高壓燃氣管道高后果區(qū)增量的控制

鞏忠領(lǐng)(深圳市燃氣集團股份有限公司，廣東深圳518049)

1 概述

2017年12月15日，國家安全監(jiān)管總局、國家發(fā)改委、國土資源部、住建部、交通運輸部、國務院國資委、國家質(zhì)檢總局、國家能源局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于加強油氣輸送管道途經(jīng)人員密集場所高后果區(qū)安全管理工作的通知》(安監(jiān)總管三[2017]138號)，要求突出加強油氣輸送管道途經(jīng)人員密集場所高后果區(qū)安全管理工作。通知強調(diào)，各有關(guān)企業(yè)要及時準確掌握人員密集高后果區(qū)狀況，落實主體責任，有效防控安全風險。通知要求，各有關(guān)部門要認真落實油氣輸送管道保護和安全監(jiān)管職責分工，按照歸口管理、分級負責的原則，充分考慮油氣輸送管道輸送介質(zhì)的易燃易爆特性，依法加強涉及大口徑、高壓力油氣輸送管道項目的可行性論證和審核，認真管好人員密集型高后果區(qū)存量，嚴格控制人員密集型高后果區(qū)增量。

為此，深圳市安委辦結(jié)合深圳市的具體情況，出臺了《關(guān)于涉及油氣管線等危險化學品場所建設(shè)項目安全評價工作指引》(深安辦[2019]2號)，明確提出了城鎮(zhèn)次高壓燃氣管道兩側(cè)100 m范圍內(nèi)、高壓燃氣管道兩側(cè)200 m范圍內(nèi)需以安全評估替代綜合分析，以期控制油氣管道周邊建設(shè)活動，降低隱患風險等級。在市安委辦相關(guān)文件指引的基礎(chǔ)上，涉及城市建設(shè)的方方面面均需要做出詳細的安全評估，才能獲得政府規(guī)劃部門的正式批文。但是，由于高后果區(qū)增量及其控制辦法沒有明確的量化依據(jù)，相關(guān)工作推動極為緩慢，在一定程度上雙重制約著油氣管道和周邊項目的建設(shè)。

深圳市地處中國華南沿海，經(jīng)濟總量和人口密度均處于國際、國內(nèi)前列，其土地資源短缺情況日益凸顯。深圳市規(guī)劃與國土資源委員會曾專門出臺《深圳市橙線管理規(guī)定》約束高壓油氣管道周邊項目建設(shè)，但未正式對外發(fā)布。隨著近年來國家對城市公共安全的重視程度日益提升，出臺的辦法更加嚴格，由于給出的評估指標相對模糊，在某種程度上束縛了城市化進程速度。尤其是八部門聯(lián)合文件的出臺，高后果區(qū)增量及其控制問題，在國內(nèi)未形成一個可以參照的量化指標，政府相關(guān)職能部門在審批管道周邊建設(shè)項目時，沒有明確可參照執(zhí)行的量化標準，導致周邊項目一度停滯，嚴重浪費了社會資源。本文從定性和定量角度分析高后果區(qū)增量，形成明確的、可參照執(zhí)行的審批原則，助力相關(guān)部門快速有效地進行項目決策審批工作。

2 高后果區(qū)和人員密集地區(qū)相關(guān)定義

① 高后果區(qū)

關(guān)于高后果區(qū)比較權(quán)威的有GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》(以下簡稱GB 32167—2015)，其定義為：高后果區(qū)指管道泄漏后可能對公眾和環(huán)境造成較大不良影響的區(qū)域。該標準給出了高后果區(qū)的識別準則，對于輸氣管道，其識別準則有6條，滿足其中1條即為高后果區(qū)。

識別高后果區(qū)時，高后果區(qū)邊界設(shè)定為距離最近一幢建筑物外邊緣200 m，高后果區(qū)分為三級，I級代表最小的嚴重程度，III級代表最大的嚴重程度。深安辦[2019]2號文提出的高后果區(qū)增量，未明確既有高后果區(qū)等級變化，可否列為增量。

高后果區(qū)一詞的系統(tǒng)闡述，出現(xiàn)于GB 32167—2015，評判出高后果區(qū)的目的在于幫助油氣企業(yè)實施管道完整性管理。而完整性管理的目的在于將風險控制在合理、可接受的范圍內(nèi)，最終實現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟地運行管道。

