高壓天然氣儲運管道泄漏定量風險評估研究

孫文祥，汪 坤，朱 海

(安徽祥源科技股份有限公司, 安徽 蚌埠 233000)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源被廣泛應用于社會生產(chǎn)生活中，對社會發(fā)展和人民生活具有重大作用[1]。天然氣具有易燃、易爆危害性，泄漏后遇到明火會導致火災、爆炸事故，對人民生命財產(chǎn)安全構成嚴重威脅[2]。近年來，國際國內相繼發(fā)生一系列因燃氣泄漏而導致的火災爆炸和燃氣中毒事故。2004年世界天然氣儲量較大國家之一阿爾及利亞發(fā)生過一起天然氣泄漏事故，造成27人死亡、72人受傷的嚴重后果[3]。2014年7月31日晚，臺灣省高雄市前鎮(zhèn)區(qū)多條街道陸續(xù)發(fā)生可燃氣體外泄，并引發(fā)連續(xù)多次大爆炸，事故共計造成31人死亡、310人受傷[4]。2021年6月13日，湖北省十堰市張灣區(qū)艷湖社區(qū)集貿(mào)市場發(fā)生燃氣爆炸事故，造成26人死亡，37人重傷，另有101人不同程度受傷，直接經(jīng)濟損失約5 395.41萬元[5]。

天然氣儲運管道發(fā)生泄漏后，沿地表空間進行擴散。如果泄漏氣體被立即點燃，通常只會引發(fā)噴射火(JF)，而不是先發(fā)生火球，再引發(fā)噴射火，因為火球災害通常可以認為是穩(wěn)定噴射火災害的保守情形。如果泄漏氣體未被立即點燃，氣體介質在空氣中擴散，此時遇到點火源，會引發(fā)蒸氣云爆炸(VCE)[6-8]。天然氣的噴射火或者云爆炸都會造成人員傷亡、環(huán)境影響、財產(chǎn)損失和停輸?shù)扔绊?。因此，針對天然氣儲運管道泄漏事故進行事故后果模擬和定量風險評估顯得十分重要[9]。

該文就BN市某大道與某房地產(chǎn)新建項目鄰近段發(fā)生天然氣管道泄漏，利用中國科學研究院研發(fā)的CASST-QRA軟件，基于管口泄漏，從泄漏模式、災害模式以及相應的事故后果，進行定量風險分析，模擬分析泄漏產(chǎn)生的個人風險和社會風險，為城市規(guī)劃與布局、社會安全防范提供措施建議。

1 項目基本情況

1.1 運行情況

BN市某地塊擬新建一房地產(chǎn)項目，項目用地北側涉及某公司一條由西向東敷設的在役高壓天然氣管線,自2010年運行至今已有11年，為L360直縫高頻電阻焊鋼管。管道規(guī)格Φ406.4 mm×7.1 mm，設計壓力4.0 MPa，設計輸氣規(guī)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，強度設計系數(shù)0.4，前后閥室間距約7.9 km。

1.2 存在問題

BN市某開發(fā)商在某地塊擬開發(fā)建設居住小區(qū)、公共服務場所等，擬建場地北側涉及一條已建高壓天然氣儲運管線，具有泄漏燃爆的潛在風險。為了降低新建房地產(chǎn)項目與在役管線的事故風險，需要對鄰近天然氣管道側進行風險評估，計算、分析天然氣管道可能泄漏造成的事故后果，判定個人風險值和社會風險值可接受程度。

2 定量分析評價內容

定量風險評估是一種通過對某一設備設施或作業(yè)活動中發(fā)生事故的頻率和后果進行定量分析，并且與風險可接受標準進行比較的系統(tǒng)方法[10]。

根據(jù)標準GB/T 37243—2019《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》、GB 36894—2018《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施風險基準》和GB/T 34346—2017《基于風險的油氣管道安全隱患分級導則》等，定量風險評估就是評價個人風險和社會風險2個指標，分別用可容許個人風險值和可容許社會風險值表示。

