考慮設(shè)備跌落的天然氣計(jì)量站失效后果計(jì)算方法*

李長俊，彭玉霞，吳 瑕

(西南石油大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

天然氣計(jì)量站主要承擔(dān)著計(jì)量氣體、檢定儀表、校核標(biāo)準(zhǔn)的工作，因功能需要，同常規(guī)天然氣站場相比，計(jì)量站閥門多，檢定中使用桁車頻繁，在對(duì)其進(jìn)行失效后果評(píng)價(jià)時(shí)，需考慮閥門截?cái)嘧饔脤?duì)機(jī)械損傷事故的影響及桁車失效所引發(fā)的設(shè)備跌落事故。目前，常用于天然氣站場的失效后果計(jì)算方法[1-3]對(duì)此均未予考慮，故不能直接應(yīng)用于天然氣計(jì)量站。而國內(nèi)外尚鮮有研究或公開文獻(xiàn)。針對(duì)天然氣計(jì)量站特點(diǎn)，提出相應(yīng)的失效后果計(jì)算方法[4-6]。

針對(duì)上述問題，基于API 581標(biāo)準(zhǔn)，考慮閥門截?cái)嘧饔茫怨芏谓M儲(chǔ)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(duì)桁車失效，增設(shè)設(shè)備跌落事故，以動(dòng)量定理為依據(jù)，建立故障樹及潛在影響面積計(jì)算模型；將影響面積內(nèi)的管段、天然氣、設(shè)備、人員等各方面損失折算為經(jīng)濟(jì)損失，形成統(tǒng)一的適用于天然氣計(jì)量站失效后果計(jì)算方法，并將其應(yīng)用于某天然氣計(jì)量站管段后果評(píng)價(jià)中，驗(yàn)證該計(jì)算方法的可行性和適用性。

1 計(jì)量站失效后果分析

天然氣計(jì)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(shè)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(dòng)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(shè)備對(duì)儀表進(jìn)行搬運(yùn)。而天然氣計(jì)量站的年檢定任務(wù)通常超過200臺(tái)。相較于常規(guī)天然氣站場而言，計(jì)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(diǎn)。由此可得計(jì)量站存在的失效因素可能引發(fā)管段設(shè)備機(jī)械損傷和設(shè)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(dāng)流量計(jì)跌落時(shí)，將分別對(duì)管段、人員、設(shè)備造成損傷，其中，對(duì)管段造成破裂失效，將導(dǎo)致二次事故——天然氣泄漏，該點(diǎn)與管段內(nèi)腐蝕導(dǎo)致的機(jī)械損傷事故一致[7-9]。

圖2 計(jì)量站失效事故分析Fig.2 Analysis of the failure accident of metering station

2 機(jī)械損傷事故失效后果計(jì)算方法

天然氣計(jì)量站所輸送氣體主要成分為甲烷，管段設(shè)備發(fā)生機(jī)械損傷時(shí)，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(diǎn)燃、是否立即點(diǎn)燃)將導(dǎo)致爆炸、噴射火、閃火、安全泄放等4種失效后果類型[10-13]。基于API 581，不同失效后果影響面積計(jì)算公式如表1所示。

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

但對(duì)于天然氣計(jì)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(guān)閉閥門，使泄漏量僅為管段組儲(chǔ)氣量，故在API 581泄漏量計(jì)算步驟的基礎(chǔ)上，將泄漏量最大值定為檢定管段組儲(chǔ)氣量。通過判斷管段是否位于檢定區(qū)域，將檢定管段組儲(chǔ)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(jì)算思路Fig.3 Calculation idea of natural gas leakage

基于API 581標(biāo)準(zhǔn)中失效后果計(jì)算公式及衡量指標(biāo)，結(jié)合計(jì)量站相關(guān)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(jì)損失。

3 設(shè)備跌落事故失效后果計(jì)算方法

3.1 事故分析

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

圖4 天然氣計(jì)量站設(shè)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(jì)算

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

一旦發(fā)生設(shè)備跌落事故，因所搬運(yùn)的流量計(jì)及其組件質(zhì)量通常超過100 kg，當(dāng)流量計(jì)從高處跌落，造成的沖擊力>1 000 N，基于沖擊力學(xué)，結(jié)合常溫下工業(yè)管段許用應(yīng)力，對(duì)管段造成的失效形式為破裂。

1)泄漏量的計(jì)算

若流量計(jì)跌落時(shí)對(duì)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(chǔ)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(shí)的泄漏速度，m/s；t為泄漏時(shí)間，s；G2為檢定管段組儲(chǔ)氣量，m3。

2)潛在影響面積的計(jì)算

將泄漏量代入API 581標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)公式，得到設(shè)備跌落事故造成的潛在影響面積。

