刘宏波 陈东生 高涛 高甲艳

陕西省天然气股份有限公司

摘要：现行国家法律、规范、标准对管道与周边人员、建（构）筑物之间的安全距离缺乏直接规定。分析了国外和国内的相关法规、标准对管道安全距离的规定以及政府对管道安全监管的要求。通过对潜在影响半径与实际爆炸案例影响范围的对比分析，以国内天然气长输干线常用设计参数为基础，以管口完全断裂为条件进行假定，计算水平喷射火焰热辐射通量、瞬时燃烧热辐射通量、蒸气云爆炸场超压等的伤害半径，并结合实际爆炸案例验证该安全距离确定方法及提升策略准确性，得出以潜在影响半径作为安全距离的确定方法比较合理。

关键词：天然气长输管道；安全距离；潜在影响半径；热辐射通量；爆炸场超压

随着天然气管网里程增加和时间的推移，建设期和运行过程中产生的各类缺陷也会逐步累积，综合作用下导致管道本体可靠性逐步降低。尤其是近年来城镇化进程的加快，管道核心保护区及场站周边的人员活动、建（构）筑物数量日益增加，加重了管道介质泄漏后的影响范围及后果。目前，在役天然气长输管道因内外部原因导致的泄漏、爆炸事故屡见报端，已经成为政府和民众关注的焦点之一。国家相关部委先后制定了多项国家标准或文件以强化油气管道安全风险管控和隐患消除，但纵观现行法律、规范、标准，管道与周边建（构）筑物之间的安全距离仍缺乏直接规定。

本文整理分析了国内外相关法规、标准对管道安全距离的要求以及政府对于管道安全监管的要求，对潜在影响半径与实际爆炸案例影响范围进行分析研究，以国内天然气长输管道常用设计参数为基础，以管口完全断裂为条件进行假定，计算水平喷射火焰热辐射通量、瞬时燃烧热辐射通量、蒸气云爆炸场超压等的伤害半径，并结合实际爆炸案例验证该安全距离确定方法及提升策略准确性，以期为天然气长输管道的设计、施工、运行管理、应急防范等提供参考。

1  国内外管道安全距离法规标准

1.1  国外管道安全距离法规标准

（1）美国。《气体管道联邦最低安全标准》并未规定明确的安全距离数值要求，而是根据建筑物和居住人员密度，将管道通过地区划分为四个等级，每个地区等级采用相应的强度设计系数计算壁厚值。

（2）欧盟。欧盟将油气运输划归危险化学品行业管辖，其《塞维索指令》法案规定了油气管道运营商在管道安全方面的职责和责任，但没有给出具体管道安全距离数值，对管道安全距离的要求隐含在管道运营商应制定详细的管道和设备设施的安全管理程序和文件。例如，每年要求管道运营商编制提交管道安全状态调查报告，可以证明对于所有管道重大风险隐患制定并实施了持续有效的控制方法，可以保证第三方人员不会因为管道建设运营活动导致额外的高风险或者受到重大事故的伤害。

（3）英国。英国石油天然气行业依照《塞维索指令》制定了《管道安全法》和《重大危害控制法案》两部法律，强制规定管道运营商每年提交安全审核材料，证明管道系统安全可靠，其对社会公众和企业员工造成的死亡风险概率满足最低合理可行范围。同样，未明确具体管道安全距离数值，而是通过规定管道设计、施工、运行和维护阶段的最低安全要求，保证管道全生命周期安全状态可控。

1.2  国内管道安全距离法规标准规定

（1）法律层面。《石油天然气管道保护法》第十三条规定管道选线与周边建（构）筑物应保持国家技术规范强制性要求的“保护距离”；第三十一条规定管道周边新建建（构）筑物与管道的“距离”应符合国家技术规范的强制性要求，没有明确的数值。第三十条禁止在管道线路中心线两侧各五米地域范围内修建建（构）筑物。管道中心线两侧各五米的地域范围是管道保护的核心区域。其五米规定是以保护管道本体安全为目的，防止管道防腐层、本体被近距离施工损伤，确保管道维抢修作业时的车辆通过能力，为管道维抢修提供开挖放坡和堆土空间。

（2）规范层面。目前国家还没有制定与《石油天然气管道保护法》第十三条和三十一条相配套的技术规范。GB 50251―2015《输气管道工程设计规范》规定，埋地管道与建（构）筑物的间距应满足施工和运行管理需求，且管道中心线与建（构）筑物的最小距离不应小于5 m。其条文说明解释该5 m距离的依据是《石油天然气管道保护法》第三十条规定，同时兼顾了管道施工和运行维护需要。GB 50183―2004《石油天然气工程设计防火规范》仅对不同等级的天然气站场和放空管与周边人员、建（构）筑物的间距作出了具体规定，但其条文说明中将这些距离解释为防火距离而非安全距离。GB 32167―2015《油气输送管道完整性管理规范》则是通过地区等级、潜在影响半径及管道中心线两侧各200米等条件来确定高后果区分级，并非对安全距离的直接规定。GB/T 34346―2017《基于风险的油气管道安全隐患分级导则》中虽然在附录D表D.1隐患处置方法中提到与周边人员、建（构）筑物安全距离不足，但全文未明确安全距离的具体数值或定义，而是将间距不足作为隐患识别的方法，具体间距则以输气管道潜在影响半径或不满足其他相关技术规范的强制性要求来界定。

