鞏忠領(lǐng)(深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東深圳518049)

1 概述

2017年12月15日，國家安全監(jiān)管總局、國家發(fā)改委、國土資源部、住建部、交通運(yùn)輸部、國務(wù)院國資委、國家質(zhì)檢總局、國家能源局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)油氣輸送管道途經(jīng)人員密集場所高后果區(qū)安全管理工作的通知》(安監(jiān)總管三[2017]138號)，要求突出加強(qiáng)油氣輸送管道途經(jīng)人員密集場所高后果區(qū)安全管理工作。通知強(qiáng)調(diào)，各有關(guān)企業(yè)要及時(shí)準(zhǔn)確掌握人員密集高后果區(qū)狀況，落實(shí)主體責(zé)任，有效防控安全風(fēng)險(xiǎn)。通知要求，各有關(guān)部門要認(rèn)真落實(shí)油氣輸送管道保護(hù)和安全監(jiān)管職責(zé)分工，按照歸口管理、分級負(fù)責(zé)的原則，充分考慮油氣輸送管道輸送介質(zhì)的易燃易爆特性，依法加強(qiáng)涉及大口徑、高壓力油氣輸送管道項(xiàng)目的可行性論證和審核，認(rèn)真管好人員密集型高后果區(qū)存量，嚴(yán)格控制人員密集型高后果區(qū)增量。

為此，深圳市安委辦結(jié)合深圳市的具體情況，出臺了《關(guān)于涉及油氣管線等危險(xiǎn)化學(xué)品場所建設(shè)項(xiàng)目安全評價(jià)工作指引》(深安辦[2019]2號)，明確提出了城鎮(zhèn)次高壓燃?xì)夤艿纼蓚?cè)100 m范圍內(nèi)、高壓燃?xì)夤艿纼蓚?cè)200 m范圍內(nèi)需以安全評估替代綜合分析，以期控制油氣管道周邊建設(shè)活動，降低隱患風(fēng)險(xiǎn)等級。在市安委辦相關(guān)文件指引的基礎(chǔ)上，涉及城市建設(shè)的方方面面均需要做出詳細(xì)的安全評估，才能獲得政府規(guī)劃部門的正式批文。但是，由于高后果區(qū)增量及其控制辦法沒有明確的量化依據(jù)，相關(guān)工作推動極為緩慢，在一定程度上雙重制約著油氣管道和周邊項(xiàng)目的建設(shè)。

深圳市地處中國華南沿海，經(jīng)濟(jì)總量和人口密度均處于國際、國內(nèi)前列，其土地資源短缺情況日益凸顯。深圳市規(guī)劃與國土資源委員會曾專門出臺《深圳市橙線管理規(guī)定》約束高壓油氣管道周邊項(xiàng)目建設(shè)，但未正式對外發(fā)布。隨著近年來國家對城市公共安全的重視程度日益提升，出臺的辦法更加嚴(yán)格，由于給出的評估指標(biāo)相對模糊，在某種程度上束縛了城市化進(jìn)程速度。尤其是八部門聯(lián)合文件的出臺，高后果區(qū)增量及其控制問題，在國內(nèi)未形成一個可以參照的量化指標(biāo)，政府相關(guān)職能部門在審批管道周邊建設(shè)項(xiàng)目時(shí)，沒有明確可參照執(zhí)行的量化標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致周邊項(xiàng)目一度停滯，嚴(yán)重浪費(fèi)了社會資源。本文從定性和定量角度分析高后果區(qū)增量，形成明確的、可參照執(zhí)行的審批原則，助力相關(guān)部門快速有效地進(jìn)行項(xiàng)目決策審批工作。

2 高后果區(qū)和人員密集地區(qū)相關(guān)定義

① 高后果區(qū)

