埋地工業氣體長輸管道的定量風險分析

王建榮

（液化空氣（中國）投資有限公司,上海 200235）

引 言

埋地工業氣體長輸管道（以下稱長輸管道）輸送成本低,輸送量大,現在越來越多被各類生產企業廣泛使用。但這類項目往往涉及管道穿越人員密集區域,例如,居民區、工商業區等；輸送介質往往又涉及危險化學品,操作運行時間比較長,一旦管道被破壞導致發生泄漏事故,會造成財產、人員、環境的重大損失。同時,管道由于距離長,沿途的各類施工活動比較多,也比較難以監控,這些因素使得管道本身有較高的可能性被工程施工等外力破壞,進而導致嚴重的介質泄漏、火災、爆炸等事故。因此,如何控制長輸管道風險是一個重要的研究課題。長輸管道風險控制方法很多,其中,定量的風險分析方法因為其可以模擬計算事故發生的嚴重程度和發生概率,因而得到科學的結論,從而被社會廣泛認可。由于氣體長輸管道應用時間不長,對該類型管道定量分析的研究也較少,隨著該類管道在國內應用逐漸增加,對定量分析的需求也會越來越多。作者將通過一條氧氣輸送管道的例子來具體介紹氣體長輸管道定量的風險分析方法。

1 管道情況介紹

該管道是DN200mm的氧氣管道,流量為6 000m3/h,質 量 流 量 為 2.083kg/s,操 作 壓 力2.5MPa,操作溫度20℃,管道埋深10m。該管道經過某村鎮,沿途有居民住宅和其他生活配套設施,其中,有2個小型超市（J超市和H超市）,是人員相對密集的場所,這2個小型超市坐落于一條街道兩側各20m高的6層建筑物內,管道埋設于該街道下方。該管道沿途人員密度估算見表1。

表1 沿途人員密度估算

2 定量風險分析

定量的風險分析必須計算出每種傷害的嚴重程度（死亡人數）,以及每種情況發生的概率。嚴重程度（死亡人數）和每種情況發生的概率的乘積決定了定量風險分析的結果。

2.1 每種傷害的嚴重程度（死亡人數）

對于長輸管道的定量風險分析,需要考慮3種情況：小孔破裂（孔徑≦12mm）、大孔破裂（12mm＜孔徑≦70mm）和全管破裂（孔徑＞70mm）。對人員傷害形式需要考慮2種情況：超壓傷害（爆炸）和富氧傷害（由于環境中氧含量超過一定的水平而導致人員肺部受損）。

假設該管道出現小孔破裂（孔徑≦12mm）,由于管道埋地深10m,小孔破裂不會對人員產生超壓及富氧傷害。

假設該管道出現大孔破裂（12mm＜孔徑≦70mm）,大孔破裂會對人員產生超壓以及富氧傷害。

假設該管道出現全管破裂（孔徑＞70mm）,全管破裂會對人員產生超壓以及富氧傷害。

其中,超壓（包括拋射物影響,土壤狀況為包括碎石的情況）傷害半徑使用Brode超壓計算,計算結果如表2、表3。

表2 全管破裂超壓傷害半徑

表3 大孔破裂超壓傷害半徑

其中,富氧傷害影響半徑,使用 PHAST 6.7［1］計算機軟件模擬,輸入條件為：

天氣狀況考慮2種典型氣候狀況3F和5D,3F代表風速3級,大氣穩定度F；5D代表風速5級,大氣穩定度D。富氧的3個等級見表4,模擬結果見圖1～圖4。

表4 富氧的3個等級

圖1 大孔破裂、天氣狀況3F下氧氣擴散半徑

圖2 大孔破裂、天氣狀況5D下氧氣擴散半徑

匯總上述模擬結果可以得到表5。

計算每種假設情況的傷亡人數,富氧傷害按暴露1min考慮。計算結果見表6及第52頁表7。對于富氧傷害,考慮富氧擴散受風影響,其擴散角度為K1＝60°,對于超壓和拋射物傷害,其影響范圍為K2＝360°。

圖3 全管破裂、天氣狀況3F下氧氣擴散半徑

圖4 全管破裂、天氣狀況5D下氧氣擴散半徑

表5 影響半徑的匯總①

表6 大孔破裂死亡人數

2.2 事故發生頻率

管道破裂發生的頻率是由管道長度和單位長度的管道每年破壞的頻率共同決定的,單位管道每年的破壞頻率由統計得來,不同的行業、不同的公司得出的頻率可能會有不同,其計算方法見表8。

