李長俊，彭玉霞，吳 瑕

(西南石油大學 石油天然氣工程學院，四川 成都 610500)

0 引言

天然氣計量站主要承擔著計量氣體、檢定儀表、校核標準的工作，因功能需要，同常規(guī)天然氣站場相比，計量站閥門多，檢定中使用桁車頻繁，在對其進行失效后果評價時，需考慮閥門截斷作用對機械損傷事故的影響及桁車失效所引發(fā)的設備跌落事故。目前，常用于天然氣站場的失效后果計算方法[1-3]對此均未予考慮，故不能直接應用于天然氣計量站。而國內(nèi)外尚鮮有研究或公開文獻。針對天然氣計量站特點，提出相應的失效后果計算方法[4-6]。

針對上述問題，基于API 581標準，考慮閥門截斷作用，以管段組儲氣量作為檢定區(qū)域內(nèi)管段失效的最大天然氣泄漏量；針對桁車失效，增設設備跌落事故，以動量定理為依據(jù)，建立故障樹及潛在影響面積計算模型；將影響面積內(nèi)的管段、天然氣、設備、人員等各方面損失折算為經(jīng)濟損失，形成統(tǒng)一的適用于天然氣計量站失效后果計算方法，并將其應用于某天然氣計量站管段后果評價中，驗證該計算方法的可行性和適用性。

1 計量站失效后果分析

天然氣計量站因其自身功能需要，相較于常規(guī)天然氣站場而言，增設了檢定流程，其具體步驟如圖1所示。

在一次常規(guī)的檢定流程中，需充泄壓2次，扭動閥門12次，拆裝管段2次，拆裝儀表2次，需使用桁車等輔助設備對儀表進行搬運。而天然氣計量站的年檢定任務通常超過200臺。相較于常規(guī)天然氣站場而言，計量站檢定工作頻繁，具有管段人員操作頻繁、桁車使用次數(shù)較多的特點。由此可得計量站存在的失效因素可能引發(fā)管段設備機械損傷和設備跌落2類失效事件，如圖2所示。

圖1 檢定儀表流程Fig.1 Verification instrument flow

當流量計跌落時，將分別對管段、人員、設備造成損傷，其中，對管段造成破裂失效，將導致二次事故——天然氣泄漏，該點與管段內(nèi)腐蝕導致的機械損傷事故一致[7-9]。

圖2 計量站失效事故分析Fig.2 Analysis of the failure accident of metering station

2 機械損傷事故失效后果計算方法

天然氣計量站所輸送氣體主要成分為甲烷，管段設備發(fā)生機械損傷時，伴隨著天然氣泄漏，因泄漏孔徑大小、泄漏量及處理方式的不同(是否異地點燃、是否立即點燃)將導致爆炸、噴射火、閃火、安全泄放等4種失效后果類型[10-13]?；贏PI 581，不同失效后果影響面積計算公式如表1所示。

表1 各類失效后果潛在影響面積計算公式Table 1 Formula for calculating the potential impact area of various failure consequences

但對于天然氣計量站而言，因檢定區(qū)域內(nèi)管段組閥門數(shù)量多，一旦發(fā)生天然氣泄漏可立即關閉閥門，使泄漏量僅為管段組儲氣量，故在API 581泄漏量計算步驟的基礎上，將泄漏量最大值定為檢定管段組儲氣量。通過判斷管段是否位于檢定區(qū)域，將檢定管段組儲氣量G2與G1=vt1相比較，得到該泄漏孔徑下的天然氣泄漏量G0，G0=max(G1,G2)。

圖3 天然氣泄漏量計算思路Fig.3 Calculation idea of natural gas leakage

基于API 581標準中失效后果計算公式及衡量指標，結(jié)合計量站相關信息，確定潛在影響面積內(nèi)管段損傷數(shù)、人員傷亡數(shù)及泄露天然氣量，并將資產(chǎn)損失轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟損失。

3 設備跌落事故失效后果計算方法

3.1 事故分析

流量計從高處跌落時，若跌落范圍內(nèi)有天然氣管段，將導致天然氣泄漏；若工作人員處于跌落范圍內(nèi)，將導致人員受傷甚至死亡；而流量計跌落的高度則決定了其損傷程度。設備跌落事故分析如圖4所示。