2.1 可容許個人風險值

個人風險用單位時間內的個體死亡率表示，單位時間通常為年，是指危險化學品等重大危險源所潛在的火災、爆炸或氣體泄漏事故可能造成區(qū)域內某位置人員的個體死亡概率[11]。個人風險是利用定量風險評估辦法來評價目標單位、敏感場所和周邊重要目標所能承受的個人風險承受，一般利用個人風險等值線來表示。

GB 36894—2018《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施風險基準》中所規(guī)定的新建及在役管道個人風險的可接受標準如表1所示[12]。

表1 個人風險基準

2.2 可容許社會風險標準

社會風險是指能夠引起大于或等于N人死亡的累積事故頻率F，即單位時間內(年)的死亡人數(shù)，通常用F-N曲線表示，即社會風險曲線[13]?？扇菰S社會風險的標準一般采用ALARP(As Low As Reasonable Practice)作為可接受原則。ALARP原則利用2個風險分界線將風險劃分為3個區(qū)域，即不可接受區(qū)、盡可能降低區(qū)(ALARP)和可接受區(qū)[10]。具體劃分如圖1所示。

圖1 可容許社會風險標準(F-N)曲線Fig.1 Permissible social risk criteria (F-N) curve

2.3 防護目標

防護目標一般分為高敏感、重要和一般防護目標。按設施或場所實際的主要用途，不同的設施屬于不同的防護目標。具體的設施防護目標分類參考GB 36894—2018《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施風險基準》[12]。

3 事故模擬

3.1 模擬過程

3.1.1 模擬思路

事故后果模擬分析的目的在于定量描述一個可能發(fā)生的事故對周圍設施和人員危害的嚴重程度。其方法是根據(jù)事故的不同類型(如火災、爆炸、中毒等)，視不同情況采用不同的數(shù)學模型，對事故后果進行模擬計算。

CASST-QRA是一種定量風險評估方法，根據(jù)目標對象的事故頻率、事故發(fā)生的情景頻率、氣象及災害概率，完成事故發(fā)生頻率和事故后果的擬合計算，得出個人風險；再結合周邊人口分布，計算出社會風險，然后模擬出不同泄漏模式、災害模式條件下的事故后果。

3.1.2 模擬步驟

基于定量風險評估，利用CASST-QRA軟件進行模擬，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)收集及分析、重大危險辨識、頻率分析、后果分析、風險計算、風險評估、風險重復計算和風險管理等步驟。定量風險評估流程如圖2所示。

圖2 定量風險評估流程圖Fig.2 Flow chart of quantitative risk assessment

3.1.3 關鍵參數(shù)取值

基于定量風險評估，利用CASST-QRA軟件按照模擬步驟，提前預置關鍵參數(shù)，以模擬出不同條件下儲運管道泄漏所產(chǎn)生的事故后果。依次在CASST-QRA軟件中載入項目地圖并確定實際距離，載入氣象信息、填寫危險源基本信息(危險源名稱、危險源類別、存儲物質狀態(tài)、相同管道根數(shù)、管道內工作溫度、管道工作壓力、管道內徑、管道工作流量、存儲物質名稱等信息)、管線周邊的調查情況(如人數(shù)分布)等信息。

具體危險源關鍵參數(shù)取值如表2所示，人口信息情況如表3所示。

表2 關鍵參數(shù)取值

表3 人口信息情況

3.2 模擬結果

3.2.1 個人可接受風險分析

管道發(fā)生泄漏后，會對周邊的人員和建筑物安全造成巨大的威脅，管道周邊人群及建筑物的危害主要來源于2點：一是管道泄漏發(fā)生火災產(chǎn)生的熱輻射，二是管道泄漏導致爆炸產(chǎn)生的沖擊波破壞作用，因此可以通過熱輻射、沖擊波的影響范圍確定管道安全距離是否滿足要求。天然氣自管道內泄漏之后的失效后果類型與泄漏點、泄漏速率、點燃時間以及周邊環(huán)境等多種因素有關。

