摘要：论述了城市埋地天然气管道泄漏事故的原因和后果。建立了火灾危险区域计算关系式，结合北京市近年来典型的管道事故，对事故后果的主要影响因素(管道运行压力、管道破损面积等)进行了定量分析。火灾危险区域半径大于城镇燃气设计规范中规定的管道距建筑物的最小距离，管道运营公司应当加强与公众及第三方施工单位的联系，降低管道泄漏及火灾风险。
关键词：天然气管道；事故；泄漏后果；风险评价；火灾危险区域预测；安全管理
Predicted Method and Preventive Measures for Fire Danger Area of Natural Gas Pipeline
DU Xue-ping，LIU Yan，LIU Rong，ZHANG Ying-hui
Abstract：The causes and consequences of leakage accidents for urban buried natural gas pipeline are expounded. The relational expression for fire danger area is established. Combined with typical pipeline accidents during recent years in Beijing City，the main influencing factors of the accident consequences，such as pipeline operating pressure，pipeline breakage area and so on，are quantitatively ana1yzed.The fire danger area radius is larger than the minimum distance between pipeline and building required in Code for Design of City Gas Engineering. The pipeline operating companies should strengthen the relationship with public and third party construction organization to reduce pipeline leakage and fire risk.
Key words：natural gas pipeline；accident；leakage consequence；risk assessment；forecast of fire danger area；safety management
1 概述
随着我国燃气事业的快速发展，燃气管网的管理水平亟待提高。导致事故的原因和事故后果的定量分析对于降低管网运行风险，保证人民生命财产安全具有重要意义[1]。世界上的现代化大都市的城市燃气几乎都经历了从人工煤气到天然气这一发展过程。2006年，北京市结束了近50年人工煤气的历史，实现管网全天然气化。北京燃气事业经过50年的发展历程，特别是1997年陕甘宁天然气进京后，城市燃气已具有相当大的规模，现有360×104户用户、约11000km管网、55×108m3/a供应量、5级压力级制。表1为北京市天然气管网管长与压力概况。本文结合北京市的管网特点和所发生的管道事故开展火灾危险预测，对火灾危险进行定量化研究，为管网风险评价提供参考。
表1 北京市天然气管网管长与压力概况
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压力级制
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高压A
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高压B
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次高压A
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中压A
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低压
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运行压力/MPa
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3.5
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1.6
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0.7
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0.1
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0.005
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管道长度/km
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125
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315
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506
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4100
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5827
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占总管长的比例/%
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1.1
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2.9
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4.7
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37.7
