金屬長輸管線安全設計及事故分析

儲 瑩，全永志

（1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京國信安科技術有限公司，北京 100160）

金屬管道建設是國家基礎建設項目的工作重點之一[1]，長輸管線設計的合理性將直接影響到輸送線路周邊的環境安全[2]。長輸管線工程以埋地敷設方式進行輸送，具有隱蔽、距離長和危害性大的特點，管道內所運輸的介質因會隨風擴散，具有比輸油管道更危險的特性，本文就是對某金屬長輸管道進行安全設計和事故模擬分析，為以后預防同類事故的發生起到參考作用。

1 設計方案

金屬管道內所傳輸的介質是一種成分復雜的混合物，根據介質來源的不同，其組分也有不同，其中以甲烷最多，含量通常在80%～97%左右[3]，其它還有少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、氮氣、硫化氫等。

表1 主要物化性質表

1.1 輸氣系統工藝

本金屬長輸管線工程設計輸氣能力4.0×108m3/a，長輸系統由輸入介質中心閥室接氣后，經計量、調壓至5.5MPa，后進入輸入管道，經各分輸氣站管道輸至門站(進站壓力最低為3.94MPa)。介質在門站經過濾、分離后，一路計量、壓力調節后，送入所需要資源的輸配管網；另一個被測量和調節，并被送至基地以加壓并加壓至25MPa。金屬管道通過優先控制面板直接連接。該運輸管道主干線全長約97.4Km，配套4條支線，支線總長度21.2km，含線路閥室(含分輸閥室）6座。

1.2 輸氣管道

1.2.1 管道敷設

敷設方式及要求：采取埋地敷設。在地下鋪設金屬管道時，管道與土壤之間會發生縱向摩擦。管道頂部的土壤越深，摩擦越大。然而，焊接管道時的環境溫度與管道中的介質溫度之間存在溫差，并且該溫度差將導致管道縮短或加長。只有當管道與土壤之間的摩擦力可以抑制管道的變形時，管道才能被掩埋。因此，該項目中管道的埋藏深度不僅考慮了土壤的深度，而且還考慮了管道被掩埋所需的掩埋土壤深度。從管道頂部到地面，該項目管道的埋藏深度為1m～1.2m[4]。溝槽的石頭和礫石部分比溝槽的一般部分深0.2m（用于溝槽底部的淺土），管道上部的深度為0.8m～1m，回填溝槽的高度低于管道頂部上方0.3m以下的淺層土壤。

為少占土地，管道施工作業帶應盡量窄。根據不同的地形、地貌和管徑情況，采用不同的組焊、下溝方式，本工程管道的施工作業帶寬度：采用溝下組焊為14m～16m，在穿越地質土壤中時，采用溝下組焊為10m～13m，平原地區采用溝上組焊為5m～20m。

線樞轉角：水平樞轉角和垂直線樞轉角最好有一個彈性墊[5]。受地形和地面物體的限制，當難以執行彈性管道時，可以使用曲率半徑為R=40D的冷彎管道，或熱煨彎頭，其曲率半徑一般為R≥5D[6]。

焊接、檢驗：金屬管道焊接采用手工下向焊與半自動焊結合方式。采用手工焊進行根焊，其余焊道采用半自動焊。管道焊縫必須進行無損探傷檢驗。

清管、試水壓、干燥：管線全線均采用潔凈水試壓。試水壓前，采用清管器清管。

1.2.2 管道穿越

河流穿越：本工程金屬管道穿越河流6處，其中穿越50m以上河流4處，穿越30m河流1處，穿越20m河流1處。小型河流穿越可采用開挖穿越，地質和現場條件允許進行直通鉆探（帶套管）或小定向鉆探。管頂埋深不小于最大沖刷線下0.5m。

鐵路、公路穿越：本工程管道穿越高速公路2處，穿越國道1處，穿越2條省級公路和2條普通公路。在鐵路，公路以及第一層和第二層的道路上，都采用了與混凝土地面相交的方法。絕緣支撐件安裝在殼體中，并且殼體的端部用諸如樹脂編織物的絕緣材料密封。三級及三級以下等級公路穿越，采用橫孔鉆機穿越方式，套管端部采用高收縮性的熱收縮套密封。等級外道路穿越采用無套管開挖穿越。

