油氣管道周邊區(qū)域劃分與距離設定研究*

張圣柱，Y. Frank Cheng ，王如君 ，馮曉東，馮慶善 ，魏利軍，多英全 ，韓玉鑫

(1.中國安全生產(chǎn)科學研究院，北京 100012；2.卡爾加里大學，卡爾加里 T2N 1N4； 3.中國人民共和國應急管理部，北京 100017；4.中國石油管道公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

油氣管道被稱為能源運輸?shù)母咚俟罚悄壳拜^為安全和經(jīng)濟的運輸方式。但管道一旦失效可能引發(fā)火災、爆炸等事故，對周邊一定范圍內的人員造成較為嚴重的影響，因此，對管道周邊土地利用及人口的控制成為各國政府及管道管理者的管理重點之一。長輸管道屬于線性基礎設施，大多敷設于地下，不可避免地會大量經(jīng)過城市建成區(qū)和城鄉(xiāng)規(guī)劃區(qū)，該類地區(qū)施工較為頻繁，管道易遭受第三方破壞。同時，受管道周邊土地資源價值較高的影響，規(guī)劃變動較多，會因管道周邊人口密度增加等提高管道運行風險。因此，研究如何利用管道周邊土地及劃分保護區(qū)域、如何開展人口密集區(qū)管道管理等成為有效控制管道風險、提升管道安全的重要問題。“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故，反映出我國在油氣長輸管道周邊區(qū)域規(guī)劃管理方面存在問題[1]。該管道于1986年投入運行，事故段管道建成初期周邊區(qū)域人煙稀少，隨著城鎮(zhèn)化進程加快，居民區(qū)、學校、店鋪等人員密集場所在管道周邊相繼建設，按照《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》(GB 32167-2015)[2]進行高后果區(qū)識別，該管段投入運行時不屬于高后果區(qū)，發(fā)生事故時已屬于Ⅲ級高后果區(qū)，這是目前國內經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)油氣管道周邊區(qū)域規(guī)劃控制普遍存在的問題；同時，該事故在發(fā)現(xiàn)泄漏至爆炸之間的8 h中，未及時對周邊可能遭受事故影響的居民進行疏散，導致嚴重人員傷亡，反映出管道周邊區(qū)域應急管理存在缺陷。

針對事故反映出的問題，應對陸上油氣長輸管道周邊區(qū)域進行劃分并采取相應的管控措施。北美地區(qū)開展了相關研究和實踐，加拿大標準協(xié)會于2004年發(fā)布的《管道土地利用規(guī)劃：地方政府、開發(fā)商和管道運營商指南 PLUS 663》[3-4]將油氣管道周邊劃分為4個區(qū)域，從管道中心線向外依次是通行帶、緩沖帶、人口密度識別區(qū)和應急響應規(guī)劃區(qū)，并對4個區(qū)域內相關方的權利和義務作出規(guī)定；美國管道和信息規(guī)劃聯(lián)合會于2010年發(fā)布了《基于風險告知的土地利用規(guī)劃以提升途經(jīng)社區(qū)管道安全的推薦做法》[5]，提出天然氣管道設立200 m的咨詢區(qū)和規(guī)劃區(qū)，液體管道設立200～305 m的咨詢區(qū)和規(guī)劃區(qū)；美國運輸部等部門于2015年發(fā)布《減災規(guī)劃：管道附近土地利用規(guī)劃和開發(fā)實踐》[6-7]，將管道危害納入減災規(guī)劃的入門手冊，降低管道風險。北美地區(qū)對相關區(qū)域范圍大多直接作出規(guī)定，對事故情景考慮較少，且北美地區(qū)土地資源豐富，部分距離設定值不適用于土地資源稀缺的地區(qū)。我國《石油天然氣管道保護法》從保護管道安全的角度出發(fā)提出了“5 m”要求，明確了管道通行區(qū)的范圍和管理要求，但未從土地利用規(guī)劃、應急救援等角度出發(fā)開展區(qū)域劃分和管理。本文基于當前我國陸上油氣長輸管道規(guī)劃、建設、運行中存在的問題，借鑒北美地區(qū)經(jīng)驗及做法[8-10]，研究油氣管道周邊區(qū)域劃分與距離設定方法，為油氣管道周邊區(qū)域安全管理提供技術支持。

