高压天然气储运管道泄漏定量风险评估研究

孙文祥，汪 坤，朱 海

(安徽祥源科技股份有限公司, 安徽 蚌埠 233000)

0 引言

天然气作为一种清洁能源被广泛应用于社会生产生活中，对社会发展和人民生活具有重大作用[1]。天然气具有易燃、易爆危害性，泄漏后遇到明火会导致火灾、爆炸事故，对人民生命财产安全构成严重威胁[2]。近年来，国际国内相继发生一系列因燃气泄漏而导致的火灾爆炸和燃气中毒事故。2004年世界天然气储量较大国家之一阿尔及利亚发生过一起天然气泄漏事故，造成27人死亡、72人受伤的严重后果[3]。2014年7月31日晚，台湾省高雄市前镇区多条街道陆续发生可燃气体外泄，并引发连续多次大爆炸，事故共计造成31人死亡、310人受伤[4]。2021年6月13日，湖北省十堰市张湾区艳湖社区集贸市场发生燃气爆炸事故，造成26人死亡，37人重伤，另有101人不同程度受伤，直接经济损失约5 395.41万元[5]。

天然气储运管道发生泄漏后，沿地表空间进行扩散。如果泄漏气体被立即点燃，通常只会引发喷射火(JF)，而不是先发生火球，再引发喷射火，因为火球灾害通常可以认为是稳定喷射火灾害的保守情形。如果泄漏气体未被立即点燃，气体介质在空气中扩散，此时遇到点火源，会引发蒸气云爆炸(VCE)[6-8]。天然气的喷射火或者云爆炸都会造成人员伤亡、环境影响、财产损失和停输等影响。因此，针对天然气储运管道泄漏事故进行事故后果模拟和定量风险评估显得十分重要[9]。

该文就BN市某大道与某房地产新建项目邻近段发生天然气管道泄漏，利用中国科学研究院研发的CASST-QRA软件，基于管口泄漏，从泄漏模式、灾害模式以及相应的事故后果，进行定量风险分析，模拟分析泄漏产生的个人风险和社会风险，为城市规划与布局、社会安全防范提供措施建议。

1 项目基本情况

1.1 运行情况

BN市某地块拟新建一房地产项目，项目用地北侧涉及某公司一条由西向东敷设的在役高压天然气管线,自2010年运行至今已有11年，为L360直缝高频电阻焊钢管。管道规格Φ406.4 mm×7.1 mm，设计压力4.0 MPa，设计输气规模5.8×108m3/a，管道外壁采用3PE防腐。管道直埋深度1.5～2.3 m，强度设计系数0.4，前后阀室间距约7.9 km。

1.2 存在问题

BN市某开发商在某地块拟开发建设居住小区、公共服务场所等，拟建场地北侧涉及一条已建高压天然气储运管线，具有泄漏燃爆的潜在风险。为了降低新建房地产项目与在役管线的事故风险，需要对邻近天然气管道侧进行风险评估，计算、分析天然气管道可能泄漏造成的事故后果，判定个人风险值和社会风险值可接受程度。

2 定量分析评价内容

定量风险评估是一种通过对某一设备设施或作业活动中发生事故的频率和后果进行定量分析，并且与风险可接受标准进行比较的系统方法[10]。

根据标准GB/T 37243—2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》、GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》和GB/T 34346—2017《基于风险的油气管道安全隐患分级导则》等，定量风险评估就是评价个人风险和社会风险2个指标，分别用可容许个人风险值和可容许社会风险值表示。

2.1 可容许个人风险值

个人风险用单位时间内的个体死亡率表示，单位时间通常为年，是指危险化学品等重大危险源所潜在的火灾、爆炸或气体泄漏事故可能造成区域内某位置人员的个体死亡概率[11]。个人风险是利用定量风险评估办法来评价目标单位、敏感场所和周边重要目标所能承受的个人风险承受，一般利用个人风险等值线来表示。

GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》中所规定的新建及在役管道个人风险的可接受标准如表1所示[12]。

表1 个人风险基准

2.2 可容许社会风险标准

社会风险是指能够引起大于或等于N人死亡的累积事故频率F，即单位时间内(年)的死亡人数，通常用F-N曲线表示，即社会风险曲线[13]。可容许社会风险的标准一般采用ALARP(As Low As Reasonable Practice)作为可接受原则。ALARP原则利用2个风险分界线将风险划分为3个区域，即不可接受区、尽可能降低区(ALARP)和可接受区[10]。具体划分如图1所示。

图1 可容许社会风险标准(F-N)曲线Fig.1 Permissible social risk criteria (F-N) curve

2.3 防护目标

防护目标一般分为高敏感、重要和一般防护目标。按设施或场所实际的主要用途，不同的设施属于不同的防护目标。具体的设施防护目标分类参考GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》[12]。