與本工程的金屬管道相交時，凈豎向距離必須至少為0.3m，如果小于0.3m，則必須在兩根管道之間安裝牢固的隔板，并且兩根管道必須對管道進行擴徑交叉路口兩側超過10m的路段，應采用特加強絕緣等級。

管道與埋地電力、通信電纜交叉時，要求埋設在電力、通信電纜的下面，管頂與其間距不少于0.5m。

1.2.3 金屬管道防腐

外防腐：研究表明，金屬運輸管內爆裂的主要原因是由于管道長期承受高壓介質的沖刷，同時在介質中含鹽且有水存在，形成強腐蝕性的稀鹽酸腐蝕環境（如HCL或環烷酸），破壞了保護膜，HCl和H2S相互促進構成循環腐蝕。本項目使用安全可靠性高的三層聚乙烯涂層。

熱煨彎管的防腐可采用雙層環氧涂層，同時考慮外纏聚乙烯膠帶保護；或者整體采用外纏質量可靠的熱收縮套。

管道焊接接頭的防腐補口采用三層結構熱收縮套。

1.2.4 陰極保護方案及計算

本工程以強制電流系統為主，犧牲陽極系統為輔的陰極保護方案，并對強腐蝕地段的管道進行臨時陰極保護。設計建設陰極保護站3座。

陰極保護系統：陽極地床采用深井安裝型式，輔助陽極材料采用高硅鑄造鐵。

1.2.5 有關雜散電流干擾腐蝕問題

由于雜散電流干擾源以及對管道的干擾強弱等因素存在不確定性，所以應在管道埋地后，對管道是否受到雜散電流干擾進行實測。根據實測結果，判斷其對管道的干擾程度及分布，再決定是否采取防干擾腐蝕措施或防護的形式。

1.3 線路附屬工程

站場的進出端及大型穿跨越兩端均設固定墩，用以防止溫度應力而造成的管道不穩定變形。

金屬管道每公里設里程樁一個，與陰極保護測試樁結合設置。平面轉角處設置轉角樁。穿越公路兩側設置標志樁。河流穿越還應酌情設置混凝土壓重塊穩管。

防護工程：管道段的一般水力保護措施包括回填溝渠的土壤保護措施和確保地表水傳導的措施。

2 危險有害因素危害程度分析

根據二十種傷亡事故種類，對金屬長輸管道系統進行危險、有害因素分析，確定系統存在的危險有害因素及危險、危害程度如表2。

表2 危險有害因素及危險、危害程度表

項目存在的車輛傷害、高處墜落、機械傷害、觸電等危險因素和噪聲、高低溫等有害因素僅影響從事作業的人員，不會對公共安全造成影響。

管道的運輸系統中危險危害因素對公共安全造成影響其中最嚴重的是火災和爆炸。管道泄漏后，除了噴火外，還可能發生事故，并伴有泄漏和中毒氣體。

3 金屬管道內發生泄漏蒸氣云爆炸傷害模型

為量化最為嚴重的火災爆炸事故對環境的影響范圍，建立了蒸汽云爆炸事故模型，模擬泄漏管道中爆炸的沖擊波，并在理想條件下確定泄漏的管道破壞程度。

蒸氣與空氣混合物的爆炸，具有極大的破壞力，首先是參與爆炸的物質量一般較大，其次是蒸氣云爆炸往往是事故擴大后的第二次爆炸，氣團濃度達到爆炸下限，遇到火源就會爆炸。為估算爆炸所造成的人員傷亡情況，可將爆炸源周圍劃分為死亡區、重傷區、輕傷區和安全區。

蒸汽云爆炸的能量常用TNT當量描述。TNT當量由式（1）計算。

式中：WTNT為蒸氣云的TNT當量，kg；a為蒸氣云的TNT當量系數，3%；Wf為蒸氣云中燃料的總質量，kg；Qf為燃料的燃燒熱，MJ/kg；QTNT為TNT的爆炸熱，取4.5 MJ/kg。