1 油氣管道安全運行面臨的問題

1.1 第三方破壞

第三方破壞是目前導致我國油氣管道失效的重要原因。據(jù)統(tǒng)計，2016年全國陸上油氣輸送管道共發(fā)生事故165起，其中第三方破壞造成的事故為65起，占事故總數(shù)的38.7%，如圖1所示。在油氣管道周邊進行挖掘、施工等作業(yè)過程中，未從保護管道安全的角度出發(fā)劃定區(qū)域進行控制和管理，未在準確掌握埋地管道位置的情況下開展作業(yè)，便可能造成管道破壞。

圖1 2016年陸上油氣輸送管道事故原因統(tǒng)計Fig.1 Statistics of the causes causing failures of onshore oil and gas transmission pipelines in 2016

1.2 重復規(guī)劃使用管道用地

近年來，我國經(jīng)濟、社會快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，油氣管道建設與城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃之間的矛盾突出。部分地方政府規(guī)劃主管部門未嚴格落實《石油天然氣管道保護法》要求，重復出讓、發(fā)包管道建設用地的現(xiàn)象普遍，導致管道占壓、安全距離不足等隱患嚴重，有些地區(qū)出現(xiàn)了學校、居民區(qū)等敏感目標和人員密集場所占壓管道的情況，對公共安全構成嚴重威脅。“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故后，全國開展了油氣輸送管道安全隱患專項排查整治，共排查出29 436處隱患，其中占壓11 972處、安全距離不足9 171處，占隱患總量的71.8%[11-12]。為解決規(guī)劃變更導致的問題，管道多因土地資源稀缺等原因而被迫改線，造成資源浪費。另一方面，部分企業(yè)在管道選線過程中，未充分考慮管道與周邊區(qū)域的相互影響，特別是管道失效情況下可能對周邊公眾造成的危害，更加重視節(jié)省投資，存在未充分論證并盡量避繞人員密集場所等方面的問題，造成管道周邊區(qū)域風險較高。

1.3 管道周邊土地人口密度增加

《輸氣管道工程設計規(guī)范》(GB 50251-2015)根據(jù)管道中心線兩側聚居戶數(shù)劃分地區(qū)等級，并對不同等級地區(qū)內管道的強度設計系數(shù)和相鄰截斷閥的間距作出規(guī)定[13]，如表1所示。由表1可知，管道地區(qū)等級劃分是強度設計系數(shù)、相鄰閥室間距等關鍵參數(shù)設計的重要依據(jù)。建設時期管道周邊人口分布稀少的地區(qū)，因社會經(jīng)濟快速發(fā)展、規(guī)劃變更等因素，人口密度劇增，會由一級地區(qū)升級為四級地區(qū)[14-15]，但此時管道已投入運行，管道材質、壁厚、焊縫形式、截斷閥間距等因素已難以改變，帶來管道設計不滿足運行要求的問題。

表1 管道地區(qū)等級劃分及參數(shù)規(guī)定Table 1 Classification of the areas adjacent to pipelines and the regulations of relevant parameters

1.4 應急響應困難

油品管道失效泄漏后，油品泄漏到地面時，可能會發(fā)生池火災、蒸氣云爆炸和閃火，在油品泄漏流入地下密閉空間時，可能會發(fā)生蒸氣云爆炸；氣體管道失效泄漏后，可能會發(fā)生噴射火、蒸氣云爆炸和閃火。爆炸一般會對周邊較大范圍內的人員和建(構)筑物造成嚴重影響。受限于管道泄漏監(jiān)測預警滯后、事故后果類型多樣、影響范圍較大等因素，管道事故應急響應面臨較大困難，極端情況下容易造成嚴重的傷亡事故。

2 油氣管道與周邊區(qū)域相互影響及區(qū)域劃分

2.1 相互影響

油氣管道與周邊不同區(qū)域范圍的相互影響如表2所示。

表2 管道與周邊區(qū)域相互影響Table 2 Interaction between the pipeline and the surrounding areas

2.2 區(qū)域劃分

基于油氣管道與周邊不同區(qū)域范圍的相互影響分析，為有效控制相互影響，保障油氣管道安全運行和周邊公共安全，將沿管道線路中心線兩側區(qū)域可依次劃分為管道通行區(qū)、規(guī)劃控制區(qū)和應急響應區(qū)3個區(qū)域，如圖2所示。

1)管道通行區(qū)：為建設、運行、維護管道，防止挖掘施工、修建建(構)筑物等活動造成管道破壞，在管道線路中心線兩側設置的控制區(qū)域。

2)規(guī)劃控制區(qū)：為降低管道失效可能導致的事故影響，在管道線路中心線兩側設置的、以控制人口密度和限制規(guī)劃特定類型場所為目的的區(qū)域。