3.3 損失金額計(jì)算

基于事故的潛在影響面積計(jì)算結(jié)果，結(jié)合計(jì)量站相關(guān)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(shè)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(huì)受到損傷。基于計(jì)算所得潛在影響面積，結(jié)合計(jì)量站管段具體位置，及計(jì)量站管段購置單價(jià)，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(dāng)流量計(jì)從高空跌落，會(huì)對(duì)流量計(jì)下方的人員造成傷亡；若未砸傷人、砸傷管段，導(dǎo)致天然氣泄漏，基于API 581標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)械損傷事故分析，亦會(huì)對(duì)人員造成傷亡。

建筑工程技術(shù)在建造建筑的同時(shí)非常注重環(huán)保，隨著社會(huì)的飛速進(jìn)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(yùn)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(yīng)用，遵循氣候設(shè)計(jì)，對(duì)建筑整體劃分區(qū)域，對(duì)外界條件因素，如風(fēng)向、太陽輻射等的研究，設(shè)計(jì)出環(huán)保，低耗能的建筑，完全符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，人們不論是在建筑內(nèi)工作、學(xué)習(xí)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(duì)人們的健康與身心都是一種保養(yǎng)。

從設(shè)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(dāng)?shù)厝藛T工傷賠付準(zhǔn)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(jī)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(jià)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(shè)備賠償金額

在流量計(jì)跌落過程中，是否受到損傷，主要取決于流量計(jì)跌落時(shí)的高度。

將流量計(jì)從高處跌落至地面視為非彈性碰撞的自由落體運(yùn)動(dòng)，結(jié)合沖擊力學(xué)及彈塑性力學(xué)及流量計(jì)材料的許用應(yīng)力[14-15]，考慮流量計(jì)及其組件質(zhì)量>100 kg，通過撞擊力計(jì)算公式I=mv可得，當(dāng)流量計(jì)跌落高度≥1 m時(shí)，設(shè)備將會(huì)受到損傷，基于此建立設(shè)備損傷故障樹。

圖5 設(shè)備損傷分析Fig.5 Analysis diagram of equipment damage

結(jié)合流量計(jì)跌落高度及設(shè)備原值，對(duì)損傷流量計(jì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到設(shè)備跌落事故造成的設(shè)備賠償金額MS。

將以上計(jì)算金額相加，即可得到管段發(fā)生設(shè)備跌落事故時(shí)，造成的后果：

M=MP+MR+MT+MS

(4)

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 計(jì)量站詳情

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

4.2 失效后果計(jì)算

基于API 581標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)械損傷事故及本研究的設(shè)備跌落事故失效后果計(jì)算方法，通過計(jì)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(jì)量站不同失效事故造成的后果。

1)機(jī)械損傷事故

采用各類失效后果模型計(jì)算公式，可得到該管段發(fā)生小孔、中孔、大孔、破裂時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)氣量為機(jī)械損傷事故泄漏量為670.31 m3。

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

對(duì)于機(jī)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(jí)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(xiàng)損失之和即133.68萬元。

2)設(shè)備跌落事故

該管段位于流量計(jì)跌落范圍內(nèi)，一旦發(fā)生設(shè)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(jì)量站管段設(shè)備具體分布位置及設(shè)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(jì)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(shí)，將直接造成4人死亡；結(jié)合管段、人員、天然氣賠償單價(jià)，確定該管段發(fā)生設(shè)備跌落事故時(shí)需賠償金額。

表4 設(shè)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(shè)備賠償金額M2S=9.86萬元。將上述4項(xiàng)賠償金額相加，得到流量計(jì)從高空跌落造成的金額損失總額M2為453.09萬元。

通過對(duì)DN300管段失效后果分析可得，機(jī)械損傷事故金額為133.68萬元，設(shè)備跌落事故損失金額為453.09萬元，增設(shè)的設(shè)備跌落事故造成的金額損失接近機(jī)械損傷事故的3倍，當(dāng)考慮設(shè)備跌落事故造成的損失金額，該管段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)從低級(jí)上升為中低級(jí)。

5 結(jié)論

1)現(xiàn)有的天然氣站場失效后果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)因計(jì)量站檢定流程中存在大量的閥門及桁車操作，不能直接應(yīng)用于天然氣計(jì)量站，需要考慮閥門截?cái)嘧饔脤?duì)機(jī)械損傷事故的影響以及桁車失效引發(fā)設(shè)備跌落事故的影響。

2)在API 581標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將管段組儲(chǔ)氣量作為天然氣計(jì)量站發(fā)生機(jī)械損傷事故時(shí)天然氣泄漏量的最大值，并據(jù)此對(duì)天然氣泄漏量計(jì)算公式進(jìn)行了改進(jìn)。

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