② 人員密集情況及其定義

《消防法》給出了人員密集場所的定義，指公共聚集場所，醫(yī)院的門診樓、病房樓，學校的教學樓、圖書館、食堂和集體宿舍，養(yǎng)老院、福利院、托兒所、幼兒園，公共圖書館的閱覽室、公共展覽館、博物館的展示廳，勞動密集型企業(yè)的生產(chǎn)加工車間和員工集體宿舍，旅游、宗教活動場所等。

GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(以下簡稱GB 50016—2014)規(guī)定的人員密集的公共建筑主要指：設(shè)置有同一時間內(nèi)聚集人數(shù)超過50人的公共活動場所的建筑。如賓館、飯店、商場、市場、體育館、會堂、公共展覽館的展覽廳、證券交易廳、公共娛樂場所、醫(yī)院的門診樓、病房樓、養(yǎng)老院、托兒所、幼兒園、學校的教學樓、圖書館和集體宿舍、公共圖書館的閱覽室、客運車站、碼頭、民用機場的候車、候船、候機廳(樓)等。

關(guān)于人員密集場所的防火措施，GB 50016—2014對建筑物內(nèi)部情況結(jié)構(gòu)給予了明確的規(guī)定，例如規(guī)定了疏散門、疏散走道、疏散樓梯的寬度，以及每100人的最小疏散凈寬度，相關(guān)規(guī)定具備較強的可實施性，從建筑物本體結(jié)構(gòu)角度給出了可行的量化方案。因此，人員密集場所從自身結(jié)構(gòu)角度可以找出合理的規(guī)避風險措施，高壓燃氣管道高后果區(qū)增量的變化就落實到了人員數(shù)量上。

3 地區(qū)等級劃分及泄漏原因后果分析

3.1 地區(qū)等級劃分

GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱GB 50028—2006)和GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱GB 50251—2015)均有地區(qū)等級劃分的描述，2個標準劃分地區(qū)等級的原則基本一致，僅局部存在不一致。GB 50028—2006關(guān)于地區(qū)等級的描述僅限于壓力大于1.6 MPa的室外燃氣管道，任意劃分長度為1.6 km；而GB 50251—2015則是針對所有長輸燃氣管道做出的劃分，任意劃分長度為2.0 km。相類似地，在地區(qū)等級劃分的具體方法上，城鎮(zhèn)燃氣的取值下限更加符合城鎮(zhèn)的實際情況和有利于安全；強度設(shè)計系數(shù)選取上，對于三級和四級地區(qū)，GB 50028—2006給出了更加嚴格的強度設(shè)計系數(shù)。

城鎮(zhèn)高壓燃氣管道和長輸燃氣管道強度設(shè)計系數(shù)對比見表1?？梢钥闯?，城鎮(zhèn)高壓燃氣在高后果區(qū)問題上采取了更加謹慎的措施，以確保城鎮(zhèn)高壓燃氣管道自身安全和周邊建構(gòu)筑物安全。

表1 城鎮(zhèn)高壓燃氣管道和長輸燃氣管道強度設(shè)計系數(shù)對比

基于地區(qū)等級給定燃氣管道強度設(shè)計系數(shù)后，對燃氣管道與周邊建構(gòu)筑物的凈距給出了明確的可量化執(zhí)行的參數(shù)。同時，GB 50028—2006條文解釋中對凈距要求給予了詳細的描述。凈距的控制，并非是說建構(gòu)筑物與燃氣管道保持了規(guī)范要求的凈距，就一定能夠確保事故狀態(tài)下建構(gòu)筑物的安全，而是為了給燃氣管道留有足夠的維搶修空間。這也說明強度設(shè)計系數(shù)更高的燃氣管道，其維修所需設(shè)備占地越大，管道自身遭受破壞的可能性越低。

因此，無論長輸燃氣管道還是城鎮(zhèn)高壓燃氣管道，其相關(guān)規(guī)范給定的凈距只是滿足運行管理的最低要求，而不是安全要求。那么，高壓燃氣管道和周邊建構(gòu)筑物的安全間距該如何確定，國內(nèi)相關(guān)規(guī)范給予了一些典型方法。但是，國內(nèi)關(guān)于油氣管道的隱患分級理論，一般是圍繞周邊建構(gòu)筑物對管道的影響開展的，因此，關(guān)于高后果區(qū)的增量問題，也宜以此開展。