3)應急響應區(qū)：為降低管道事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，在管道線路中心線兩側設置的需要采取應急措施的區(qū)域。

圖2 油氣管道周邊區(qū)域劃分Fig.2 Division of the surrounding areas adjacent to oil and gas transmission pipelines

3 區(qū)域距離設定

3.1 管道通行區(qū)范圍

《石油天然氣管道保護法》從避免管道遭受第三方破壞、保障管道應急救援能力的角度，對管道中心線兩側各5 m地域范圍內的禁止活動作出了規(guī)定，這些規(guī)定未充分考慮管道對周邊區(qū)域的影響和周邊區(qū)域對管道的影響，此“5 m地域范圍”僅是保護管道免遭第三方破壞的最后保護區(qū)域，因此建議將管道線路中心線兩側各5 m地域范圍內設定為管道通行區(qū)。但該區(qū)域不能作為保護管道和周邊居民安全的唯一區(qū)域。

3.2 規(guī)劃控制區(qū)范圍

由對“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故等多起事故后果的分析，以及對目前在役管道典型事故后果數(shù)值模擬計算結果可知，輸氣管道大概率事故的死亡半徑約在50～100 m范圍內[16]，油品管道大概率事故的死亡半徑小于輸氣管道，在此距離范圍內限制建設人群疏散困難的建筑物、人員密集型建筑物以及可能引發(fā)次生事故的場所，能夠有效避免失效情況下可能造成的大規(guī)模人員傷亡，建議參照此距離設定規(guī)劃控制區(qū)；另一方面，規(guī)劃控制區(qū)內的土地資源價值較高，建議在保障安全的條件下實現(xiàn)對土地資源的最優(yōu)利用，結合地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展情況、土地資源狀況等因素，將管道線路中心線兩側一定區(qū)域設定為規(guī)劃控制區(qū)(如30～100 m)。對于新建管道，在規(guī)劃過程中，管道企業(yè)應向規(guī)劃等部門說明事故潛在影響距離，規(guī)劃等部門應充分掌握事故潛在影響距離并合理確定規(guī)劃控制區(qū)范圍。

3.3 應急響應區(qū)范圍

根據(jù)油品、天然氣管道可能造成的事故后果影響范圍的計算結果，沿管道兩側平行劃定應急響應區(qū)，天然氣管道的事故后果影響范圍可按式(1)計算[2]，并建議油品、天然氣管道的應急響應區(qū)范圍均不小于200 m。

(1)

式中：d為 管道外徑，mm；p為管段最大允許操作壓力(MAOP)，MPa；r為受影響區(qū)域的半徑，m。對于管輸介質泄漏后可能進入地下密閉空間的管段，應根據(jù)流向確定應急響應區(qū)范圍，無法確定流向時，建議應急響應區(qū)范圍不應小于2 km，特殊管段的應急響應區(qū)應結合管段實際情況計算確定。需要考慮的因素如下。

3.3.1 事故后果影響范圍確定依據(jù)

①根據(jù)管道可能發(fā)生的事故后果的影響范圍確定應急響應區(qū)邊界。事故后果既應考慮大概率事故，也應考慮最大可信事故。②應綜合考慮管道輸送介質、設計壓力、設計輸量、管徑、運行參數(shù)等管道本體條件和管道周邊環(huán)境，計算事故后果影響范圍。輸送多種介質的，選取可能造成最嚴重事故后果的介質。③可能發(fā)生多種事故后果的，采用最嚴重的事故后果影響范圍計算結果。④根據(jù)管道本體及周邊環(huán)境情況分段計算和劃分。

3.3.2 計算依據(jù)

①根據(jù)傷害閾值確定事故后果影響范圍，對于油氣輸送管道可能發(fā)生的多種事故后果，熱輻射傷害閾值取3 kW/m2，沖擊波超壓傷害閾值取2 kPa。②同一管道應考慮造成熱輻射傷害和沖擊波超壓傷害的各類事故后果。③可采用行業(yè)認可的計算模型、計算方法或計算程序計算事故后果影響范圍[17-18]。