關(guān)于高后果區(qū)比較權(quán)威的有GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》(以下簡稱GB 32167—2015)，其定義為：高后果區(qū)指管道泄漏后可能對公眾和環(huán)境造成較大不良影響的區(qū)域。該標(biāo)準(zhǔn)給出了高后果區(qū)的識別準(zhǔn)則，對于輸氣管道，其識別準(zhǔn)則有6條，滿足其中1條即為高后果區(qū)。

識別高后果區(qū)時(shí)，高后果區(qū)邊界設(shè)定為距離最近一幢建筑物外邊緣200 m，高后果區(qū)分為三級，I級代表最小的嚴(yán)重程度，III級代表最大的嚴(yán)重程度。深安辦[2019]2號文提出的高后果區(qū)增量，未明確既有高后果區(qū)等級變化，可否列為增量。

高后果區(qū)一詞的系統(tǒng)闡述，出現(xiàn)于GB 32167—2015，評判出高后果區(qū)的目的在于幫助油氣企業(yè)實(shí)施管道完整性管理。而完整性管理的目的在于將風(fēng)險(xiǎn)控制在合理、可接受的范圍內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行管道。

② 人員密集情況及其定義

《消防法》給出了人員密集場所的定義，指公共聚集場所，醫(yī)院的門診樓、病房樓，學(xué)校的教學(xué)樓、圖書館、食堂和集體宿舍，養(yǎng)老院、福利院、托兒所、幼兒園，公共圖書館的閱覽室、公共展覽館、博物館的展示廳，勞動密集型企業(yè)的生產(chǎn)加工車間和員工集體宿舍，旅游、宗教活動場所等。

GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡稱GB 50016—2014)規(guī)定的人員密集的公共建筑主要指：設(shè)置有同一時(shí)間內(nèi)聚集人數(shù)超過50人的公共活動場所的建筑。如賓館、飯店、商場、市場、體育館、會堂、公共展覽館的展覽廳、證券交易廳、公共娛樂場所、醫(yī)院的門診樓、病房樓、養(yǎng)老院、托兒所、幼兒園、學(xué)校的教學(xué)樓、圖書館和集體宿舍、公共圖書館的閱覽室、客運(yùn)車站、碼頭、民用機(jī)場的候車、候船、候機(jī)廳(樓)等。

關(guān)于人員密集場所的防火措施，GB 50016—2014對建筑物內(nèi)部情況結(jié)構(gòu)給予了明確的規(guī)定，例如規(guī)定了疏散門、疏散走道、疏散樓梯的寬度，以及每100人的最小疏散凈寬度，相關(guān)規(guī)定具備較強(qiáng)的可實(shí)施性，從建筑物本體結(jié)構(gòu)角度給出了可行的量化方案。因此，人員密集場所從自身結(jié)構(gòu)角度可以找出合理的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)措施，高壓燃?xì)夤艿栏吆蠊麉^(qū)增量的變化就落實(shí)到了人員數(shù)量上。

3 地區(qū)等級劃分及泄漏原因后果分析

3.1 地區(qū)等級劃分

GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱GB 50028—2006)和GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱GB 50251—2015)均有地區(qū)等級劃分的描述，2個標(biāo)準(zhǔn)劃分地區(qū)等級的原則基本一致，僅局部存在不一致。GB 50028—2006關(guān)于地區(qū)等級的描述僅限于壓力大于1.6 MPa的室外燃?xì)夤艿?，任意劃分長度為1.6 km；而GB 50251—2015則是針對所有長輸燃?xì)夤艿雷龀龅膭澐?，任意劃分長度為2.0 km。相類似地，在地區(qū)等級劃分的具體方法上，城鎮(zhèn)燃?xì)獾娜≈迪孪薷臃铣擎?zhèn)的實(shí)際情況和有利于安全；強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)選取上，對于三級和四級地區(qū)，GB 50028—2006給出了更加嚴(yán)格的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)。

