氣田集輸系統安全性量化分析

楊錦林 李連群

1中國石化西南油氣分公司采氣一廠

2新疆油田公司風城油田作業區

天然氣屬于易燃易爆物，天然氣開采屬于重點防火防爆行業，隨著安全技術規范的全面發布，各個氣田普遍存在采氣、集氣工程建設項目安全距離不足的問題。產生安全距離不足的原因多種多樣，有的是早期地面工程建設不規范造成的遺留問題，有的是場內地面工程改建、擴建、工藝調整而引發的；但是檢查出安全距離不足是否需要整改以及怎么整改，則成為很多采氣生產單位棘手的問題。在油氣管道建設的安全保證方面，各國理念也不相同。歐美國家的原則是嚴格控制管道集氣構建的強度和嚴密性[1]，用控制管道的強度來確保管線系統的安全，因此美國ASME B31.1—2016《動力管道》和加拿大CSA Z662—2007《油氣管道系統》都沒有對管道與建筑構物的距離做出規定。加拿大Alberta省能源保護委員會（Energy Resources Conservation Board，ERCB）針對含硫化氫天然氣集輸管道公眾安全防護距離分級標準制定了專門規定，含硫化氫管道，只要其硫化氫泄漏量小于300 m3，管道兩側搬遷距離滿足管道建設用地即可[2]。國內現行業標準既在一定程度上考慮了管道強度系數，也考慮了安全距離。

管道一旦出現不符合標準規范的安全距離，如何評價管道的安全性，目前沒有統一的規定，而按照風險分析的一些方法（如天然氣擴散高斯模型、噴射火危害模型、蒸氣云爆炸模型[3-4]），都存在一些假設條件，參數多、取值難，不適合大多數生產企業的現場應用。按照這些模型的計算結果，安全距離通常很大[5-7]，現場整改幾乎無法實施。國內也有一些學者認為，單純靠距離防護，不能從根本上消除風險[8]。因此，本文從管道工況壓力變化、壁厚余量、天然氣流量、安全距離等安全因子方面，綜合地提出量化安全系數Fs的方法，并結合泄漏擴散試驗成果，分析了出現安全距離不足問題的整改必要性。

1 安全性系數

天然氣管道的安全距離是基于管道泄漏火災或者爆炸的假設提出的，國內有很多文獻對天然氣火災危險性[9-10]、安全距離的有關規定進行了分析研究，但很少有對工況變化后的安全性進行分析研究的報道，更沒有量化評價安全性的文獻。

在地面建設項目中，管道的安全性通常由4個環節予以保證：①設計時充分考慮強度設計系數；②管道壁厚選擇時，根據成品管道的規格，通常選擇管道壁厚大于設計計算壁厚；③管道建設期間進行強度試壓和嚴密性試驗；④實際運行中，隨工況環境的變化，管道運行壓力遠遠小于設計壓力。

根據GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》[11]中壁厚計算公式進行管道壁厚設計時，要參考所在地區等級選擇強度設計系數。強度設計系數介于0.4～0.8，也就是說，通常在管道設計時，計算管道強度是所需管道強度的1.25～2.5倍。

式中： δ為管道設計壁厚，mm； p為設計壓力，MPa； D為管道外徑，mm； σs為鋼管標準規定的最小屈服強度，MPa；φ為焊縫系數；F為設計強度系數；t為溫度折減系數，當溫度小于120℃時，取值1.0。

在具體選擇成品管道時，管道壁厚并不完全與計算壁厚一致，通常做法是選擇大于并最接近計算壁厚的管道。例如川西氣田某集氣管道，管徑為273 mm，鋼級為20#，壓力為4.0 MPa，直管計算壁厚為5.57 mm，熱煨彎頭計算壁厚為5.88 mm，在設計時選擇7.0 mm的壁厚。這相當于在設計強度系數取值的基礎上，進一步增加了管道強度。

除此以外，多數管道在實際投入運行后，實際運行的壓力、輸氣量都會小于設計壓力和設計輸氣量，但如何量化評價安全距離不足引起的風險嚴重程度是一個比較棘手的問題。為此提出一個安全性系數Fs的概念，將其定義為運行工況安全性與設計安全性的比值，公式表示為