3.3.3 需考慮的事故場景

①輸油管道應至少考慮池火等事故場景。②輸氣管道應至少考慮噴射火、蒸氣云爆炸等事故場景。

3.3.4 泄漏速率與泄漏量

①綜合分析管道運行工況、自控系統(tǒng)情況、可能泄漏點位置以及泄漏點與兩側截斷閥高程關系、泄漏持續(xù)時間等因素確定泄漏速率。②綜合分析泄漏速率、可能泄漏點兩側截斷閥之間的管存量、泄漏后截斷閥關閉時間、管道沿線高程等因素確定泄漏量。輸氣管道的泄漏量不應小于可能泄漏點兩側截斷閥之間的管存量。③應考慮可能發(fā)生的最大泄漏量。相關參數(shù)不能準確確定時，可取正常工況下10 min的輸量作為泄漏量。

3.3.5 環(huán)境因素

①液體管道泄漏后，周圍的地形會對泄漏介質的流動或聚集產(chǎn)生較大影響，可根據(jù)地面形狀和性質以及介質物性合理確定液池面積和最小厚度，當缺少合適的數(shù)據(jù)時，液池最小厚度可取典型值10 mm。②當泄漏介質存在進入地下密閉空間可能性時，應合理分析進入地下密閉空間的泄漏介質總量以及在地下密閉空間內可能發(fā)生的事故后果。

根據(jù)目前國內運行的典型原油、成品油、天然氣管道工況，采用中國安全生產(chǎn)科學研究院開發(fā)的CASST-QRA軟件進行計算，本文給出的原油、成品油及天然氣管道應急響應區(qū)建議距離如圖3所示。

圖3 油氣管道應急響應區(qū)建議距離Fig.3 Recommended distance of emergency response zone for oil and gas transmission pipeline

4 區(qū)域控制與管理

結合經(jīng)濟、社會發(fā)展帶來的困擾、事故暴露出的問題以及上述分析結果，為有效控制油氣管道與周邊區(qū)域相互影響，對管道通行區(qū)、規(guī)劃控制區(qū)、應急響應區(qū)提出以下控制和管理建議：

4.1 管道通行區(qū)建議

4.1.1 區(qū)域管控重點

①喬木、灌木、藤類、蘆葦、竹子等根系較深的植物，可能會對石油瀝青類外防腐層造成較為嚴重的破壞，應限制種植，3PE外防腐層雖然受深根植物影響較小，但在管道上方種植深根植物，會影響管道運行維護和應急救援，也應限制種植。②在管道上方修建建(構)筑物或者堆放重物，會使管道長時間承壓，造成管道發(fā)生變形，影響清管器、檢測器的正常通過，同時，修建建(構)筑物或者堆放重物會影響搶險機具和車輛通行，限制作業(yè)面積，應進行限制。

4.1.2 施工前查詢

①在可能鋪設有油氣輸送管道的區(qū)域進行施工前，施工單位和個人應對埋地油氣輸送管道情況進行查詢和確認[19-20]。②確認存在油氣輸送管道的，施工單位和個人應與管道所屬企業(yè)共同制定施工方案，開展施工監(jiān)護，防止管道因施工造成破壞。

4.2 規(guī)劃控制區(qū)建議

4.2.1 區(qū)域管控重點

①醫(yī)院、托兒所、幼兒園、養(yǎng)老院、監(jiān)獄等人群疏散困難的建筑物和居民小區(qū)、學校、娛樂場所、車站、商場、集市、休閑設施等人員密集型建筑物不僅會增加事故狀態(tài)下的應急難度，也會增加管道周邊社會風險，應禁止規(guī)劃。②區(qū)域內如果存在加油站、加氣站、儲油罐、儲氣罐等易燃易爆物品的生產(chǎn)、經(jīng)營、存儲場所，油氣管道在失效發(fā)生火災爆炸事故的情況下，可能會引發(fā)上述場所發(fā)生次生事故，造成更加嚴重的后果，應禁止規(guī)劃。③人口密度是此區(qū)域管控的重點，可將高后果區(qū)情況作為其管控指標，區(qū)域內的規(guī)劃變更或開發(fā)建設活動可能導致油氣輸送管道出現(xiàn)GB 32167-2015第6.1條規(guī)定的Ⅲ級人員密集型高后果區(qū)、或人員密集型高后果區(qū)等級升高、或輸氣管道經(jīng)過的地區(qū)等級升高(參照GB 50251-2015第4.2.2條)時，應進行嚴格控制。