城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿篮烷L輸燃?xì)夤艿缽?qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)對比見表1?？梢钥闯觯擎?zhèn)高壓燃?xì)庠诟吆蠊麉^(qū)問題上采取了更加謹(jǐn)慎的措施，以確保城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿雷陨戆踩椭苓吔?gòu)筑物安全。

表1 城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿篮烷L輸燃?xì)夤艿缽?qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)對比

基于地區(qū)等級給定燃?xì)夤艿缽?qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)后，對燃?xì)夤艿琅c周邊建構(gòu)筑物的凈距給出了明確的可量化執(zhí)行的參數(shù)。同時(shí)，GB 50028—2006條文解釋中對凈距要求給予了詳細(xì)的描述。凈距的控制，并非是說建構(gòu)筑物與燃?xì)夤艿辣３至艘?guī)范要求的凈距，就一定能夠確保事故狀態(tài)下建構(gòu)筑物的安全，而是為了給燃?xì)夤艿懒粲凶銐虻木S搶修空間。這也說明強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)更高的燃?xì)夤艿溃渚S修所需設(shè)備占地越大，管道自身遭受破壞的可能性越低。

因此，無論長輸燃?xì)夤艿肋€是城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿溃湎嚓P(guān)規(guī)范給定的凈距只是滿足運(yùn)行管理的最低要求，而不是安全要求。那么，高壓燃?xì)夤艿篮椭苓吔?gòu)筑物的安全間距該如何確定，國內(nèi)相關(guān)規(guī)范給予了一些典型方法。但是，國內(nèi)關(guān)于油氣管道的隱患分級理論，一般是圍繞周邊建構(gòu)筑物對管道的影響開展的，因此，關(guān)于高后果區(qū)的增量問題，也宜以此開展。

國內(nèi)涉及油氣管道隱患分級的相關(guān)理論，以GB/T 34346—2017《基于風(fēng)險(xiǎn)的油氣管道安全隱患分級導(dǎo)則》給定的方法比較權(quán)威，該方法也是安全評價(jià)單位選擇運(yùn)用較多的一種方法。該導(dǎo)則強(qiáng)調(diào)的“隱患”僅包括占壓、間距不足，不滿足規(guī)范要求的交叉、并行(含穿跨越)，地質(zhì)災(zāi)害和管道本體及附屬設(shè)施缺陷。因此，除上述缺陷外，可以認(rèn)為：一般情況下，在消除上述隱患條件之后，在相關(guān)規(guī)范給定的維搶修間距滿足時(shí)，油氣管道的平穩(wěn)運(yùn)行是可控的。管道對周邊建構(gòu)筑物的影響，主要是極端條件下，管道發(fā)生局部泄漏時(shí)，對周邊人員的影響。

3.2 管道泄漏原因分析

油氣管道發(fā)生泄漏原因很多，包括管道內(nèi)外腐蝕、材料缺陷、第三方施工破壞等[1-3]。對于當(dāng)代油氣管道管理企業(yè)，管道因?yàn)閮?nèi)外腐蝕和材料缺陷發(fā)生泄漏的概率可以忽略。唯一能夠影響油氣管道本體安全的事故是第三方施工過程中的機(jī)械挖掘、勘探等，這類事故發(fā)生的概率，不僅考驗(yàn)油氣管道管理企業(yè)現(xiàn)場管理水平，也與當(dāng)?shù)卣畬こ淌┕せ顒拥谋O(jiān)管程度有著直接關(guān)系，具有突發(fā)性，且是唯一能夠構(gòu)成較大危害的情況。第三方破壞(施工破壞)引起的失效事故率為36%，腐蝕引起的失效事故率為25%[4]。這為評估油氣管道對周邊建構(gòu)筑物的影響提供了思路：在管道實(shí)施有效陰極保護(hù)和智能檢測的基礎(chǔ)上，可以保證管道不會因腐蝕而失效，則在管道運(yùn)行期僅需要以第三方破壞(施工破壞)作為主要研究對象，即可有效控制高后果區(qū)增量。

