劉宏波 陳東生 高濤 高甲艷

陜西省天然氣股份有限公司

摘要：現行國家法律、規范、標準對管道與周邊人員、建（構）筑物之間的安全距離缺乏直接規定。分析了國外和國內的相關(guān)法規、標準對管道安全距離的規定以及政府對管道安全監管的要求。通過(guò)對潛在影響半徑與實(shí)際爆炸案例影響范圍的對比分析，以國內天然氣長(cháng)輸干線(xiàn)常用設計參數為基礎，以管口完全斷裂為條件進(jìn)行假定，計算水平噴射火焰熱輻射通量、瞬時(shí)燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓等的傷害半徑，并結合實(shí)際爆炸案例驗證該安全距離確定方法及提升策略準確性，得出以潛在影響半徑作為安全距離的確定方法比較合理。

關(guān)鍵詞：天然氣長(cháng)輸管道；安全距離；潛在影響半徑；熱輻射通量；爆炸場(chǎng)超壓

隨著(zhù)天然氣管網(wǎng)里程增加和時(shí)間的推移，建設期和運行過(guò)程中產(chǎn)生的各類(lèi)缺陷也會(huì )逐步累積，綜合作用下導致管道本體可靠性逐步降低。尤其是近年來(lái)城鎮化進(jìn)程的加快，管道核心保護區及場(chǎng)站周邊的人員活動(dòng)、建（構）筑物數量日益增加，加重了管道介質(zhì)泄漏后的影響范圍及后果。目前，在役天然氣長(cháng)輸管道因內外部原因導致的泄漏、爆炸事故屢見(jiàn)報端，已經(jīng)成為政府和民眾關(guān)注的焦點(diǎn)之一。國家相關(guān)部委先后制定了多項國家標準或文件以強化油氣管道安全風(fēng)險管控和隱患消除，但縱觀(guān)現行法律、規范、標準，管道與周邊建（構）筑物之間的安全距離仍缺乏直接規定。

本文整理分析了國內外相關(guān)法規、標準對管道安全距離的要求以及政府對于管道安全監管的要求，對潛在影響半徑與實(shí)際爆炸案例影響范圍進(jìn)行分析研究，以國內天然氣長(cháng)輸管道常用設計參數為基礎，以管口完全斷裂為條件進(jìn)行假定，計算水平噴射火焰熱輻射通量、瞬時(shí)燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓等的傷害半徑，并結合實(shí)際爆炸案例驗證該安全距離確定方法及提升策略準確性，以期為天然氣長(cháng)輸管道的設計、施工、運行管理、應急防范等提供參考。

1  國內外管道安全距離法規標準

1.1  國外管道安全距離法規標準

（1）美國�！稓怏w管道聯(lián)邦最低安全標準》并未規定明確的安全距離數值要求，而是根據建筑物和居住人員密度，將管道通過(guò)地區劃分為四個(gè)等級，每個(gè)地區等級采用相應的強度設計系數計算壁厚值。

（2）歐盟。歐盟將油氣運輸劃歸危險化學(xué)品行業(yè)管轄，其《塞維索指令》法案規定了油氣管道運營(yíng)商在管道安全方面的職責和責任，但沒(méi)有給出具體管道安全距離數值，對管道安全距離的要求隱含在管道運營(yíng)商應制定詳細的管道和設備設施的安全管理程序和文件。例如，每年要求管道運營(yíng)商編制提交管道安全狀態(tài)調查報告，可以證明對于所有管道重大風(fēng)險隱患制定并實(shí)施了持續有效的控制方法，可以保證第三方人員不會(huì )因為管道建設運營(yíng)活動(dòng)導致額外的高風(fēng)險或者受到重大事故的傷害。

（3）英國。英國石油天然氣行業(yè)依照《塞維索指令》制定了《管道安全法》和《重大危害控制法案》兩部法律，強制規定管道運營(yíng)商每年提交安全審核材料，證明管道系統安全可靠，其對社會(huì )公眾和企業(yè)員工造成的死亡風(fēng)險概率滿(mǎn)足最低合理可行范圍。同樣，未明確具體管道安全距離數值，而是通過(guò)規定管道設計、施工、運行和維護階段的最低安全要求，保證管道全生命周期安全狀態(tài)可控。

