制区，控制区内部建构筑物的设计需满足城镇燃气设计规范关于三级地区等级的要求；50 m范围内为限制区，限制区内部建构筑物的设计必须满足一定的防火、防爆要求，在事故状态下能够有效保护周边人群，并且在当地政府应急管理部门监督下，与油气管线单位建立有效的联动机制。