根據(jù)深圳市內(nèi)管道破壞事故分析，進(jìn)入城鎮(zhèn)的油氣管道一般敷設(shè)在市政道路上，城區(qū)第三方施工能夠造成較大影響的主要有管道上方機(jī)械開挖和鉆探。以深圳市高壓輸配系統(tǒng)為例，管道選用L450MB材質(zhì)管線鋼，其屈服強(qiáng)度為450 MPa，據(jù)此我們可以得出第三方施工沖擊管道破壞，需要的應(yīng)力應(yīng)不小于450 MPa，機(jī)械設(shè)備與管道接觸的有效面積和屈服應(yīng)力的乘積視為機(jī)械破壞管道所需施與管道的當(dāng)量力。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市政道路上施工的機(jī)械設(shè)備，其正常工作輸出功率傳達(dá)至管道，難以對管道造成實(shí)質(zhì)性損壞，即機(jī)械沖擊L450MB材質(zhì)、壁厚19.1 mm鋼質(zhì)管道，不會從本質(zhì)上破壞燃?xì)夤艿馈Ｄ軌蛟斐晒艿佬孤┑奈ㄒ辉O(shè)備，就是管道周邊實(shí)施的鉆探，這為管道管理提供了清晰的思路。

3.3 管道泄漏后果

① 火災(zāi)、爆炸事故后果分析方法

火災(zāi)、爆炸事故后果分析方法中，比較成熟的有美國機(jī)械工程師協(xié)會(American Society of Mechanical Engineers，ASME)制定的ASME B31.8S—2016《輸氣管道系統(tǒng)完整性管理》(以下簡稱ASME B31.8S—2016)準(zhǔn)則、美國石油學(xué)會(American Petroleum Institute，API)制定的API 581—2016《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測技術(shù)》(以下簡稱API 581—2016)準(zhǔn)則和20世紀(jì)70年代由美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室(NOL)和彈道實(shí)驗(yàn)室(BRL)制定的超壓-沖量破壞模型。這3種火災(zāi)、爆炸事故后果分析方法優(yōu)缺點(diǎn)比較如下。

a.ASME B31.8S—2016準(zhǔn)則可以根據(jù)熱輻射閾值估算人員傷害和設(shè)備損傷情況。計(jì)算簡明、便捷，便于現(xiàn)場操作人員估算人員和設(shè)備的傷害面積。但是評價(jià)影響區(qū)域方程中僅包含管徑和壓力兩個參數(shù)，考慮因素不夠全面。

b.API 581—2016準(zhǔn)則采用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測技術(shù)對失效后果進(jìn)行分析，在風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上建立設(shè)備單元的相對排序，評價(jià)步驟清晰簡明，應(yīng)用范圍廣，適用于各種設(shè)備的泄漏情形，同時(shí)考慮泄漏尺寸的不連續(xù)性和泄漏速率等因素，確定了瞬時(shí)泄漏和持續(xù)泄漏兩種泄漏類型。但是其劃分危險(xiǎn)區(qū)域不夠詳細(xì)，只給出了潛在的影響面積，未考慮各種傷害程度下人員和設(shè)備的傷害情形。同時(shí)，由于評價(jià)結(jié)果是事故的潛在后果區(qū)，還包括火災(zāi)后果，因此評價(jià)結(jié)果較為保守。

c.超壓-沖量破壞模型對爆炸后果進(jìn)行了詳細(xì)分區(qū)，可對人員和設(shè)備的傷害破壞情況進(jìn)行全面評價(jià)，方便事故現(xiàn)場人員確定事故影響區(qū)域和安全距離。但是當(dāng)中提到的TNT當(dāng)量模型具有一定的局限性，蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù)取值范圍較寬，不同取值對分析結(jié)果影響較大。