根據(jù)表2關鍵參數(shù)，通過軟件進行模擬分析，所得個人可接受風險曲線圖如圖3所示，個人風險對應概率線說明如表4所示。

圖3 個人風險曲線圖Fig.3 Graph of personal risk curves

表4 概率線說明Table 4 Probability line description

個人風險基準不同，其風險等值線顏色亦不同。從圖3中不同顏色覆蓋范圍以及表4概率線說明，依據(jù)SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風險評估導則》可以看出，管道個人風險水平高于容許上限(1×10-4a-1)的概率線(紅色)未出現(xiàn)；管道個人風險水平高于容許下限(1×10-6a-1)(粉紅)，其影響間距為94.5 m；在役管道概率值IR=3×10-6a-1曲線(藍色)內出現(xiàn)一般防護目標中的一類防護目標。

根據(jù)GB 36894—2018《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施風險基準》規(guī)定的新建及在役管道個人風險可接受標準，在役管道概率值IR=3×10-6a-1曲線不應出現(xiàn)高度敏感防護目標、重要防護目標及一般防護目標中的一類防護目標。因此該項目擬建1#～5#建筑均處于風險水平“盡可能低”區(qū)。

根據(jù)模擬研究結果，擬建1#～4#住宅樓均屬于一般防護目標中的一類防護目標，需要將其調整至概率值IR=3×10-6a-1曲線外。

3.2.2 社會可接受風險分析

根據(jù)表2中預置的關鍵數(shù)據(jù)參數(shù)以及表3人口信息情況表，經(jīng)過軟件模擬分析，得出的社會風險等值線如圖4所示。圖中橫坐標為可能造成死亡的人數(shù)N，縱坐標為累計頻率F。

依據(jù)GB 36894—2018《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施風險基準》、GB/T 34346—2017《基于風險的油氣管道安全隱患分級導則》中規(guī)定的社會風險可接受準則，在圖4中表示出容許線(綠色)和不容許線(紅色)2條直線，模擬出的社會風險等值線在圖中用黑色線條表示。圖中綠色線以內區(qū)域為可接受區(qū)，綠色和紅色線之間區(qū)域為盡可能降低區(qū)，紅色線以外區(qū)域為不可接受區(qū)。

從圖4中可以看出，模擬出的可能死亡人數(shù)可能大于100，累計頻率高于1×E-06，社會風險曲線(黑色線)有一部分進入盡可能降低區(qū)。

圖4 社會風險等值線Fig.4 Social risk contour

依據(jù)標準SY/T 6859—2020《油氣輸送管道風險評估導則》、GB 36894—2018《危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施風險基準》等規(guī)定的社會風險可接受準則，該項目的社會風險值為盡可能降低區(qū)。

3.2.3 事故定量模擬后果

依據(jù)表2關鍵參數(shù)并結合表3項目所在周圍人口分布情況，利用CASST-QRA軟件模擬，計算出高壓天然氣儲運管道在不同種泄漏模式、不同災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，災害模式為噴射火和云爆。在不停風速、大氣穩(wěn)定度條件下，模擬出的事故后果體現(xiàn)在死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑3方面。

不同條件下發(fā)生的事故后果模擬結果如表5所示。從表5可以看出，隨著泄漏模式和災害模式的變化，事故表現(xiàn)出不同的影響半徑。在設定條件下，管道泄漏最嚴重的事故后果為死亡半徑54 m，重傷半徑97 m，輕傷半徑161 m，對應的泄漏模式為管道大孔泄漏和完全破裂模式，災害模式為云爆，發(fā)生此種災害的可能性主要為地質災害或者第三方破壞。

表5 事故后果模擬結果

在災害模式同樣為云爆的情況下，中孔泄漏的事故后果相比大孔泄漏和完全破裂情況要小一些，對應死亡半徑27 m，重傷半徑46 m，輕傷半徑78 m。這主要是因為泄漏孔徑?jīng)Q定泄漏量，是對泄漏后果影響較大的因素，發(fā)生中孔泄漏災害的主要原因可能是地質災害、第三方損壞或制造缺陷。