（3）标准层面。国家安监总局2014年下发的《油气输送管道安全隐患分级参考标准》虽然采用安全距离不足作为隐患分级方式之一，但也未对安全距离进行明确定义，而是直接引入安全距离不足概念并结合建（构）筑物人员密集程度来判断管道隐患等级。

通过以上分析，可以看出现行法律、规范、标准对天然气长输管道与周边人员、建（构）筑物之间的安全距离并未给出直接的规定或赋值，而是根据其设立的目的从各自的角度对距离进行了限定。现行法律、规范、标准对管道与周边人员、建（构）筑物距离的相关规定见表 1。

表 1 现行法律、规范、标准对管道与周边人员、建（构）筑物距离的相关规定

2  潜在影响半径与实际爆炸案例影响范围的对比分析

2.1  潜在影响半径

上述多个规范、标准均提到潜在影响半径这一概念，它是用来确定潜在影响区域的直接依据，而潜在影响区域是指管道泄漏可能使其周边公众安全和/或财产遭到严重影响的区域。从这一定义可知，潜在影响半径可以用来辅助判断管道泄漏状态下周边人员、建（构）筑物是否处于严重影响区域内，因此将其作为判断管道与周边人员、建（构）筑物之间的安全距离条件值得进一步讨论。

2.2  潜在影响半径计算结果与实际案例影响范围对比分析

计算各案例条件下的潜在影响半径，并与实际案例影响范围进行比对，结果见表 2。

表 2 实际爆炸案例影响范围与潜在影响半径计算结果对比表

通过对以上实际案例破坏范围的数据统计，同时与各案例参数条件下计算的潜在影响半径进行对比，可以得出潜在影响半径计算结果基本符合定义中严重影响区域的特征。此外，通过案例分析发现，天然气管道泄漏后的燃烧除因距离过近被直接烧毁外，还存在因热辐射、爆炸冲击波造成的损毁情况，因此，有必要进一步研究喷射火焰热辐射通量、瞬时燃烧热辐射通量、蒸气云爆炸场超压的伤害半径，从而为判断天然气长输管道与周边人员及建（构）筑物之间的安全距离提供参考。

3  喷射火焰热辐射通量、瞬时燃烧热辐射通量、蒸气云爆炸场超压计算

天然气管道发生泄漏后，根据API 581，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，这些与判定安全距离有直接关系。因此，有必要进一步研究喷射火焰热辐射通量、瞬时燃烧热辐射通量、蒸气云爆炸场超压。为保证同等条件下，计算结果尽可能覆盖假定管径以下管道的事故影响范围，本文排除风速、环境温度、地形地貌等外在客观条件的影响，结合GB/T 34346―2017并以国内天然气长输管道常用设计参数为基础，以管口完全断裂为条件进行假定，即管径1016 mm、设计压力10 MPa、运行压力9.5 MPa，泄漏孔直径按规范取400 mm。

3.1  喷射火焰热辐射通量计算

天然气长输管道多数埋设于地表以下，管道发生泄漏时遇到火源会被直接点燃形成喷射火。按照最不利情形并结合实践经验进行假定，以管口完全断裂形成水平喷射火作为研究对象，分析计算水平喷射火热辐射通量并根据已知不同目标的热毁伤阈值进行反算[1]，从而得到水平喷射火的伤害半径。同时，采用热辐射强度准则，对比已知不同目标的热毁伤阈值，可以得到相应的伤害半径[2]，结果见表 3。

表 3 水平喷射火焰伤害半径计算表

通过表 3可知，在假定条件下，周边人群与水平喷射火的安全距离至少应保持164 m以上；建（构）筑物与水平喷射火的安全距离至少应保持95 m以上。

3.2  瞬时燃烧热辐射通量计算

天然气管道泄漏后在未被直接点燃的情况下，将与空气混合形成蒸气云，当天然气体积占比达到蒸气云体积的5%～15%之间时，遇到火源将发生爆炸，该范围称为天然气的爆炸极限范围。该体积浓度低于5%时不燃烧、不爆炸，高于15%时只燃烧、不爆炸。蒸气云爆炸一般分为两部分考虑：一是发生混合燃烧，形成火球体积为90%～100%；二是不超过10%的部分发生气相爆轰[3]。

（1）瞬时泄漏条件判断。按照假定条件，泄漏直径大于6 mm，计算介质泄漏量Qn等于4500 kg时消耗的时间 tn =74.858 s，小于180 s，因此该条件满足瞬间泄漏条件[3]。