4.2.2 規(guī)劃制定與保持要求

①規(guī)劃過程應充分考慮規(guī)劃與油氣輸送管道的相互影響，規(guī)劃的制定應最大限度地降低管道事故發(fā)生概率和后果嚴重度。②區(qū)內規(guī)劃的相關建筑物、構筑物與油氣輸送管道線路和管道附屬設施的距離應當符合國家法律法規(guī)和技術標準的強制性要求。③應保持規(guī)劃的嚴肅性和連續(xù)性，變更規(guī)劃應充分考慮對油氣輸送管道的影響，并征求各相關方的意見與建議。規(guī)劃變更過程和結果應向社會進行公示。④對于已經(jīng)存在的油氣輸送管道與上述場所、建(構)筑物等共存于規(guī)劃控制區(qū)內的情況，應盡早組織相關各方，根據(jù)國家法律法規(guī)，協(xié)調商談出最佳解決方案，在努力降低對該區(qū)域影響并保障管道安全運行的同時，也應將導致的經(jīng)濟成本降至最低。

4.3 應急響應區(qū)建議

4.3.1 應急管理

①管道企業(yè)應在應急響應區(qū)內開展風險告知活動，識別應急響應區(qū)內的高后果區(qū)，重點做好與人員密集場所和人群疏散困難目標的風險溝通，編制應急聯(lián)絡清單。②經(jīng)過人員密集型高后果區(qū)的油氣輸送管道應安裝泄漏定位系統(tǒng)，有條件的輸油管道還應安裝泄漏量在線檢測系統(tǒng)。③管道企業(yè)應定期對經(jīng)過人員密集型高后果區(qū)的管道進行檢測和風險評價，根據(jù)檢測和風險評價結果采取風險防控措施。④管道企業(yè)應根據(jù)應急響應區(qū)劃定情況，制定應急預案，定期進行應急演練，并根據(jù)演練評估結果對應急預案進行持續(xù)完善。

4.3.2 應急響應分級

①根據(jù)應急響應區(qū)內人員及建(構)筑物的分布情況，確定管道失效應急響應等級。②應急響應區(qū)內存在以下情況的，啟動Ⅰ級響應：a.存在Ⅱ級、Ⅲ級人員密集型高后果區(qū)的；b.存在人群疏散困難或人員密集型場所或設施的；c.泄漏介質存在進入地下密閉空間可能性的。

5 結論

1)油氣管道作為線性基礎設施，與所經(jīng)過周邊區(qū)域存在相互影響，有效控制這些影響是保障油氣管道安全運行和管道周邊公眾生命財產(chǎn)安全的基礎。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計與事故案例分析，歸納了目前油氣管道安全運行面臨的第三方破壞等4方面問題，討論了油氣管道與周邊區(qū)域不同范圍內的相互影響，提出將管道周邊區(qū)域沿管道中心線依次劃分為管道通行區(qū)、規(guī)劃控制區(qū)和應急響應區(qū)。

2)根據(jù)《石油天然氣管道保護法》等法律相關規(guī)定并結合部分地方管道保護和城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃實踐，提出將管道通行區(qū)的范圍設定為管道兩側各5 m，在兩側各一定范圍設定規(guī)劃控制區(qū)(如30～100 m)；提出依據(jù)油氣管道事故后果設定應急響應區(qū)范圍，分析了事故后果計算需要考慮的確定依據(jù)、計算依據(jù)、事故場景、泄漏速率與泄漏量、環(huán)境因素等內容，并建議將應急響應區(qū)的范圍設定為管道兩側至少各200 m。

3)依據(jù)油氣管道與周邊區(qū)域的相互影響、管道保護與城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃面臨的難題以及典型事故暴露出的問題，提出了對管道通行區(qū)、規(guī)劃控制區(qū)和應急響應區(qū)的控制與管理建議，以期有效管控相互影響，保障油氣管道及周邊區(qū)域安全。

4)規(guī)劃控制區(qū)是3個區(qū)域中相互影響最為集中、距離最難設定、控制與管理最為復雜的區(qū)域，主要原因是當前我國經(jīng)濟、社會快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，土地資源價值提高并逐漸變得稀缺，區(qū)域范圍過大將影響土地利用，同時也限制新建管道選擇路由，本文建議充分考慮事故后果影響、結合地區(qū)實際，合理確定區(qū)域范圍，為管道安全運行和區(qū)域發(fā)展留足安全空間，并嚴格執(zhí)行。

5)建議進行立法，通過法律法規(guī)明確對油氣管道周邊區(qū)域的劃分和管理要求，并對已建管道和新建管道進行區(qū)分。相關政府部門和管道企業(yè)應進行商議，確保已建管道風險不再提高，新建管道風險合理可控。