1.2  國內管道安全距離法規標準規定

（1）法律層面�！妒�油天然氣管道保護法》第十三條規定管道選線(xiàn)與周邊建（構）筑物應保持國家技術(shù)規范強制性要求的“保護距離”；第三十一條規定管道周邊新建建（構）筑物與管道的“距離”應符合國家技術(shù)規范的強制性要求，沒(méi)有明確的數值。第三十條禁止在管道線(xiàn)路中心線(xiàn)兩側各五米地域范圍內修建建（構）筑物。管道中心線(xiàn)兩側各五米的地域范圍是管道保護的核心區域。其五米規定是以保護管道本體安全為目的，防止管道防腐層、本體被近距離施工損傷，確保管道維搶修作業(yè)時(shí)的車(chē)輛通過(guò)能力，為管道維搶修提供開(kāi)挖放坡和堆土空間。

（2）規范層面。目前國家還沒(méi)有制定與《石油天然氣管道保護法》第十三條和三十一條相配套的技術(shù)規范。GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規范》規定，埋地管道與建（構）筑物的間距應滿(mǎn)足施工和運行管理需求，且管道中心線(xiàn)與建（構）筑物的最小距離不應小于5 m。其條文說(shuō)明解釋該5 m距離的依據是《石油天然氣管道保護法》第三十條規定，同時(shí)兼顧了管道施工和運行維護需要。GB 50183―2004《石油天然氣工程設計防火規范》僅對不同等級的天然氣站場(chǎng)和放空管與周邊人員、建（構）筑物的間距作出了具體規定，但其條文說(shuō)明中將這些距離解釋為防火距離而非安全距離。GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規范》則是通過(guò)地區等級、潛在影響半徑及管道中心線(xiàn)兩側各200米等條件來(lái)確定高后果區分級，并非對安全距離的直接規定。GB/T 34346―2017《基于風(fēng)險的油氣管道安全隱患分級導則》中雖然在附錄D表D.1隱患處置方法中提到與周邊人員、建（構）筑物安全距離不足，但全文未明確安全距離的具體數值或定義，而是將間距不足作為隱患識別的方法，具體間距則以輸氣管道潛在影響半徑或不滿(mǎn)足其他相關(guān)技術(shù)規范的強制性要求來(lái)界定。

（3）標準層面。國家安監總局2014年下發(fā)的《油氣輸送管道安全隱患分級參考標準》雖然采用安全距離不足作為隱患分級方式之一，但也未對安全距離進(jìn)行明確定義，而是直接引入安全距離不足概念并結合建（構）筑物人員密集程度來(lái)判斷管道隱患等級。

通過(guò)以上分析，可以看出現行法律、規范、標準對天然氣長(cháng)輸管道與周邊人員、建（構）筑物之間的安全距離并未給出直接的規定或賦值，而是根據其設立的目的從各自的角度對距離進(jìn)行了限定�，F行法律、規范、標準對管道與周邊人員、建（構）筑物距離的相關(guān)規定見(jiàn)表 1。

表 1 現行法律、規范、標準對管道與周邊人員、建（構）筑物距離的相關(guān)規定

2  潛在影響半徑與實(shí)際爆炸案例影響范圍的對比分析

2.1  潛在影響半徑

上述多個(gè)規范、標準均提到潛在影響半徑這一概念，它是用來(lái)確定潛在影響區域的直接依據，而潛在影響區域是指管道泄漏可能使其周邊公眾安全和/或財產(chǎn)遭到嚴重影響的區域。從這一定義可知，潛在影響半徑可以用來(lái)輔助判斷管道泄漏狀態(tài)下周邊人員、建（構）筑物是否處于嚴重影響區域內，因此將其作為判斷管道與周邊人員、建（構）筑物之間的安全距離條件值得進(jìn)一步討論。

2.2  潛在影響半徑計算結果與實(shí)際案例影響范圍對比分析

計算各案例條件下的潛在影響半徑，并與實(shí)際案例影響范圍進(jìn)行比對，結果見(jiàn)表 2。

表 2 實(shí)際爆炸案例影響范圍與潛在影響半徑計算結果對比表

通過(guò)對以上實(shí)際案例破壞范圍的數據統計，同時(shí)與各案例參數條件下計算的潛在影響半徑進(jìn)行對比，可以得出潛在影響半徑計算結果基本符合定義中嚴重影響區域的特征。此外，通過(guò)案例分析發(fā)現，天然氣管道泄漏后的燃燒除因距離過(guò)近被直接燒毀外，還存在因熱輻射、爆炸沖擊波造成的損毀情況，因此，有必要進(jìn)一步研究噴射火焰熱輻射通量、瞬時(shí)燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓的傷害半徑，從而為判斷天然氣長(cháng)輸管道與周邊人員及建（構）筑物之間的安全距離提供參考。