國內(nèi)涉及油氣管道隱患分級的相關(guān)理論，以GB/T 34346—2017《基于風險的油氣管道安全隱患分級導則》給定的方法比較權(quán)威，該方法也是安全評價單位選擇運用較多的一種方法。該導則強調(diào)的“隱患”僅包括占壓、間距不足，不滿足規(guī)范要求的交叉、并行(含穿跨越)，地質(zhì)災害和管道本體及附屬設(shè)施缺陷。因此，除上述缺陷外，可以認為：一般情況下，在消除上述隱患條件之后，在相關(guān)規(guī)范給定的維搶修間距滿足時，油氣管道的平穩(wěn)運行是可控的。管道對周邊建構(gòu)筑物的影響，主要是極端條件下，管道發(fā)生局部泄漏時，對周邊人員的影響。

3.2 管道泄漏原因分析

油氣管道發(fā)生泄漏原因很多，包括管道內(nèi)外腐蝕、材料缺陷、第三方施工破壞等[1-3]。對于當代油氣管道管理企業(yè)，管道因為內(nèi)外腐蝕和材料缺陷發(fā)生泄漏的概率可以忽略。唯一能夠影響油氣管道本體安全的事故是第三方施工過程中的機械挖掘、勘探等，這類事故發(fā)生的概率，不僅考驗油氣管道管理企業(yè)現(xiàn)場管理水平，也與當?shù)卣畬こ淌┕せ顒拥谋O(jiān)管程度有著直接關(guān)系，具有突發(fā)性，且是唯一能夠構(gòu)成較大危害的情況。第三方破壞(施工破壞)引起的失效事故率為36%，腐蝕引起的失效事故率為25%[4]。這為評估油氣管道對周邊建構(gòu)筑物的影響提供了思路：在管道實施有效陰極保護和智能檢測的基礎(chǔ)上，可以保證管道不會因腐蝕而失效，則在管道運行期僅需要以第三方破壞(施工破壞)作為主要研究對象，即可有效控制高后果區(qū)增量。

根據(jù)深圳市內(nèi)管道破壞事故分析，進入城鎮(zhèn)的油氣管道一般敷設(shè)在市政道路上，城區(qū)第三方施工能夠造成較大影響的主要有管道上方機械開挖和鉆探。以深圳市高壓輸配系統(tǒng)為例，管道選用L450MB材質(zhì)管線鋼，其屈服強度為450 MPa，據(jù)此我們可以得出第三方施工沖擊管道破壞，需要的應力應不小于450 MPa，機械設(shè)備與管道接觸的有效面積和屈服應力的乘積視為機械破壞管道所需施與管道的當量力。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市政道路上施工的機械設(shè)備，其正常工作輸出功率傳達至管道，難以對管道造成實質(zhì)性損壞，即機械沖擊L450MB材質(zhì)、壁厚19.1 mm鋼質(zhì)管道，不會從本質(zhì)上破壞燃氣管道。能夠造成管道泄漏的唯一設(shè)備，就是管道周邊實施的鉆探，這為管道管理提供了清晰的思路。

3.3 管道泄漏后果

① 火災、爆炸事故后果分析方法

火災、爆炸事故后果分析方法中，比較成熟的有美國機械工程師協(xié)會(American Society of Mechanical Engineers，ASME)制定的ASME B31.8S—2016《輸氣管道系統(tǒng)完整性管理》(以下簡稱ASME B31.8S—2016)準則、美國石油學會(American Petroleum Institute，API)制定的API 581—2016《基于風險的檢測技術(shù)》(以下簡稱API 581—2016)準則和20世紀70年代由美國海軍武器實驗室(NOL)和彈道實驗室(BRL)制定的超壓-沖量破壞模型。這3種火災、爆炸事故后果分析方法優(yōu)缺點比較如下。