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53.6
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2 事故原因
管道风险是事故发生概率和事故后果的函数[2、3]，火灾危险预测应当首先分析导致事故的原因。根据初步统计，2007年北京市燃气突发事故约102起。其原因分类见表2[4]。从表2可知，造成城市燃气事故的主要原因是外力破坏。
表2 2007年北京市燃气事故原因分类统计[4] 起
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事故原因
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一季度
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二季度
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三季度
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四季度
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合计
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管道腐蚀
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6
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4
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2
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17
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29
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外力破坏
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6
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10
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17
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7
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40
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施工质量
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6
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6
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7
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6
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25
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自然因素
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1
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l
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0
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0
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2
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管道堵塞
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3
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2
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1
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0
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6
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3 泄漏后果
美国和欧洲的安全工程师利用风险评价的方法对天然气管道泄漏事故后果做了大量定量分析和统计，形成了具有统计学意义的参考数据。根据燃气泄漏后的各种表现形式，可以确定出具有普遍性的危险发生模式。下面以燃气泄漏后的各种表现形式为出发点，根据危害发生机理建立相应的事故后果计算关系式。
3.1 燃气泄漏后的各种表现形式
美国石油学会(American Petroleum Institute)的相关资料提供了燃气发生泄漏后各种表现形式的概率[5]，研究者可以根据不同情况对其进行一定的修正。燃气持续性泄漏后发生安全排放、喷射火焰、闪火、蒸气云爆炸的概率分别为0.8、0.1、0.06、0.04[5]。
喷射火焰(Jet Fire)是指气体从裂口喷出后立即燃烧，如同火焰喷射器。闪火(Flash Fire)是指泄漏的可燃气体在空气中扩散后发生的滞后燃烧，不产生冲击波破坏[6]。蒸气云爆炸是指蒸气云团的可燃混合气体遇火源突然燃烧，是在无限空间中的气体爆炸。
天然气发生泄漏后，如果立即点燃，此时天然气还没有和空气充分混合，点燃发生在外层，而内层的燃气因为浓度太高不能被点燃。因为天然气的密度小于空气，气云的浮力起主导作用，所以燃烧的气云向上抬升并变成球形，进而促进天然气与空气混合形成持续的火灾。短时间上升和膨胀的火球最后发展为稳定的喷射火焰，其产生的热辐射会对在场人员造成伤害[7]。