在噴射火及風速一樣情況下，管道泄漏為大孔泄漏和完全破裂時導致的死亡半徑較中孔泄漏更大。在管道中孔泄漏模式下，氣象條件為D類及閃火條件下，風速越大，死亡半徑越小，這主要是由于風速越大，泄漏出的天然氣瞬時擴散半徑越大。

因此，發(fā)生管道中孔泄漏、大孔泄漏和完全破裂災害模式造成的事故后果，受風速、地面條件影響明顯。

另外，天然氣管道泄漏事故的嚴重程度還受到管輸壓力和應急能力因素的影響。管輸壓力越大，相同時間內油氣介質泄漏量也越大，泄漏造成的后果往往也越嚴重。應急能力決定泄漏時間和危險介質的擴散范圍等因素。油氣介質泄漏時間越長，擴散范圍越廣，往往泄漏后果越嚴重。泄漏時間、擴散范圍的大小與泄漏發(fā)現(xiàn)時間、應急預案、搶修力量、截斷閥、泄漏監(jiān)測系統(tǒng)等因素密切相關。

為了在管道發(fā)生泄漏后，盡可能地降低不利影響，可以采取有編制應急預案與定期演練、不斷增強搶修力量、加設截斷閥、安裝泄漏監(jiān)測系統(tǒng)等措施。

3.2.4 典型事故模擬后果

利用CASST-QRA軟件，可以模擬出不同泄漏模式和災害模式下的模型圖。該文模擬出的后果最嚴重的云爆模式下的完全破裂模型如圖5所示。事故后果中的死亡、重傷、輕傷區(qū)域分別對應圖中紅色、藍色和綠色范圍內。

從圖5中可以看出，當天然氣儲運管道發(fā)生完全破裂、云爆模式下，對應的死亡、重傷、輕傷半徑逐漸擴大。其中沿天然氣管線，死亡半徑均約為54 m，重傷半徑約在90 m，而輕傷半徑基本覆蓋150 m。死亡半徑區(qū)涉及到擬建的1#～5#建筑。因此，該研究建議將規(guī)劃的1#～5#建筑移至死亡半徑以外。

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

針對管道沿線高后果區(qū)應加強安全監(jiān)管，采取提高日常巡護頻次，加密設置地面警示標識，設置高后果區(qū)告知牌、風向標，安裝全天候視頻監(jiān)控等防護措施，阻止危及高后果區(qū)，尤其是人員密集高后果區(qū)的違法違規(guī)施工作業(yè)。

4 結論

該文運用CASST-QRA定量風險程度模擬軟件，對某在役天然氣管道與某房地產(chǎn)新建項目鄰近段可能發(fā)生的天然氣管道泄漏進行風險評估，分析此項目段的個人風險及社會風險，并進行事故后果模擬研究，分析不同泄漏模式和災害模式對事故后果的影響。具體結論如下：

1)管道個人風險水平高于容許下限(1×10-6a-1)影響間距為94.5 m，在役管道概率值IR=3×10-6a-1曲線內出現(xiàn)一般防護目標中的一類防護目標，項目擬建的1#～4#建筑均處于風險水平“盡可能低”區(qū)，應將其調整至概率值IR=3×10-6a-1曲線外。

2)社會風險等值線模擬出可能造成死亡的人數(shù)大于100，累計頻率小于1×E-06，其社會風險等值線在盡可能降低區(qū)。

3)天然氣儲運管道泄漏的主要災害模式為噴射火及云爆模型，泄漏模式和災害模式不同，影響半徑亦不同。在泄漏模式為完全破裂模式、災害模式為云爆條件下，管道泄漏事故死亡半徑54 m，重傷半徑97 m，輕傷半徑161 m。

4)管道發(fā)生中孔泄漏、大孔泄漏和完全破裂災害模式的事故后果受風速、地面條件影響明顯。