對比以上3種分析方法和模型的優(yōu)缺點(diǎn)，燃?xì)夤艿佬孤┗馂?zāi)、爆炸事故后果分析分別以ASME B31.8S—2016準(zhǔn)則和超壓-沖量破壞模型為依據(jù)，在計(jì)算方法上結(jié)合各分析方法做一定的優(yōu)化處理。

② 氣體泄漏速率

結(jié)合深圳市城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿乐苓呿?xiàng)目實(shí)際情況，假設(shè)管道受第三方破壞(施工破壞)破裂，燃?xì)庑孤┣闆r下發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，裂口形狀以圓形計(jì)，直徑分別取50 mm、100 mm和200 mm，泄漏模型見圖1。

圖1 燃?xì)夤艿佬孤┠Ｐ?/p>

圖中qm——?dú)怏w泄漏速率，kg/s

p——絕對壓力，Pa

T——溫度，K

u——泄漏速度，m/s

ρ——密度，kg/m3

下標(biāo)1、2、3分別對應(yīng)管道閥門起點(diǎn)處、管道內(nèi)裂口附近某點(diǎn)處、裂口處的量。

管道氣體泄漏速率是估算火災(zāi)、爆炸事故后果的重要參數(shù)。當(dāng)管道泄漏時(shí)，管道內(nèi)部壓力逐漸降低，基于管內(nèi)摩擦力的作用，泄漏速率隨時(shí)間逐漸降低。

當(dāng)滿足式(1)時(shí)，氣體流動屬于聲速流動，燃?xì)庑孤┧俾室娛?2)[5]；當(dāng)滿足式(3)時(shí)，氣體流動屬于亞聲速流動，燃?xì)庑孤┧俾室娛?4)[5]，各式具體如下：

(1)

(2)

(3)

qm=CdAp·

(4)

式中p0——環(huán)境壓力，Pa

p——管內(nèi)氣體絕對壓力，Pa

κ——?dú)怏w等熵指數(shù)

Cd——?dú)怏w泄漏系數(shù)

A——管道裂口面積，m2

M——?dú)怏w的摩爾質(zhì)量，kg/mol

Z——壓縮因子

R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314 J/(mol·K)

T——?dú)怏w溫度，K

氣體等熵指數(shù)，雙原子氣體取1.4，多原子氣體取1.29，單原子氣體取1.66。氣體泄漏系數(shù)與裂口形狀有關(guān)，裂口形狀為圓形時(shí)取1.00，三角形時(shí)取0.95，長方形時(shí)取0.90。

對于城鎮(zhèn)高壓燃?xì)?，?jì)算參數(shù)按以下取值：管道裂口面積A1、A2、A3分別為1.96×10-3m2、7.85×10-3m2和31.4×10-3m2；壓縮因子取0.9；環(huán)境壓力取101 325 Pa；燃?xì)夤艿廊〕擎?zhèn)燃?xì)膺\(yùn)行壓力上限4.0 MPa；氣體等熵指數(shù)取1.29；氣體泄漏系數(shù)按圓形裂口形狀取1.00；天然氣摩爾質(zhì)量取16.05×10-3kg/mol；氣體溫度取298.15 K。

上述參數(shù)下，管道氣體流動狀態(tài)屬于聲速流動，3種不同管道裂口面積下氣體泄漏速率分別為13.99、56.05、224.18 kg/s。

③ 傷害半徑

對于燃?xì)夤艿佬孤┗馂?zāi)事故后果主要以熱輻射為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。燃?xì)夤艿阑馂?zāi)發(fā)生時(shí)，其毀傷程度可根據(jù)目標(biāo)所受的熱輻射通量閾值來判定，同樣根據(jù)熱輻射通量閾值可算出傷害半徑。

根據(jù)噴射火模型，可以得到離火焰中心不同距離的熱輻射通量[6]：

(5)