式中：Fd為距離因子，即實際安全距離與標準規范要求距離之比；Fp為壓力因子，即設計壓力與實際運行壓力之比；Fδ為壁厚因子，即管道實際壁厚與設計壁厚之比；Fq為流量因子，即設計流量與實際流量之比，反映危險物質量的因素。

按照規范設計要求Fs=1，如果實際運行中安全距離小于規范的要求，即距離因子Fd＜1，安全風險將增加，只有通過降低運行壓力，使管道壁厚大于設計計算壁厚，降低管道介質流量，管道的安全性才能有所改善。因此按照公式（2），如果Fs＞1，表明安全性提高了，距離不足的問題可以不做整改；如果Fs＜1，安全性則降低了，應進行整改或采取其他更經濟的控制措施來降低風險。

將公式（2）中各個因子變換為可以實際測量的參數，安全系數Fs可以表達為

式中：Ld、Lf分別為規范中的設計安全距離、實際工況安全距離，m； pd、pf分別為管道設計壓力、實際運行壓力，MPa； δd、δf分別為管道設計壁厚、實際壁厚，mm；qd、qf分別為管道介質設計流量、實際流量，104m3/d；

利用公式（3）可以量化計算出安全距離不足時，實際運行工況下和標準設計情況下建設項目的具體安全狀況。

2 天然氣泄漏擴散距離

氣田地面建設項目設置安全距離的主要目的是防止天然氣泄漏后引發爆炸，避免火災事故危害人員生命及財產。引發火災、爆炸事故的條件是天然氣濃度（體積分數，下同）達到火災爆炸下限或遇到明火。文獻[3]指出，部分規范的安全防護距離的確定缺少理論研究的支撐和實踐的驗證，憑經驗確定的情形較多，各國安全防護距離的規定差異也較大。

中石化西南油氣分公司天然氣泄漏擴散距離試驗研究正是以此為目的，2016年10月建設500 m管道專門研究天然氣泄漏擴散距離（圖1）。試驗井天然氣生產率為0.6×104m3/d，下游管網輸氣量為6×104m3/d。

圖1 泄漏試驗現場管道布置Fig.1 Pipeline photo of general leak test site

試驗采用2種方式觀察天然氣擴散：一是以泄漏點為中心，在各個圈層布設可燃氣體檢測儀，檢測可燃氣體濃度；二是應用氣體成像儀，觀察氣體擴散云圖（圖2）。

圖2 天然氣泄漏擴散云圖Fig.2 Natural gas leakage diffusion cloud

2.1 地面管道正上方泄漏

試驗用針型閥控制泄漏速度，用氣體成像儀和各圈層可燃氣體檢測儀研究泄漏速度與擴散范圍的關系。氣體成像儀可直觀地反映出天然氣泄漏擴散的形態、過程。從拍攝的泄漏天然氣云圖可以看出，地面管道正上方發生泄漏時，泄漏速度比較小時泄漏點根部的擴散范圍大于泄漏速度較大時根部的擴散范圍（圖2），與可燃氣體檢測儀檢測結果一致。

從可燃氣體檢測儀檢測的數據（表1）可以看出，當泄漏速度小于或等于0.2×104m3/d時，地面高度2.0 m之內（下同）、平面上8 m范圍內可以檢測到可燃氣體。當泄漏速度繼續增大，地面擴散范圍逐步縮小，當泄漏量大于1×104m3/d時，5 m范圍以外已不能檢測到泄漏氣體。

表1 地面管道泄漏速度與可燃氣體檢測儀檢測結果Tab.1 Leakage velocity of surface pipeline and detection results of flammable gas detector

2.2 地面管道側向泄漏

將泄漏孔開向側面，與地面夾角小于15°，模擬管道側向泄漏?？扇細怏w檢測儀檢測的數據（表2）表明，泄漏速度越大，擴散范圍越小，最大擴散距離可以達到10 m。

表2 管道側向泄漏速度與可燃氣體檢測儀檢測結果Tab.2 Leakagevelocityofpipelinesidedirection and detection resultsofflammablegasdetector