3  噴射火焰熱輻射通量、瞬時(shí)燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓計算

天然氣管道發(fā)生泄漏后，根據API 581，發(fā)生安全排放、噴射火焰、閃火、蒸氣云爆炸的概率分別為：0.8、0.1、0.06、0.04，這些與判定安全距離有直接關(guān)系。因此，有必要進(jìn)一步研究噴射火焰熱輻射通量、瞬時(shí)燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓。為保證同等條件下，計算結果盡可能覆蓋假定管徑以下管道的事故影響范圍，本文排除風(fēng)速、環(huán)境溫度、地形地貌等外在客觀(guān)條件的影響，結合GB/T 34346―2017并以國內天然氣長(cháng)輸管道常用設計參數為基礎，以管口完全斷裂為條件進(jìn)行假定，即管徑1016 mm、設計壓力10 MPa、運行壓力9.5 MPa，泄漏孔直徑按規范取400 mm。

3.1  噴射火焰熱輻射通量計算

天然氣長(cháng)輸管道多數埋設于地表以下，管道發(fā)生泄漏時(shí)遇到火源會(huì )被直接點(diǎn)燃形成噴射火。按照最不利情形并結合實(shí)踐經(jīng)驗進(jìn)行假定，以管口完全斷裂形成水平噴射火作為研究對象，分析計算水平噴射火熱輻射通量并根據已知不同目標的熱毀傷閾值進(jìn)行反算[1]，從而得到水平噴射火的傷害半徑。同時(shí)，采用熱輻射強度準則，對比已知不同目標的熱毀傷閾值，可以得到相應的傷害半徑[2]，結果見(jiàn)表 3。

表 3 水平噴射火焰傷害半徑計算表

通過(guò)表 3可知，在假定條件下，周邊人群與水平噴射火的安全距離至少應保持164 m以上；建（構）筑物與水平噴射火的安全距離至少應保持95 m以上。

3.2  瞬時(shí)燃燒熱輻射通量計算

天然氣管道泄漏后在未被直接點(diǎn)燃的情況下，將與空氣混合形成蒸氣云，當天然氣體積占比達到蒸氣云體積的5%～15%之間時(shí)，遇到火源將發(fā)生爆炸，該范圍稱(chēng)為天然氣的爆炸極限范圍。該體積濃度低于5%時(shí)不燃燒、不爆炸，高于15%時(shí)只燃燒、不爆炸。蒸氣云爆炸一般分為兩部分考慮：一是發(fā)生混合燃燒，形成火球體積為90%～100%；二是不超過(guò)10%的部分發(fā)生氣相爆轟[3]。

（1）瞬時(shí)泄漏條件判斷。按照假定條件，泄漏直徑大于6 mm，計算介質(zhì)泄漏量Qn等于4500 kg時(shí)消耗的時(shí)間 tn =74.858 s，小于180 s，因此該條件滿(mǎn)足瞬間泄漏條件[3]。

（2）瞬時(shí)燃燒熱輻射通量�；鹎蛑锌扇嘉镔|(zhì)來(lái)源于泄漏點(diǎn)兩端截斷閥之間的管存天然氣和截斷閥關(guān)閉前上下游管道補給的天然氣。天然氣在與空氣混合的過(guò)程中，其體積濃度會(huì )被周邊空氣不斷稀釋?zhuān)�當體積濃度低于5%時(shí)即使遇到火源也不會(huì )發(fā)生爆炸，也就是蒸氣云的擴散體積是有邊界的，其體積大小與泄漏速率、風(fēng)速、擴散系數、擴散距離等有關(guān)。因此，按照管道內天然氣的質(zhì)量計算蒸氣云爆炸火球中消耗的可燃物質(zhì)質(zhì)量顯然是不符合實(shí)際的，需要假定泄漏開(kāi)始至爆炸發(fā)生這一時(shí)間段的長(cháng)度并結合泄漏速率計算火球中消耗的可燃物質(zhì)質(zhì)量�，F實(shí)中，從泄漏開(kāi)始至爆炸發(fā)生這一時(shí)間段的長(cháng)度是不確定的，此處參照天然氣長(cháng)輸管道截斷閥常用自動(dòng)關(guān)閉時(shí)間180 s進(jìn)行計算，按照本文設定條件，得到該段時(shí)間內泄漏天然氣的質(zhì)量為10820.52 kg，扣除發(fā)生氣相爆轟的10%天然氣質(zhì)量，剩余參與瞬時(shí)燃燒的天然氣質(zhì)量為9738.468 kg。

（3）傷害半徑計算。計算距離蒸氣云爆炸火球中心 r 處目標接收到的瞬時(shí)燃燒熱輻射通量 q（r）。同時(shí)，采用熱輻射強度準則，對比已知不同目標的熱毀傷閾值，可進(jìn)一步反算蒸氣云爆炸火球瞬時(shí)燃燒熱輻射的傷害半徑，結果見(jiàn)表 4。