圖4 天然氣計量站設備跌落事故分析Fig.4 Analysis of equipment falling accident in natural gas metering station

3.2 潛在影響面積計算

考慮一般情況下使用桁車搬運儀表高度較低(<3 m)，所運移的流量計質(zhì)量較大的情況，以標準《高處作業(yè)分級》 (SY/T 3608—2008)為基礎，初步確定流量計發(fā)生設備跌落時，事故潛在影響面積半徑R=3 m。

一旦發(fā)生設備跌落事故，因所搬運的流量計及其組件質(zhì)量通常超過100 kg，當流量計從高處跌落，造成的沖擊力>1 000 N，基于沖擊力學，結(jié)合常溫下工業(yè)管段許用應力，對管段造成的失效形式為破裂。

1)泄漏量的計算

若流量計跌落時對輸氣管段無影響，天然氣泄漏量為0；若造成了多條輸氣管段破裂，需考慮檢定區(qū)域管段組的儲氣量。

(1)

式中：n為破壞管段數(shù)；vi為第i條管段發(fā)生破裂時的泄漏速度，m/s；t為泄漏時間，s；G2為檢定管段組儲氣量，m3。

2)潛在影響面積的計算

將泄漏量代入API 581標準中相關公式，得到設備跌落事故造成的潛在影響面積。

3.3 損失金額計算

基于事故的潛在影響面積計算結(jié)果，結(jié)合計量站相關信息，確定潛在影響面積內(nèi)損傷管段數(shù)、人員傷亡數(shù)、泄露天然氣量及設備損傷數(shù)。

1)管段損傷金額

位于潛在影響面積內(nèi)的所有管段均會受到損傷?；谟嬎闼脻撛谟绊懨娣e，結(jié)合計量站管段具體位置，及計量站管段購置單價，即可得到管段損傷金額MP。

(2)

式中：n為波及的管段總數(shù)；mi為波及的第i條管段的原值。

2)人員傷亡賠償金額

當流量計從高空跌落，會對流量計下方的人員造成傷亡；若未砸傷人、砸傷管段，導致天然氣泄漏，基于API 581標準中機械損傷事故分析，亦會對人員造成傷亡。

建筑工程技術(shù)在建造建筑的同時非常注重環(huán)保，隨著社會的飛速進步，環(huán)境的污染已然成為人類的首要問題。而建筑工程技術(shù)的運用則有效降低了環(huán)境的污染速度，雖不能從根本上治污，但建筑師們所采用的環(huán)保型材料有效抑制了污染的加劇。最常見的就是建筑節(jié)能技術(shù)的應用，遵循氣候設計，對建筑整體劃分區(qū)域，對外界條件因素，如風向、太陽輻射等的研究，設計出環(huán)保，低耗能的建筑，完全符合環(huán)保標準，人們不論是在建筑內(nèi)工作、學習或是生活，都保證了建筑內(nèi)最清潔的空氣排放以及最節(jié)省的能源消耗，對人們的健康與身心都是一種保養(yǎng)。

從設備跌落砸傷及天然氣泄漏事故間接造成的人員傷亡2方面考慮，基于當?shù)厝藛T工傷賠付準則、社平工資及本人工資，確定死亡、重傷、輕傷的賠償金額；分別與傷亡人數(shù)相乘，得到管段發(fā)生機械損傷事故造成的人員傷亡金額。

表2 人員傷亡賠償表Table 2 Casualty Compensation form

3)天然氣泄漏金額

將天然氣單價mgas與天然氣泄漏量G0相乘，即可得到天然氣泄漏金額。

MT=mgasG0

(3)

4)設備賠償金額

在流量計跌落過程中，是否受到損傷，主要取決于流量計跌落時的高度。

將流量計從高處跌落至地面視為非彈性碰撞的自由落體運動，結(jié)合沖擊力學及彈塑性力學及流量計材料的許用應力[14-15]，考慮流量計及其組件質(zhì)量>100 kg，通過撞擊力計算公式I=mv可得，當流量計跌落高度≥1 m時，設備將會受到損傷，基于此建立設備損傷故障樹。

圖5 設備損傷分析Fig.5 Analysis diagram of equipment damage

結(jié)合流量計跌落高度及設備原值，對損傷流量計進行統(tǒng)計，得到設備跌落事故造成的設備賠償金額MS。

將以上計算金額相加，即可得到管段發(fā)生設備跌落事故時，造成的后果：

M=MP+MR+MT+MS

(4)