2.3 埋地管線泄漏擴散范圍

埋地管道泄漏試驗中泄漏速度與可燃氣體檢測儀檢測數據（表3）表明：在8 m范圍內，地面檢測天然氣濃度與泄漏速度呈正相關關系；泄漏速度在1×104m3/d的范圍內，埋地管線的擴散范圍與泄漏速度呈正相關關系，最大可擴散至17 m，當泄漏速度達到1.1×104m3/d時，埋地管線的覆土被完全沖破，泄漏模式與地面管線泄漏一致。

表3 埋地管道泄漏速度與可燃氣體檢測儀檢測結果Tab.3 Leakage velocity of buried pipeline and detection results of flammable gas detector

從表1～表3數據可以看出，無論泄漏速度大小，在5 m以外可燃氣體最大濃度都小于天然氣爆炸下限（5%），地面管道側向泄漏的最大擴散距離為10 m，埋地管道泄漏的最大擴散距離為17 m。因此，站場內管道采用地面敷設，更有利于觀察泄漏和控制擴散范圍。地面管道安全防護距離可以參考其最大擴散距離。

3 風險削減措施

3.1 風險削減判斷

根據前面的泄漏試驗成果和安全系數量化計算結果，可以對安全距離不足問題是否需要整改和如何整改進行判斷（圖3）。圖3所示技術路線，既充分考慮到整改的經濟性，也考慮到整改的必要性，同時也能兼顧整改的實施難度。

圖3 風險削減判斷技術路線Fig.3 Technical line of risk reduction judgement

3.2 具體措施

風險削減具體措施主要是從降低事故發生的概率和降低事故危害后果嚴重性兩個方面進行。

降低事故發生概率是指加強管道強度、加強預警及采取預防性的措施，包括：①改建管道，增加壁厚提升安全系數；②降低管道運行壓力；③加強禁火并采用防爆電器；④管道定期檢測與維護維修，提升泄漏預判水平。

降低事故危害后果嚴重性是指假設泄漏發生后，快速處置和避免人身傷害發生的措施，包括：①降低管道輸送量；②增加可燃氣體檢測儀，與檢測機構連鎖；③將埋地管道改地面敷設，使擴散距離更小，地面擴散最大為10 m；④增加安全距離以達到規范要求；⑤密閉和受限空間改造為露天環境，避免天然氣聚集；⑥增加防爆隔離墻等。

4 現場應用

2015年川西氣田安全檢查中，SF氣田MP53增壓脫水站檢查出4項安全距離不足（表4）問題，每一處整改都具有極大的難度，按照本文的評價方法和規范準則，對4項安全距離不足問題進行風險分析（表5）。

從表4和表5可以看出，1#計算安全系數Fs為3.8，結合泄漏擴散試驗結果，該問題可以不做整改；2#～3#由于工況變化很大，井口裝置設計運行壓力35 MPa，實際運行壓力0.6 MPa，壓力因子達到58，計算安全系數Fs分別為196、164（采氣樹壁厚因子取1.0），這兩項可以不進行距離整改；而4#雖然計算 Fs為2.36，但安全距離（2.5 m）與規范要求（12 m）相比少得太多，并且小于地面天然氣泄漏試驗擴散范圍，建議進行安全距離整改以達到規范要求，或者空壓機及其配電產品整改為防爆產品，并在空壓機與天然氣管道間增加可燃氣體檢測儀，提升預警預判及應急處置速度。

表4 MP53增壓脫水站現場檢查安全距離不足問題匯總Tab.4 Problem summary of insufficient safety distance at MP53 Pressurized Dehydration Station

表5 MP53增壓脫水站安全距離不足問題的風險分析與削減措施Tab.5 Risk analysis and reduction measures of MP53 Pressurized Dehydration Station's insufficiency in safety distance

5 結論

安全距離不滿足規范要求是一種表象，通過比較實際運行工況與規范設計，對氣田集輸系統安全性評價得出以下認識：

（1）從距離、強度、壁厚余量、流量4個方面對安全性進行量化比較，這是一種較好的量化風險分析方法。

（2）采取風險削減措施，除了可以從量化比較的4個方面進行風險削減以外，還可以考慮預警、預測、連鎖等，降低風險治理難度。