3 事故模拟

3.1 模拟过程

3.1.1 模拟思路

事故后果模拟分析的目的在于定量描述一个可能发生的事故对周围设施和人员危害的严重程度。其方法是根据事故的不同类型(如火灾、爆炸、中毒等)，视不同情况采用不同的数学模型，对事故后果进行模拟计算。

CASST-QRA是一种定量风险评估方法，根据目标对象的事故频率、事故发生的情景频率、气象及灾害概率，完成事故发生频率和事故后果的拟合计算，得出个人风险；再结合周边人口分布，计算出社会风险，然后模拟出不同泄漏模式、灾害模式条件下的事故后果。

3.1.2 模拟步骤

基于定量风险评估，利用CASST-QRA软件进行模拟，需要经过数据收集及分析、重大危险辨识、频率分析、后果分析、风险计算、风险评估、风险重复计算和风险管理等步骤。定量风险评估流程如图2所示。

图2 定量风险评估流程图Fig.2 Flow chart of quantitative risk assessment

3.1.3 关键参数取值

基于定量风险评估，利用CASST-QRA软件按照模拟步骤，提前预置关键参数，以模拟出不同条件下储运管道泄漏所产生的事故后果。依次在CASST-QRA软件中载入项目地图并确定实际距离，载入气象信息、填写危险源基本信息(危险源名称、危险源类别、存储物质状态、相同管道根数、管道内工作温度、管道工作压力、管道内径、管道工作流量、存储物质名称等信息)、管线周边的调查情况(如人数分布)等信息。

具体危险源关键参数取值如表2所示，人口信息情况如表3所示。

表2 关键参数取值

表3 人口信息情况

3.2 模拟结果

3.2.1 个人可接受风险分析

管道发生泄漏后，会对周边的人员和建筑物安全造成巨大的威胁，管道周边人群及建筑物的危害主要来源于2点：一是管道泄漏发生火灾产生的热辐射，二是管道泄漏导致爆炸产生的冲击波破坏作用，因此可以通过热辐射、冲击波的影响范围确定管道安全距离是否满足要求。天然气自管道内泄漏之后的失效后果类型与泄漏点、泄漏速率、点燃时间以及周边环境等多种因素有关。

根据表2关键参数，通过软件进行模拟分析，所得个人可接受风险曲线图如图3所示，个人风险对应概率线说明如表4所示。

图3 个人风险曲线图Fig.3 Graph of personal risk curves

表4 概率线说明Table 4 Probability line description

个人风险基准不同，其风险等值线颜色亦不同。从图3中不同颜色覆盖范围以及表4概率线说明，依据SY/T 6859—2020《油气输送管道风险评估导则》可以看出，管道个人风险水平高于容许上限(1×10-4a-1)的概率线(红色)未出现；管道个人风险水平高于容许下限(1×10-6a-1)(粉红)，其影响间距为94.5 m；在役管道概率值IR=3×10-6a-1曲线(蓝色)内出现一般防护目标中的一类防护目标。

根据GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》规定的新建及在役管道个人风险可接受标准，在役管道概率值IR=3×10-6a-1曲线不应出现高度敏感防护目标、重要防护目标及一般防护目标中的一类防护目标。因此该项目拟建1#～5#建筑均处于风险水平“尽可能低”区。

根据模拟研究结果，拟建1#～4#住宅楼均属于一般防护目标中的一类防护目标，需要将其调整至概率值IR=3×10-6a-1曲线外。

3.2.2 社会可接受风险分析

根据表2中预置的关键数据参数以及表3人口信息情况表，经过软件模拟分析，得出的社会风险等值线如图4所示。图中横坐标为可能造成死亡的人数N，纵坐标为累计频率F。

依据GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》、GB/T 34346—2017《基于风险的油气管道安全隐患分级导则》中规定的社会风险可接受准则，在图4中表示出容许线(绿色)和不容许线(红色)2条直线，模拟出的社会风险等值线在图中用黑色线条表示。图中绿色线以内区域为可接受区，绿色和红色线之间区域为尽可能降低区，红色线以外区域为不可接受区。

从图4中可以看出，模拟出的可能死亡人数可能大于100，累计频率高于1×E-06，社会风险曲线(黑色线)有一部分进入尽可能降低区。

图4 社会风险等值线Fig.4 Social risk contour

依据标准SY/T 6859—2020《油气输送管道风险评估导则》、GB 36894—2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》等规定的社会风险可接受准则，该项目的社会风险值为尽可能降低区。

