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(xiàn)行國家法律、規(guī)范、標準對管道與周邊人員、建（構(gòu)）筑物之間的安全距離缺乏直接規(guī)定。分析了國外和國內(nèi)的相關(guān)法規(guī)、標準對管道安全距離的規(guī)定以及政府對管道安全監(jiān)管的要求。通過對潛在影響半徑與實際爆炸案例影響范圍的對比分析，以國內(nèi)天然氣長輸干線常用設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，以管口完全斷裂為條件進行假定，計算水平噴射火焰熱輻射通量、瞬時燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場超壓等的傷害半徑，并結(jié)合實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：天然氣長輸管道；安全距離；潛在影響半徑；熱輻射通量；爆炸場超壓

隨著天然氣管網(wǎng)里程增加和時間的推移，建設(shè)期和運行過程中產(chǎn)生的各類缺陷也會逐步累積，綜合作用下導(dǎo)致管道本體可靠性逐步降低。尤其是近年來城鎮(zhèn)化進程的加快，管道核心保護區(qū)及場站周邊的人員活動、建（構(gòu)）筑物數(shù)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，在役天然氣長輸管道因內(nèi)外部原因?qū)е碌男孤�、爆炸事故屢見報端，已�?jīng)成為政府和民眾關(guān)注的焦點之一。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，但縱觀現(xiàn)行法律、規(guī)范、標準，管道與周邊建（構(gòu)）筑物之間的安全距離仍缺乏直接規(guī)定。

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

1  國內(nèi)外管道安全距離法規(guī)標準

1.1  國外管道安全距離法規(guī)標準

（1）美國。《氣體管道聯(lián)邦最低安全標準》并未規(guī)定明確的安全距離數(shù)值要求，而是根據(jù)建筑物和居住人員密度，將管道通過地區(qū)劃分為四個等級，每個地區(qū)等級采用相應(yīng)的強度設(shè)計系數(shù)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(guī)定了油氣管道運營商在管道安全方面的職責(zé)和責(zé)任，但沒有給出具體管道安全距離數(shù)值，對管道安全距離的要求隱含在管道運營商應(yīng)制定詳細的管道和設(shè)備設(shè)施的安全管理程序和文件。例如，每年要求管道運營商編制提交管道安全狀態(tài)調(diào)查報告，可以證明對于所有管道重大風(fēng)險隱患制定并實施了持續(xù)有效的控制方法，可以保證第三方人員不會因為管道建設(shè)運營活動導(dǎo)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(guī)定管道運營商每年提交安全審核材料，證明管道系統(tǒng)安全可靠，其對社會公眾和企業(yè)員工造成的死亡風(fēng)險概率滿足最低合理可行范圍。同樣，未明確具體管道安全距離數(shù)值，而是通過規(guī)定管道設(shè)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(nèi)管道安全距離法規(guī)標準規(guī)定

（1）法律層面。《石油天然氣管道保護法》第十三條規(guī)定管道選線與周邊建（構(gòu)）筑物應(yīng)保持國家技術(shù)規(guī)范強制性要求的“保護距離”；第三十一條規(guī)定管道周邊新建建（構(gòu)）筑物與管道的“距離”應(yīng)符合國家技術(shù)規(guī)范的強制性要求，沒有明確的數(shù)值。第三十條禁止在管道線路中心線兩側(cè)各五米地域范圍內(nèi)修建建（構(gòu)）筑物。管道中心線兩側(cè)各五米的地域范圍是管道保護的核心區(qū)域。其五米規(guī)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)時的車輛通過能力，為管道維搶修提供開挖放坡和堆土空間。

（2）規(guī)范層面。目前國家還沒有制定與《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(guī)范。GB 50251―2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，埋地管道與建（構(gòu)）筑物的間距應(yīng)滿足施工和運行管理需求，且管道中心線與建（構(gòu)）筑物的最小距離不應(yīng)小于5 m。其條文說明解釋該5 m距離的依據(jù)是《石油天然氣管道保護法》第三十條規(guī)定，同時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(shè)計防火規(guī)范》僅對不同等級的天然氣站場和放空管與周邊人員、建（構(gòu)）筑物的間距作出了具體規(guī)定，但其條文說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(guī)范》則是通過地區(qū)等級、潛在影響半徑及管道中心線兩側(cè)各200米等條件來確定高后果區(qū)分級，并非對安全距離的直接規(guī)定。GB/T 34346―2017《基于風(fēng)險的油氣管道安全隱患分級導(dǎo)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(gòu)）筑物安全距離不足，但全文未明確安全距離的具體數(shù)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足其他相關(guān)技術(shù)規(guī)范的強制性要求來界定。