（2）瞬时燃烧热辐射通量。火球中可燃物质来源于泄漏点两端截断阀之间的管存天然气和截断阀关闭前上下游管道补给的天然气。天然气在与空气混合的过程中，其体积浓度会被周边空气不断稀释，当体积浓度低于5%时即使遇到火源也不会发生爆炸，也就是蒸气云的扩散体积是有边界的，其体积大小与泄漏速率、风速、扩散系数、扩散距离等有关。因此，按照管道内天然气的质量计算蒸气云爆炸火球中消耗的可燃物质质量显然是不符合实际的，需要假定泄漏开始至爆炸发生这一时间段的长度并结合泄漏速率计算火球中消耗的可燃物质质量。现实中，从泄漏开始至爆炸发生这一时间段的长度是不确定的，此处参照天然气长输管道截断阀常用自动关闭时间180 s进行计算，按照本文设定条件，得到该段时间内泄漏天然气的质量为10820.52 kg，扣除发生气相爆轰的10%天然气质量，剩余参与瞬时燃烧的天然气质量为9738.468 kg。

（3）伤害半径计算。计算距离蒸气云爆炸火球中心 r 处目标接收到的瞬时燃烧热辐射通量 q（r）。同时，采用热辐射强度准则，对比已知不同目标的热毁伤阈值，可进一步反算蒸气云爆炸火球瞬时燃烧热辐射的伤害半径，结果见表 4。

表 4 瞬时燃烧热辐射伤害半径计算表

通过表 4可知，在假定条件下，周边人员与蒸气云爆炸火球中心的安全距离至少应保持262 m以上；建（构）筑物与蒸气云爆炸火球中心的安全距离至少应保持150 m以上。

3.3  蒸气云爆炸场超压计算

为了计算蒸气云爆炸场超压，需要将发生爆轰的天然气质量按能量等效原理换算成等效的TNT质量，再按TNT标准爆源常用计算式求出爆炸场内各点的冲击波超压，并根据计算结果评估周边人群和建（构）筑物损伤程度。

分别计算等效TNT质量、冲击波超压计算及伤害半径，可知在假定条件下，周边人员与蒸气云爆炸场中心的安全距离至少应保持132.22 m以上；建（构）筑物与蒸气云爆炸场中心的安全距离至少应保持254.2 m以上。

综上分析，以国内天然气长输管道常用管径1016 mm为基础，对比同等条件下潜在影响半径计算结果（310 m），可以发现潜在影响半径计算结果范围能够涵盖相同条件下水平喷射火焰热辐射通量、瞬时燃烧热辐射通量、蒸气云爆炸场超压损伤范围。

4  结论及建议

通过以上对潜在影响区域、喷射火焰热辐射通量、瞬时燃烧热辐射通量、蒸气云爆炸场超压等的计算，分别得到了相对应的影响（伤害）半径，结合实际案例可以得出如下结论。

（1）客观分析当前天然气长输管道常用法律、规范、标准对距离的规定，可以看出其对天然气长输管道与周边人员、建（构）筑物之间的安全距离并未给出直接的规定或赋值，而是根据其设立的目的从各自的角度对距离进行了限定。

（2）在排除风速、环境温度、地形地貌、建（构）筑物密集程度、管道埋设深度等客观条件的情况下，相同管径泄漏后，影响（伤害）半径与其运行压力、泄漏面积、泄漏时长正相关。同时，按照设定条件，可以判断管径越大，其影响（损伤）范围越大，这也与实际案例影响范围情况相吻合。

（3）天然气长输管道与周边人员、建（构）筑物安全距离的确定应综合考虑潜在影响半径以及水平喷射火焰热辐射通量、瞬时燃烧热辐射通量、蒸气云爆炸场超压的伤害半径，通过与实际案例影响范围进行对比分析，并以管道常用设计参数为基础进行理论验证，结果表明以潜在影响半径作为安全距离的确定方法比较合理。

（4）实际案例中存在超出潜在影响半径计算结果的情况，但其影响范围未区分因建（构）筑物密集、风向、地形地貌等引发的次生灾害，因此对于建（构）筑物密集、单一风向、植被繁茂等区域进行安全距离判定时应在潜在影响半径基础上适当增加防控距离或采取隔离措施。

（5）以国内天然气长输管道常用设计参数为基础，兼顾考虑可接受损失、避免土地资源过度占用的前提下，建议将天然气长输管道与周边人员、建（构）筑物之间安全距离设定在300 m以内，并可根据不同管径、运行压力按照潜在影响半径制定具体的安全间距。此外，在天然气长输管道的设计、施工、运行管理、应急防范等过程中也可以按照这一方法采取措施预防较大以上事故。

参考文献：

[1]汪元辉.安全系统工程[M].天津：天津大学出版社， 1999.

[2]汪侃.大开放空间高压天然气管道泄漏爆炸火球热毁伤效应研究[D].北京理工大学， 2016.

[3]难波桂芳.化工厂安全工程[M].北京：化学工业出版社， 1986.

作者简介：刘宏波，1980年生，正高级经济师、正高级政工师，硕士研究生，现主要从事天然气长输管道企业管理等工作。

通讯作者：高涛，1981年生，高级工程师，2005年毕业于西安石油大学土木工程专业，2018年12月毕业于西安石油大学在职硕士油气储运专业，现主要从事天然气长输管道建设工作。联系方式：13709217336，329151329@qq.com。