在金屬管道破裂和泄漏引起的爆炸中，據估計管道內產生泄漏的5%將來自蒸汽云爆炸。由于地面反射，地面爆炸幾乎使爆炸的能量增加一倍，通常應將其乘以地面爆炸因子1.8。

目前，由爆炸產生的沖擊波的過大壓力通常是根據相同能量的TNT爆炸產生的過大壓力來確定的。表3顯示了超壓對人體造成的損害，沖擊波超壓達5kPa～6kPa時，即對門窗玻璃造成部分破碎，200kPa～300 kPa時，會對大型鋼架結構造成破壞。

表3 沖擊波超壓對人體的傷害作用

1000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時所產生的沖擊波超壓與距離的關系見圖1。

圖1 1000kgTNT炸藥在空氣中爆炸時所產生的沖擊波超壓△p與距離R的關系

根據超壓—沖量準則和概率模型得到的死亡半徑公式。

死亡率取50%，可以認為此半徑內的人員全部死亡，半徑以外無一人死亡，這樣可以使問題簡化。

重傷半徑和輕傷半徑由式（3）計算：

式中：X為距離，m；△p為超壓。

財產損失半徑可按式（4）計算。

各區域要求的沖擊波峰值超壓為：死亡半徑超壓90kPa，重傷半徑44kPa，輕傷半徑17 kPa，財產損失半徑13.8kPa。

由以上計算得出發生管道爆炸時的傷害后果見表4。

表4 金屬管道爆炸傷害后果一覽表

管道爆炸模型計算結果。

管道內的內徑為零，并且外徑計算為R0.5。外徑表明外周人員死于沖擊波引起的肺出血的可能性為50%。嚴重傷害區域意味著，如果該區域的人員得不到保護，絕大多數人員將受到嚴重傷害，只有極少數人會被殺死或輕傷。其內徑為死亡半徑R0.5，外徑計算為Rd0.5，重傷半徑為在此位置人員造成的沖擊波導致鼓膜破裂的概率為50%，并且沖擊波的峰值超壓為44kPa。如果輕傷地區的人員得不到保護，大多數人將受到輕傷，有些人將受到重傷或安全，死亡的可能性極低。區域直徑為Rd0.5，外徑為Rd0.01，這意味著外鼓膜因撞擊而破裂的可能性為1%，最大所需沖擊波值為17kPa。安全區域意味著即使該區域內的人員沒有受到保護，絕大多數人員也不會受到傷害，并且死亡幾率實際上為零。內徑為Rd0.01，外徑為無限大。

根據以上計算，在發生金屬管道泄漏引起爆炸的情況下，死亡半徑為10.2m，重傷半徑為30.4m，財產損失半徑為18.5m，輕傷半徑為54.5m，安全區域在54.5m之外。

4 模型結果結合企業現狀的分析

本項目管道主線距兩側村莊最近距離的A村為72m；1號支線距兩側村莊最近距離的A河75m；2號支線距兩側村莊最近距離的B村70m；3號支線距兩側村莊最近距離的C村為800m；4號支線距兩側村莊最近距離的D村為1200m。

綜上所述，該金屬長輸管道系統周圍最近的村莊均位于安全防護距離54.5m之外，泄漏發生爆炸時不會對周圍居民造成傷亡和財產損失。

圖2 距村莊最近點爆炸影響示意圖

5 結論

（1）在對金屬管道埋地鋪設時，應根據埋深、溫差、地質、管道穿越情況的不同，進行相應的安全措施設計，防腐、陰極保護等防護工程應合理、完善。

（2）管道內輸氣系統中存在有火災爆炸、中毒、車輛傷害、高處墜落、機械傷害、觸電等危險因素和噪聲、高低溫等有害因素。其中，最嚴重的公共安全影響是火災和爆炸事故，管道中的氣體泄漏后，除了噴射火之外，還會發生蒸氣云爆炸。

（3）在管道內發生蒸汽云爆炸（假定5%）時，死亡半徑為10.2m，重傷半徑為30.4m，財產損失半徑為18.5m，輕傷半徑為54.5m，安全區為54.5m。