a.ASME B31.8S—2016準則可以根據(jù)熱輻射閾值估算人員傷害和設(shè)備損傷情況。計算簡明、便捷，便于現(xiàn)場操作人員估算人員和設(shè)備的傷害面積。但是評價影響區(qū)域方程中僅包含管徑和壓力兩個參數(shù)，考慮因素不夠全面。

b.API 581—2016準則采用基于風險的檢測技術(shù)對失效后果進行分析，在風險基礎(chǔ)上建立設(shè)備單元的相對排序，評價步驟清晰簡明，應用范圍廣，適用于各種設(shè)備的泄漏情形，同時考慮泄漏尺寸的不連續(xù)性和泄漏速率等因素，確定了瞬時泄漏和持續(xù)泄漏兩種泄漏類型。但是其劃分危險區(qū)域不夠詳細，只給出了潛在的影響面積，未考慮各種傷害程度下人員和設(shè)備的傷害情形。同時，由于評價結(jié)果是事故的潛在后果區(qū)，還包括火災后果，因此評價結(jié)果較為保守。

c.超壓-沖量破壞模型對爆炸后果進行了詳細分區(qū)，可對人員和設(shè)備的傷害破壞情況進行全面評價，方便事故現(xiàn)場人員確定事故影響區(qū)域和安全距離。但是當中提到的TNT當量模型具有一定的局限性，蒸氣云的TNT當量系數(shù)取值范圍較寬，不同取值對分析結(jié)果影響較大。

對比以上3種分析方法和模型的優(yōu)缺點，燃氣管道泄漏火災、爆炸事故后果分析分別以ASME B31.8S—2016準則和超壓-沖量破壞模型為依據(jù)，在計算方法上結(jié)合各分析方法做一定的優(yōu)化處理。

② 氣體泄漏速率

結(jié)合深圳市城鎮(zhèn)高壓燃氣管道周邊項目實際情況，假設(shè)管道受第三方破壞(施工破壞)破裂，燃氣泄漏情況下發(fā)生火災、爆炸事故，裂口形狀以圓形計，直徑分別取50 mm、100 mm和200 mm，泄漏模型見圖1。

圖1 燃氣管道泄漏模型

圖中qm——氣體泄漏速率，kg/s

p——絕對壓力，Pa

T——溫度，K

u——泄漏速度，m/s

ρ——密度，kg/m3

下標1、2、3分別對應管道閥門起點處、管道內(nèi)裂口附近某點處、裂口處的量。

管道氣體泄漏速率是估算火災、爆炸事故后果的重要參數(shù)。當管道泄漏時，管道內(nèi)部壓力逐漸降低，基于管內(nèi)摩擦力的作用，泄漏速率隨時間逐漸降低。

當滿足式(1)時，氣體流動屬于聲速流動，燃氣泄漏速率見式(2)[5]；當滿足式(3)時，氣體流動屬于亞聲速流動，燃氣泄漏速率見式(4)[5]，各式具體如下：

(1)

(2)

(3)

qm=CdAp·

(4)

式中p0——環(huán)境壓力，Pa

p——管內(nèi)氣體絕對壓力，Pa

κ——氣體等熵指數(shù)

Cd——氣體泄漏系數(shù)

A——管道裂口面積，m2

M——氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol

Z——壓縮因子

R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314 J/(mol·K)

T——氣體溫度，K

氣體等熵指數(shù)，雙原子氣體取1.4，多原子氣體取1.29，單原子氣體取1.66。氣體泄漏系數(shù)與裂口形狀有關(guān)，裂口形狀為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90。

對于城鎮(zhèn)高壓燃氣，計算參數(shù)按以下取值：管道裂口面積A1、A2、A3分別為1.96×10-3m2、7.85×10-3m2和31.4×10-3m2；壓縮因子取0.9；環(huán)境壓力取101 325 Pa；燃氣管道取城鎮(zhèn)燃氣運行壓力上限4.0 MPa；氣體等熵指數(shù)取1.29；氣體泄漏系數(shù)按圓形裂口形狀取1.00；天然氣摩爾質(zhì)量取16.05×10-3kg/mol；氣體溫度取298.15 K。