3.2.3 事故定量模拟后果

依据表2关键参数并结合表3项目所在周围人口分布情况，利用CASST-QRA软件模拟，计算出高压天然气储运管道在不同种泄漏模式、不同灾害模式下的事故后果。

泄漏模式主要是管道大孔泄漏、中孔泄漏及完全破裂模式，灾害模式为喷射火和云爆。在不停风速、大气稳定度条件下，模拟出的事故后果体现在死亡半径、重伤半径和轻伤半径3方面。

不同条件下发生的事故后果模拟结果如表5所示。从表5可以看出，随着泄漏模式和灾害模式的变化，事故表现出不同的影响半径。在设定条件下，管道泄漏最严重的事故后果为死亡半径54 m，重伤半径97 m，轻伤半径161 m，对应的泄漏模式为管道大孔泄漏和完全破裂模式，灾害模式为云爆，发生此种灾害的可能性主要为地质灾害或者第三方破坏。

表5 事故后果模拟结果

在灾害模式同样为云爆的情况下，中孔泄漏的事故后果相比大孔泄漏和完全破裂情况要小一些，对应死亡半径27 m，重伤半径46 m，轻伤半径78 m。这主要是因为泄漏孔径决定泄漏量，是对泄漏后果影响较大的因素，发生中孔泄漏灾害的主要原因可能是地质灾害、第三方损坏或制造缺陷。

在喷射火及风速一样情况下，管道泄漏为大孔泄漏和完全破裂时导致的死亡半径较中孔泄漏更大。在管道中孔泄漏模式下，气象条件为D类及闪火条件下，风速越大，死亡半径越小，这主要是由于风速越大，泄漏出的天然气瞬时扩散半径越大。

因此，发生管道中孔泄漏、大孔泄漏和完全破裂灾害模式造成的事故后果，受风速、地面条件影响明显。

另外，天然气管道泄漏事故的严重程度还受到管输压力和应急能力因素的影响。管输压力越大，相同时间内油气介质泄漏量也越大，泄漏造成的后果往往也越严重。应急能力决定泄漏时间和危险介质的扩散范围等因素。油气介质泄漏时间越长，扩散范围越广，往往泄漏后果越严重。泄漏时间、扩散范围的大小与泄漏发现时间、应急预案、抢修力量、截断阀、泄漏监测系统等因素密切相关。

为了在管道发生泄漏后，尽可能地降低不利影响，可以采取有编制应急预案与定期演练、不断增强抢修力量、加设截断阀、安裝泄漏监测系统等措施。

3.2.4 典型事故模拟后果

利用CASST-QRA软件，可以模拟出不同泄漏模式和灾害模式下的模型图。该文模拟出的后果最严重的云爆模式下的完全破裂模型如图5所示。事故后果中的死亡、重伤、轻伤区域分别对应图中红色、蓝色和绿色范围内。

从图5中可以看出，当天然气储运管道发生完全破裂、云爆模式下，对应的死亡、重伤、轻伤半径逐渐扩大。其中沿天然气管线，死亡半径均约为54 m，重伤半径约在90 m，而轻伤半径基本覆盖150 m。死亡半径区涉及到拟建的1#～5#建筑。因此，该研究建议将规划的1#～5#建筑移至死亡半径以外。

图5 管道完全破裂、云爆模型Fig.5 Model of pipe complete rupture and cloud explosion

针对管道沿线高后果区应加强安全监管，采取提高日常巡护频次，加密设置地面警示标识，设置高后果区告知牌、风向标，安装全天候视频监控等防护措施，阻止危及高后果区，尤其是人员密集高后果区的违法违规施工作业。

4 结论

该文运用CASST-QRA定量风险程度模拟软件，对某在役天然气管道与某房地产新建项目邻近段可能发生的天然气管道泄漏进行风险评估，分析此项目段的个人风险及社会风险，并进行事故后果模拟研究，分析不同泄漏模式和灾害模式对事故后果的影响。具体结论如下：

1)管道个人风险水平高于容许下限(1×10-6a-1)影响间距为94.5 m，在役管道概率值IR=3×10-6a-1曲线内出现一般防护目标中的一类防护目标，项目拟建的1#～4#建筑均处于风险水平“尽可能低”区，应将其调整至概率值IR=3×10-6a-1曲线外。

2)社会风险等值线模拟出可能造成死亡的人数大于100，累计频率小于1×E-06，其社会风险等值线在尽可能降低区。

3)天然气储运管道泄漏的主要灾害模式为喷射火及云爆模型，泄漏模式和灾害模式不同，影响半径亦不同。在泄漏模式为完全破裂模式、灾害模式为云爆条件下，管道泄漏事故死亡半径54 m，重伤半径97 m，轻伤半径161 m。

4)管道发生中孔泄漏、大孔泄漏和完全破裂灾害模式的事故后果受风速、地面条件影响明显。