表 4 瞬時(shí)燃燒熱輻射傷害半徑計算表

通過(guò)表 4可知，在假定條件下，周邊人員與蒸氣云爆炸火球中心的安全距離至少應保持262 m以上；建（構）筑物與蒸氣云爆炸火球中心的安全距離至少應保持150 m以上。

3.3  蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓計算

為了計算蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓，需要將發(fā)生爆轟的天然氣質(zhì)量按能量等效原理?yè)Q算成等效的TNT質(zhì)量，再按TNT標準爆源常用計算式求出爆炸場(chǎng)內各點(diǎn)的沖擊波超壓，并根據計算結果評估周邊人群和建（構）筑物損傷程度。

分別計算等效TNT質(zhì)量、沖擊波超壓計算及傷害半徑，可知在假定條件下，周邊人員與蒸氣云爆炸場(chǎng)中心的安全距離至少應保持132.22 m以上；建（構）筑物與蒸氣云爆炸場(chǎng)中心的安全距離至少應保持254.2 m以上。

綜上分析，以國內天然氣長(cháng)輸管道常用管徑1016 mm為基礎，對比同等條件下潛在影響半徑計算結果（310 m），可以發(fā)現潛在影響半徑計算結果范圍能夠涵蓋相同條件下水平噴射火焰熱輻射通量、瞬時(shí)燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓損傷范圍。

4  結論及建議

通過(guò)以上對潛在影響區域、噴射火焰熱輻射通量、瞬時(shí)燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓等的計算，分別得到了相對應的影響（傷害）半徑，結合實(shí)際案例可以得出如下結論。

（1）客觀(guān)分析當前天然氣長(cháng)輸管道常用法律、規范、標準對距離的規定，可以看出其對天然氣長(cháng)輸管道與周邊人員、建（構）筑物之間的安全距離并未給出直接的規定或賦值，而是根據其設立的目的從各自的角度對距離進(jìn)行了限定。

（2）在排除風(fēng)速、環(huán)境溫度、地形地貌、建（構）筑物密集程度、管道埋設深度等客觀(guān)條件的情況下，相同管徑泄漏后，影響（傷害）半徑與其運行壓力、泄漏面積、泄漏時(shí)長(cháng)正相關(guān)。同時(shí)，按照設定條件，可以判斷管徑越大，其影響（損傷）范圍越大，這也與實(shí)際案例影響范圍情況相吻合。

（3）天然氣長(cháng)輸管道與周邊人員、建（構）筑物安全距離的確定應綜合考慮潛在影響半徑以及水平噴射火焰熱輻射通量、瞬時(shí)燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場(chǎng)超壓的傷害半徑，通過(guò)與實(shí)際案例影響范圍進(jìn)行對比分析，并以管道常用設計參數為基礎進(jìn)行理論驗證，結果表明以潛在影響半徑作為安全距離的確定方法比較合理。

（4）實(shí)際案例中存在超出潛在影響半徑計算結果的情況，但其影響范圍未區分因建（構）筑物密集、風(fēng)向、地形地貌等引發(fā)的次生災害，因此對于建（構）筑物密集、單一風(fēng)向、植被繁茂等區域進(jìn)行安全距離判定時(shí)應在潛在影響半徑基礎上適當增加防控距離或采取隔離措施。

（5）以國內天然氣長(cháng)輸管道常用設計參數為基礎，兼顧考慮可接受損失、避免土地資源過(guò)度占用的前提下，建議將天然氣長(cháng)輸管道與周邊人員、建（構）筑物之間安全距離設定在300 m以?xún)�，并可根據不同管徑、運行壓力按照潛在影響半徑制定具體的安全間距。此外，在天然氣長(cháng)輸管道的設計、施工、運行管理、應急防范等過(guò)程中也可以按照這一方法采取措施預防較大以上事故。

參考文獻：

[1]汪元輝.安全系統工程[M].天津：天津大學(xué)出版社， 1999.

[2]汪侃.大開(kāi)放空間高壓天然氣管道泄漏爆炸火球熱毀傷效應研究[D].北京理工大學(xué)， 2016.

[3]難波桂芳.化工廠(chǎng)安全工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 1986.

作者簡(jiǎn)介：劉宏波，1980年生，正高級經(jīng)濟師、正高級政工師，碩士研究生，現主要從事天然氣長(cháng)輸管道企業(yè)管理等工作。

通訊作者：高濤，1981年生，高級工程師，2005年畢業(yè)于西安石油大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)，2018年12月畢業(yè)于西安石油大學(xué)在職碩士油氣儲運專(zhuān)業(yè)，現主要從事天然氣長(cháng)輸管道建設工作。聯(lián)系方式：13709217336，329151329@qq.com。