（3）標準層面。國家安監(jiān)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行明確定義，而是直接引入安全距離不足概念并結(jié)合建（構(gòu)）筑物人員密集程度來判斷管道隱患等級。

通過以上分析，可以看出現(xiàn)行法律、規(guī)范、標準對天然氣長輸管道與周邊人員、建（構(gòu)）筑物之間的安全距離并未給出直接的規(guī)定或賦值，而是根據(jù)其設(shè)立的目的從各自的角度對距離進行了限定。現(xiàn)行法律、規(guī)范、標準對管道與周邊人員、建（構(gòu)）筑物距離的相關(guān)規(guī)定見表 1。

表 1 現(xiàn)行法律、規(guī)范、標準對管道與周邊人員、建（構(gòu)）筑物距離的相關(guān)規(guī)定

2  潛在影響半徑與實際爆炸案例影響范圍的對比分析

2.1  潛在影響半徑

上述多個規(guī)范、標準均提到潛在影響半徑這一概念，它是用來確定潛在影響區(qū)域的直接依據(jù)，而潛在影響區(qū)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(qū)域。從這一定義可知，潛在影響半徑可以用來輔助判斷管道泄漏狀態(tài)下周邊人員、建（構(gòu)）筑物是否處于嚴重影響區(qū)域內(nèi)，因此將其作為判斷管道與周邊人員、建（構(gòu)）筑物之間的安全距離條件值得進一步討論。

2.2  潛在影響半徑計算結(jié)果與實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，并與實際案例影響范圍進行比對，結(jié)果見表 2。

表 2 實際爆炸案例影響范圍與潛在影響半徑計算結(jié)果對比表

通過對以上實際案例破壞范圍的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，同時與各案例參數(shù)條件下計算的潛在影響半徑進行對比，可以得出潛在影響半徑計算結(jié)果基本符合定義中嚴重影響區(qū)域的特征。此外，通過案例分析發(fā)現(xiàn)，天然氣管道泄漏后的燃燒除因距離過近被直接燒毀外，還存在因熱輻射、爆炸沖擊波造成的損毀情況，因此，有必要進一步研究噴射火焰熱輻射通量、瞬時燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場超壓的傷害半徑，從而為判斷天然氣長輸管道與周邊人員及建（構(gòu)）筑物之間的安全距離提供參考。

3  噴射火焰熱輻射通量、瞬時燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場超壓計算

天然氣管道發(fā)生泄漏后，根據(jù)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，有必要進一步研究噴射火焰熱輻射通量、瞬時燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場超壓。為保證同等條件下，計算結(jié)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條件的影響，結(jié)合GB/T 34346―2017并以國內(nèi)天然氣長輸管道常用設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，以管口完全斷裂為條件進行假定，即管徑1016 mm、設(shè)計壓力10 MPa、運行壓力9.5 MPa，泄漏孔直徑按規(guī)范取400 mm。

3.1  噴射火焰熱輻射通量計算

天然氣長輸管道多數(shù)埋設(shè)于地表以下，管道發(fā)生泄漏時遇到火源會被直接點燃形成噴射火。按照最不利情形并結(jié)合實踐經(jīng)驗進行假定，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(jù)已知不同目標的熱毀傷閾值進行反算[1]，從而得到水平噴射火的傷害半徑。同時，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(yīng)的傷害半徑[2]，結(jié)果見表 3。

表 3 水平噴射火焰?zhèn)�害半徑計算�?/p>

通過表 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(yīng)保持164 m以上；建（構(gòu)）筑物與水平噴射火的安全距離至少應(yīng)保持95 m以上。

3.2  瞬時燃燒熱輻射通量計算

天然氣管道泄漏后在未被直接點燃的情況下，將與空氣混合形成蒸氣云，當(dāng)天然氣體積占比達到蒸氣云體積的5%～15%之間時，遇到火源將發(fā)生爆炸，該范圍稱為天然氣的爆炸極限范圍。該體積濃度低于5%時不燃燒、不爆炸，高于15%時只燃燒、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10%的部分發(fā)生氣相爆轟[3]。