上述參數(shù)下，管道氣體流動狀態(tài)屬于聲速流動，3種不同管道裂口面積下氣體泄漏速率分別為13.99、56.05、224.18 kg/s。

③ 傷害半徑

對于燃氣管道泄漏火災事故后果主要以熱輻射為基礎(chǔ)進行分析。燃氣管道火災發(fā)生時，其毀傷程度可根據(jù)目標所受的熱輻射通量閾值來判定，同樣根據(jù)熱輻射通量閾值可算出傷害半徑。

根據(jù)噴射火模型，可以得到離火焰中心不同距離的熱輻射通量[6]：

(5)

式中E——熱輻射通量，kW/m2

η——燃燒效率參數(shù)，對于噴射火模型取0.3

Xg——放射率參數(shù)，對于噴射火模型取0.2

Hc——氣體的燃燒熱，kJ/kg，甲烷取5.56×104kJ/kg

r——傷害半徑，m

將深圳市城鎮(zhèn)高壓燃氣管道的基本參數(shù)和噴射火模型及熱輻射通量閾值理論結(jié)合[6-7]，可以計算出不同熱輻射通量對設(shè)備人員的傷害及傷害半徑，見表2。

表2 不同熱輻射通量對設(shè)備人員的傷害及傷害半徑

4 高后果區(qū)存量和增量

檢索國內(nèi)外文獻，對于城鎮(zhèn)燃氣而言，沒有給出明確的高后果區(qū)定義，這為穿越城鎮(zhèn)的長輸高壓燃氣管道的安全平穩(wěn)運行提供了有效的思路。即在現(xiàn)有長輸燃氣管道設(shè)計的基礎(chǔ)上，重新復核其地區(qū)等級、強度設(shè)計系數(shù)，參照城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計的相關(guān)規(guī)范，給長輸燃氣管道降壓運行。比對城鎮(zhèn)高壓燃氣核算出的火災、爆炸參數(shù)，如果長輸燃氣管道的參數(shù)值能夠達到當?shù)貧庀髼l件下城鎮(zhèn)高壓燃氣的后果水平，即可認為該管道在其不受第三方施工破壞下風險是可接受的。

GB 32167—2015給出的高后果區(qū)量化結(jié)果表明，只要地區(qū)等級不發(fā)生變化、管道200 m范圍內(nèi)不再興建新的加油站、油庫等易燃易爆場所，高后果區(qū)就不會發(fā)生變化。

深圳市常見的高后果區(qū)增量問題，發(fā)生在城市更新過程中新建構(gòu)筑物的規(guī)劃設(shè)計階段。對于高壓油氣管道兩側(cè)200 m范圍內(nèi)，在城市更新過程中，需根據(jù)新建建筑物的容積率和規(guī)劃建筑面積，核算建筑物內(nèi)當量人口，當建筑物內(nèi)及周邊當量人口不超過原有人口時，可認為高后果區(qū)增量未發(fā)生變化；當建筑物內(nèi)及周邊當量人口超過原有人口時，可通過增加建筑物防火抗震強度，來提高建筑物的本質(zhì)安全屬性，在地區(qū)等級不變的基礎(chǔ)上，采取行之有效的措施確保高后果區(qū)增量依然在可以接受的范圍內(nèi)。

政府規(guī)劃部門在劃定橙線管理規(guī)定時，可充分參考上述計算模型，將降壓后的長輸燃氣管道兩側(cè)200 m劃定為控制區(qū)，控制區(qū)內(nèi)部建構(gòu)筑物的設(shè)計需滿足城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范關(guān)于三級地區(qū)等級的要求；50 m范圍內(nèi)為限制區(qū)，限制區(qū)內(nèi)部建構(gòu)筑物的設(shè)計必須滿足一定的防火、防爆要求，在事故狀態(tài)下能夠有效保護周邊人群，并且在當?shù)卣畱惫芾聿块T監(jiān)督下，與油氣管線單位建立有效的聯(lián)動機制。

5 結(jié)語

依據(jù)現(xiàn)有理論，城鎮(zhèn)高壓燃氣管道在事故狀態(tài)模型下計算出的火災影響范圍相對較小，長輸燃氣管道參照城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范復核降壓后，可以有效控制周邊高后果區(qū)增量。依據(jù)城鎮(zhèn)高壓燃氣管道事故狀態(tài)模型劃定人員密集區(qū)橙線管理規(guī)定，是解決城市能源供應格局的有效途徑。