3.2 管道破损面积
美国、欧洲和加拿大的研究机构建立了相应的管道事故数据库，以进行现役管道的安全评价，减少事故发生的可能性。欧洲燃气管道事故数据库(European Gas pipeline Incident Data Group，EGIG)的统计方法是根据以下泄漏的尺寸将管道破损进行分类记录[8]：
① 微孔(或裂纹)：缺陷直径≤2cm。
② 孔洞：2cm＜缺陷直径≤管道直径。
③ 断裂：缺陷直径＞管道直径。
欧洲燃气管道1970年—2007年间的统计数据显示，第三方破坏造成的各种破损形式的比例分别为：微孔或裂纹(Pinhole/crack)27%，孔洞(Hole)55%，断裂(Rupture)18%。第三方破坏造成的管道破损以孔洞为主。
3.3 泄漏速率
天然气泄漏导致的风险与泄漏速率密切相关，气态燃气泄漏量可从伯努利方程推导得到，燃气泄漏的质量流量与其流动状态有关。当满足式(1)的条件时，气体流动属于声速流动，燃气的泄漏速率(以质量流量计)用式(2)计算[9]。
式中p0——环境绝对压力，Pa
p——容器内介质绝对压力，Pa
κ——燃气等熵指数，甲烷取1.29
qm——燃气泄漏速率(质量流量)，kg/s
Cdg——气体泄漏系数，与泄漏口形状有关，见表3
A——泄漏口的面积，m2
M——燃气的摩尔质量，甲烷为0.016kg/mol
R——摩尔气体常数，取8.314J/(mol·K)
T——气体温度，K，取288K
当满足式(3)时，气体流动属于亚声速流动，燃气泄漏速率用式(4)计算[9]。
表3 气体泄漏系数取值[9]
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泄漏口形状
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圆形
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三角形
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长方形
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渐缩孔
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渐扩孔
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管道完全断裂
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Cdg
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1.0
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0.9
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0.9
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0.9～1.0
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0.6～0.9
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1.0
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3.4 热辐射对人员的伤害
燃气燃烧过程中火焰表面在高温下向外部空间发射辐射能。彼德森(Pietersen)提出用以下模型来观测热辐射对人员的伤害[10]。在场人员暴露在热辐射之下受到伤害的概率与暴露时间和热辐射通量有关。
① 彼德森模型[10]
式中P——人员伤害概率
t——人员暴露时间，s
q——人体接收到的热辐射通量，W/m2
人员伤害概率与死亡百分数的关系为[11、12]：
式中D——死亡百分数
u——积分变量
死亡百分数D通过式(6)与个体受到伤害的概率P关联[11]。式(6)表示概率密度与概率分布函数的关系，个体受到伤害的概率P是死亡百分数D的度量，它们的数值对应关系可以方便地利用标准正态分布表查得。当P=2.67时，D=1%；P=5.00时，D=50%；P=8.06时，D=99.9%[11、13]。
② 热辐射通量
热辐射通量是距射流轴线距离r处(火灾危险区域半径)的热辐射强度，它表示距点源一定距离的热接收量，它与点源辐射量和位置有关。
式中τ——辐射率，此处取0.2[6、7、10]
Φ——点热源的辐射量，w
r——火灾危险区域半径，m
③ 点热源的辐射量
火焰热辐射可简化为热量都是由一点释放的，点热源的辐射量与燃气热值和泄漏量有关，当发生稳定持续燃烧时点热源的辐射量由下式计算：
Φ=ηqmQL (8)
式中η——效率因子，此处取0.35[6、7、10]
QL——燃气低热值，J/kg，天然气的低热值取5.002×107J/kg
④ 火灾危险区域半径
联立式(7)、(8)得：
由彼德森模型式(5)得：
联立式(9)、(10)得：
因为qm是关于A和P的函数，P是关于D的函数，所以r是关于管道破损面积、管道运行压力、人员暴露时间及死亡百分数的函数。
3.5 典型事故火灾危险区域预测
北京市玉泉营燃气管道被第三方施工破坏。2006年6月9日凌晨2:40左右，玉泉营南三环路北侧辅路旁，某汽车销售公司委托某施工单位在该公司院内施工，在安装广告牌过程中使用破碎炮，将地下DN 500mm中压燃气管道打破，产生了一个直径为15cm的圆洞，造成燃气大量泄漏。经燃气输配分公司应急抢险队伍紧急处理，于当日中午约12时消除险情，恢复正常供气。此次事故导致南三环路北侧主、辅路封闭近6h。
北京市中压燃气管网覆盖面广，中压管道总长度约4100km，占管网总长度的比例为37.7%，事故发生的可能性较大，相对于低压管网其危险性也更大。因此，此案例为第三方破坏燃气管道的典型事故。
代入基本参数计算泄漏速率，满足式(1)的条件，属于声速流动，选择式(2)计算得到泄漏速率为6.12kg/s；人员暴露的时间：紧急情况下在场人员寻找遮蔽、逃离火灾伤害的时间约为15s，t取15s：将P分别等于2.67、5.00、8.06以及t、QL的值分别代入式(11)，得到r1=7.3m，r50=5.0m，r99=3.1m。由式(6)可知其数学意义为：
① 在场人员滞留15s，在半径为7.3～5.0m的范围内，死亡百分数为：1%＜D＜50%。
② 在场人员滞留15s，在半径为5.0～3.1m的范围内，死亡百分数为：50%＜D＜99.9%。