（1）瞬時泄漏條件判斷。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時消耗的時間 tn =74.858 s，小于180 s，因此該條件滿足瞬間泄漏條件[3]。

（2）瞬時燃燒熱輻射通量。火球中可燃物質(zhì)來源于泄漏點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程中，其體積濃度會被周邊空氣不斷稀釋，當(dāng)體積濃度低于5%時即使遇到火源也不會發(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(shù)、擴散距離等有關(guān)。因此，按照管道內(nèi)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)量顯然是不符合實際的，需要假定泄漏開始至爆炸發(fā)生這一時間段的長度并結(jié)合泄漏速率計算火球中消耗的可燃物質(zhì)質(zhì)量。現(xiàn)實中，從泄漏開始至爆炸發(fā)生這一時間段的長度是不確定的，此處參照天然氣長輸管道截斷閥常用自動關(guān)閉時間180 s進行計算，按照本文設(shè)定條件，得到該段時間內(nèi)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燃燒熱輻射通量 q（r）。同時，采用熱輻射強度準則，對比已知不同目標的熱毀傷閾值，可進一步反算蒸氣云爆炸火球瞬時燃燒熱輻射的傷害半徑，結(jié)果見表 4。

表 4 瞬時燃燒熱輻射傷害半徑計算表

通過表 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(yīng)保持262 m以上；建（構(gòu)）筑物與蒸氣云爆炸火球中心的安全距離至少應(yīng)保持150 m以上。

3.3  蒸氣云爆炸場超壓計算

為了計算蒸氣云爆炸場超壓，需要將發(fā)生爆轟的天然氣質(zhì)量按能量等效原理換算成等效的TNT質(zhì)量，再按TNT標準爆源常用計算式求出爆炸場內(nèi)各點的沖擊波超壓，并根據(jù)計算結(jié)果評估周邊人群和建（構(gòu)）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中心的安全距離至少應(yīng)保持132.22 m以上；建（構(gòu)）筑物與蒸氣云爆炸場中心的安全距離至少應(yīng)保持254.2 m以上。

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

4  結(jié)論及建議

通過以上對潛在影響區(qū)域、噴射火焰熱輻射通量、瞬時燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場超壓等的計算，分別得到了相對應(yīng)的影響（傷害）半徑，結(jié)合實際案例可以得出如下結(jié)論。

（1）客觀分析當(dāng)前天然氣長輸管道常用法律、規(guī)范、標準對距離的規(guī)定，可以看出其對天然氣長輸管道與周邊人員、建（構(gòu)）筑物之間的安全距離并未給出直接的規(guī)定或賦值，而是根據(jù)其設(shè)立的目的從各自的角度對距離進行了限定。

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

（3）天然氣長輸管道與周邊人員、建（構(gòu)）筑物安全距離的確定應(yīng)綜合考慮潛在影響半徑以及水平噴射火焰熱輻射通量、瞬時燃燒熱輻射通量、蒸氣云爆炸場超壓的傷害半徑，通過與實際案例影響范圍進行對比分析，并以管道常用設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)進行理論驗證，結(jié)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）實際案例中存在超出潛在影響半徑計算結(jié)果的情況，但其影響范圍未區(qū)分因建（構(gòu)）筑物密集、風(fēng)向、地形地貌等引發(fā)的次生災(zāi)害，因此對于建（構(gòu)）筑物密集、單一風(fēng)向、植被繁茂等區(qū)域進行安全距離判定時應(yīng)在潛在影響半徑基礎(chǔ)上適當(dāng)增加防控距離或采取隔離措施。

（5）以國內(nèi)天然氣長輸管道常用設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，兼顧考慮可接受損失、避免土地資源過度占用的前提下，建議將天然氣長輸管道與周邊人員、建（構(gòu)）筑物之間安全距離設(shè)定在300 m以內(nèi)，并可根據(jù)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，在天然氣長輸管道的設(shè)計、施工、運行管理、應(yīng)急防范等過程中也可以按照這一方法采取措施預(yù)防較大以上事故。

參考文獻：

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

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

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

作者簡介：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(xiàn)主要從事天然氣長輸管道企業(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業(yè)，現(xiàn)主要從事天然氣長輸管道建設(shè)工作。聯(lián)系方式：13709217336，329151329@qq.com。