式中E——熱輻射通量，kW/m2

η——燃燒效率參數(shù)，對于噴射火模型取0.3

Xg——放射率參數(shù)，對于噴射火模型取0.2

Hc——?dú)怏w的燃燒熱，kJ/kg，甲烷取5.56×104kJ/kg

r——傷害半徑，m

將深圳市城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿赖幕緟?shù)和噴射火模型及熱輻射通量閾值理論結(jié)合[6-7]，可以計(jì)算出不同熱輻射通量對設(shè)備人員的傷害及傷害半徑，見表2。

表2 不同熱輻射通量對設(shè)備人員的傷害及傷害半徑

4 高后果區(qū)存量和增量

檢索國內(nèi)外文獻(xiàn)，對于城鎮(zhèn)燃?xì)舛?，沒有給出明確的高后果區(qū)定義，這為穿越城鎮(zhèn)的長輸高壓燃?xì)夤艿赖陌踩椒€(wěn)運(yùn)行提供了有效的思路。即在現(xiàn)有長輸燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重新復(fù)核其地區(qū)等級、強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，參照城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范，給長輸燃?xì)夤艿澜祲哼\(yùn)行。比對城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夂怂愠龅幕馂?zāi)、爆炸參數(shù)，如果長輸燃?xì)夤艿赖膮?shù)值能夠達(dá)到當(dāng)?shù)貧庀髼l件下城鎮(zhèn)高壓燃?xì)獾暮蠊?，即可認(rèn)為該管道在其不受第三方施工破壞下風(fēng)險(xiǎn)是可接受的。

GB 32167—2015給出的高后果區(qū)量化結(jié)果表明，只要地區(qū)等級不發(fā)生變化、管道200 m范圍內(nèi)不再興建新的加油站、油庫等易燃易爆場所，高后果區(qū)就不會發(fā)生變化。

深圳市常見的高后果區(qū)增量問題，發(fā)生在城市更新過程中新建構(gòu)筑物的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段。對于高壓油氣管道兩側(cè)200 m范圍內(nèi)，在城市更新過程中，需根據(jù)新建建筑物的容積率和規(guī)劃建筑面積，核算建筑物內(nèi)當(dāng)量人口，當(dāng)建筑物內(nèi)及周邊當(dāng)量人口不超過原有人口時(shí)，可認(rèn)為高后果區(qū)增量未發(fā)生變化；當(dāng)建筑物內(nèi)及周邊當(dāng)量人口超過原有人口時(shí)，可通過增加建筑物防火抗震強(qiáng)度，來提高建筑物的本質(zhì)安全屬性，在地區(qū)等級不變的基礎(chǔ)上，采取行之有效的措施確保高后果區(qū)增量依然在可以接受的范圍內(nèi)。

政府規(guī)劃部門在劃定橙線管理規(guī)定時(shí)，可充分參考上述計(jì)算模型，將降壓后的長輸燃?xì)夤艿纼蓚?cè)200 m劃定為控制區(qū)，控制區(qū)內(nèi)部建構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)需滿足城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于三級地區(qū)等級的要求；50 m范圍內(nèi)為限制區(qū)，限制區(qū)內(nèi)部建構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)必須滿足一定的防火、防爆要求，在事故狀態(tài)下能夠有效保護(hù)周邊人群，并且在當(dāng)?shù)卣畱?yīng)急管理部門監(jiān)督下，與油氣管線單位建立有效的聯(lián)動機(jī)制。

5 結(jié)語

依據(jù)現(xiàn)有理論，城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿涝谑鹿薁顟B(tài)模型下計(jì)算出的火災(zāi)影響范圍相對較小，長輸燃?xì)夤艿绤⒄粘擎?zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范復(fù)核降壓后，可以有效控制周邊高后果區(qū)增量。依據(jù)城鎮(zhèn)高壓燃?xì)夤艿朗鹿薁顟B(tài)模型劃定人員密集區(qū)橙線管理規(guī)定，是解決城市能源供應(yīng)格局的有效途徑。