表7 全管破裂死亡人數

表8 破壞情況發生頻率的計算方法

實際大管破裂的頻率為F（j）＝F1×L1＋F2×L2,這是因為,全管破裂也是一種大孔破裂,因此需要加上F2×L2。

L1＝L＋H超市的長邊＋L＝12.5＋36.2＋12.5＝61.2m（如圖5所示）,L是影響半徑在水平線段上的投影。由于J超市最靠近管道的一面,距離管道17.6m,處于影響半徑（16m）之外,因此不考慮對J超市的影響。

圖5 L1的計算示意圖

L2＝L＋J超市的長邊＋L＝9.5＋44.8＋9.5＝63.8m,L是影響半徑在水平線段上的投影,見圖6。由于J超市和H超市位置均位于影響半徑之內,因此同時考慮對J超市和H超市的影響。并且,J超市比H超市長度長,因此選擇J超市的長度計算。

破壞頻率F1和F2由統計數據得出（使用這些數據時可以結合具體實際情況調整）,結果如下：

圖6 L2的計算示意圖

大孔破裂的頻率為Fj＝F1×L1＋F2×L2＝2.63×10－4,因為全管破裂也是一種大孔破裂,因此需要加上F2×L2。

全管破裂的頻率為Fj＝F2×L2＝1.04×10－7。

破壞情況發生頻率的計算結果見表9。

表9 破壞情況發生頻率的計算結果

綜合嚴重程度（死亡人數）和每種情況發生的概率,得到定量的風險分析結果,見表10。

表10 A點的死亡人數和發生頻率

根據《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準（試行）》（國家安全生產監督管理總局2014年5月7日公布2014年第13號）中的我國社會可接受風險標準圖,累積頻率和死亡人數之間的關系曲線（F－N曲線）［3］,見圖7。

圖7 累積頻率和死亡人數之間的關系曲線（F－N 曲線）

不可接受區：指風險不能被接受。圖7中1×10－3斜線上方區域。

可接受區：指風險可以被接受,無需采取安全改進措施。圖7中1×10－5斜線下方區域。

盡可能降低區：指需要盡可能采取安全措施,降低風險。圖7中1×10－3斜線下方和1×10－5斜線上方區域。

本例中,管道在A點通過人員密集區的風險在大孔破裂情況下是處于盡可能降低區,在全管破裂情況下是可接受的水平。降低風險的方法可以采用國內有較多研究的 HAZOP、LOPA 等工具［3－4］。

3 結論

綜上所述,定量的風險分析需要考慮嚴重程度（死亡人數）和每種情況發生的概率。嚴重程度可以使用各種理論進行計算,同時,需要用模擬工具對傷害半徑進行模擬；每種情況下,管道破裂發生的概率可以使用由風險分析所考慮的管道長度和單位長度管道每年的破壞頻率決定,單位長度管道每年的破壞頻率由統計得來,不同的行業、不同的公司得出的頻率可能會有不同。得到嚴重程度（死亡人數N）和發生頻率F,對照社會可接受風險標準圖,例如,我國《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準（試行）》中所給出的標準圖,確定風險位于不可接受區、可接受區還是盡可能降低區。

埋地氣體長輸管道的定量風險方法是比較科學的,大家可以在實踐中積極應用。通過定量的風險分析,可以識別項目（工廠）的風險等級,從而有針對性地對高風險部分采取安全措施,一方面,可以讓項目（工廠）安全生產,另一方面,可以提高安全設施的針對性,節約安全設施的投資,從而為公司、社會提供更科學的安全防護。

參考文獻：

［1］ 葉沖,蔣宏業,姚安林,等.油氣管道第三方施工損傷風險控制方法研究［J］.中國安全生產科學技術,2013,9（8）：140－145.

［2］ 國家安全生產監督管理總局.危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準（試行）［OL］.http：//www.chinasafety.gov.cn/newpage/Contents/Channel＿21111/2014/0509/234386/content＿234386.htm：2.

［3］ 國家安全生產監督管理總局.http：//www.chinasafety.gov.cn/fgzc/bz/index＿7.shtml：2－7.

［4］ 萬古軍,黨文藝,張廣文.化工企業典型保護層中獨立保護層的識別研究［J］.中國安全生產科學技術,2013,9（5）：106－110.