③ 在场人员滞留15s，在半径小于3.1m的范围内，死亡百分数为：D＞99.9%。
D＞99.9%时的火灾危险区域半径大于城镇燃气设计规范中规定的中压管道距建筑物基础的最小距离(1.5m)。
3.6 防火间距
安全距离究竟多少最为恰当，这是一个很难确定的问题，仅从安全角度出发，距离越远越安全。然而发生火灾和爆炸的原因是多方面的，影响因素很多，即使符合规定的安全距离，也有发生危险的可能，因此，安全距离只能是相对的。
在国外的标准规范中关于防火间距没有一个统一的标准。由于各国技术水平、消防设施等多方面因素的影响，因而制定的防火间距也不尽相同。例如，有些国家国土面积不大，土地昂贵，偏重于采用高程度的安全设备而较少占用土地，因而制定的防火间距较小；而另一些国家则相反，如美国石油保险协会推荐安全距离往往偏大[14]。对于我国城市天然气输送管道，加强管道保护措施比安全距离划分更切合实际。
4 预防措施
管道外力破坏的防护可以采取增大管道埋深、埋设警示带、管顶覆土厚度较小的地方加盖混凝土板等措施，对于大量的已建管道，主要依靠巡线人员的巡查和针对第三方施工单位的报建制度来保护管道。国内外的一些天然气输送系统建立了相应的通信服务系统，旨在加强管道运营方与第三方施工单位以及公众的联系。
英国管道风险管理专家W.K.Muhlbauer所著《管道风险管理手册》介绍了这种能够加强信息通报与响应的直呼系统(One-call System)。这种通信系统一般由政府部门、数个管道公司共同建立，独立的管道运营企业也可以建立这种系统。它提供电话号码给挖掘承包商及公众，要求他们在开挖活动之前通告直呼系统中心，从而使管道运营者有机会与开挖人预先取得联系，管道运营者在开挖活动中用临时标记标示他们的管道设施，随时跟踪挖掘活动并检测其地下设施[15、16]。
1964年，在纽约州的罗彻斯特(Rochester)建立了第一套现代直呼系统。1992年，在美国47个州及华盛顿特区中，已建有88个直呼系统，在加拿大、澳大利亚、苏格兰也运行着类似的直呼系统。美国运输部通过对16个直呼系统中心的调查表明：该系统对于降低管道事故有着明显效果。有10个例子(为16个研究例子中的一部分)与挖掘有关，事故减少了20%～40%；其余6例的事故发生率减少了60%～70%[15、16]。
提供联系方式的管道标志牌也是类似于直呼系统的管道安全保障措施，如标明“此处有燃气管道，施工前请联系某某燃气公司，电话为……”，它能够提高公众对燃气设施的保护意识，减小盲目和违规开挖带来的风险。管道标志牌向公众展示了地下管道的位置，有可能增加蓄意破坏的可能性，但是缺少图纸资料，确定地下管道位置的难度较大，蓄意破坏的可能性较小。
结合现有安全防范措施，在地面开挖可能性较大的地段，设立提供电话号码的管道标志牌，能够加强管道运营公司与公众的联系，降低管网运行风险。
参考文献：
[1] 万礼锋，尹贻林，张丽君，等.城市燃气管网安全分析体系[J].煤气与热力，2007，27(11)：50-53.
[2] 于京春，解东来，马东莲，等.城镇燃气管网风险评估研究进展及建议[J].煤气与热力，2007，27(12)：38-42.
[3] GOODFELLOW G，HASWELL J.A comparison of inherent risk levels in ASME B3 1.8 and UK gas pipeline design codes[A].Proceedings of the 2006 ASME International Pipeline Conference[C].Calgary(Canada)：American Society of Mechanical Engineers，2007.1085-1096.
[4] 冯颖.城市燃气管道应急抢修的实践和探讨[J].煤气与热力，2008，28(7)：B38-B41.
[5] 孙永庆，钟群鹏，张峥.城市燃气管道风险评估中失效后果的计算[J].天然气工业，2006，26(1)：120-122.
[6] 邵辉.系统安全工程[M].北京：石油工业出版社，2008.
[7] STEPHENS M J，LEEWIS K，MOORE D K.A Hiodel for sizing high consequence areas associated with natural gas pipelines[A].Proceedings of the International Pipeline Conference[c].Calgary(Canada)：American Society of Mechanical Engineers，2002.759-767.
[8] 王弢，帅健.天然气长输管道定量风险评价中的技术要点[J].油气储运，2005，24(增刊)：18-21.
[9] 彭世尼.燃气安全技术[M].重庆：重庆大学出版社，2005.
[10] 郑津洋，马夏康，尹谢平.长输管道安全风险辨识、评价、控制[M].北京：化学工业出版社，2004.
[11] (美)克劳尔D A，卢瓦尔J F(著)，蒋军成，潘旭海(译).化工过程安全理论及应用(第2版)[M].北京：化学工业出版社，2006.
[12] JO Y D，BUM J A.A method of quantitative risk assessment for transmission pipeline carrying natural gas[J].Journal of Hazardous Materials，2005，(123)：1-12.
[13] 刘斐，刘茂.城市燃气管线的定量风险分析[J].南开大学学报自然科学版，2006，39(6)：31-36.
[14] 宋岢岢.压力管道设计及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2007.
[15] (英)MUHLBAUER W K(著)，杨嘉瑜，张德彦，李钦华，等(译).管道风险管理手册(第2版)[M].北京：中国石化出版社，2005.
[16] MUHLBAUER W K.Pipeline risk management manual ideas，techniques，and resources(Third Edition)[M]Burlington(USA)：Gulf Professional Publishing，2004.
(本文作者：杜学平1 刘燕2 刘蓉1 张应辉2 1.北京建筑工程学院 北京 100044；2.北京市燃气集团有限责任公司 北京 100035)
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