4 應用實例

4.1 計量站詳情

某天然氣計量站位檢定用氣體為甲烷，檢定壓力5.0～9.0 MPa，檢定臺儲氣量為670.31 m3。本文以檢定區(qū)域內(nèi)距離桁車搬運路線最近管段(長度為4.4 m，檢定口徑為DN300)為例，計算該管段的失效后果。

4.2 失效后果計算

基于API 581標準中機械損傷事故及本研究的設備跌落事故失效后果計算方法，通過計算事故發(fā)生造成的管段、人員、天然氣、儀表賠償損失金額，得到計量站不同失效事故造成的后果。

1)機械損傷事故

采用各類失效后果模型計算公式，可得到該管段發(fā)生小孔、中孔、大孔、破裂時，各類失效后果潛在影響面積，如表3所示。

表3 失效后果潛在影響面積Table 3 Potential impact area of failure consequences

結(jié)合API 581標準中推薦DN300管段發(fā)生各類孔隙的失效概率，該管段發(fā)生天然氣泄漏事故潛在影響面積：

S1=99.99 m2

檢定區(qū)域管段組的儲氣量為機械損傷事故泄漏量為670.31 m3。

因計量站地處郊區(qū)，周邊居民較少，僅在檢定儀表時，檢定區(qū)域內(nèi)才會出現(xiàn)人員，無人員傷亡；結(jié)合該計量站周邊實際情況，損傷管段共8條，各管段編號及原值如表4所示。結(jié)合管段、人員、天然氣賠償單價，確定該管段發(fā)生機械損傷事故時需賠償金額。

對于機械損傷事故，天然氣泄漏損失金額M1T為0.178萬元；人員傷亡等級賠償金額M1R為0；管段損失金額M1P為133.50萬元；損失總金額M1為以上3項損失之和即133.68萬元。

2)設備跌落事故

該管段位于流量計跌落范圍內(nèi)，一旦發(fā)生設備跌落事故，該管段將破裂失效。由表3可得，其造成的二次事故(天然氣泄漏)潛在影響面積S2為249.85 m2。

結(jié)合計量站管段設備具體分布位置及設備原值，可知潛在影響面積區(qū)域內(nèi)損傷管段共16條，各管段原值及管段賠償總額如表4所示；該計量站儀器儀表拆裝人員配置為4人1組，發(fā)生跌落事故時，將直接造成4人死亡；結(jié)合管段、人員、天然氣賠償單價，確定該管段發(fā)生設備跌落事故時需賠償金額。

表4 設備跌落事故損傷管段信息Table 4 Equipment drop accident damage pipe section information

管段損失金額M2P為2 018.09萬元；人員賠償金額M2R=58.74×4=234.96萬元；天然氣泄漏損失金額M2T=670.31×0.266×0.001=0.178萬元；設備賠償金額M2S=9.86萬元。將上述4項賠償金額相加，得到流量計從高空跌落造成的金額損失總額M2為453.09萬元。

通過對DN300管段失效后果分析可得，機械損傷事故金額為133.68萬元，設備跌落事故損失金額為453.09萬元，增設的設備跌落事故造成的金額損失接近機械損傷事故的3倍，當考慮設備跌落事故造成的損失金額，該管段的風險等級從低級上升為中低級。

5 結(jié)論

1)現(xiàn)有的天然氣站場失效后果評價標準因計量站檢定流程中存在大量的閥門及桁車操作，不能直接應用于天然氣計量站，需要考慮閥門截斷作用對機械損傷事故的影響以及桁車失效引發(fā)設備跌落事故的影響。

2)在API 581標準的基礎上，將管段組儲氣量作為天然氣計量站發(fā)生機械損傷事故時天然氣泄漏量的最大值，并據(jù)此對天然氣泄漏量計算公式進行了改進。

3)在常規(guī)天然氣站場失效后果所考慮的機械損傷事故基礎上，增設了設備跌落事故，建立了該事故的潛在影響面積計算模型，并將影響面積內(nèi)損傷的管段及設備、泄漏的天然氣、傷亡的人員等折算為經(jīng)濟損失，建立了考慮設備跌落的天然氣計量站失效后果計算方法。該方法可為天然氣計量站失效后果評價提供理論支撐。