城市燃气管道风险评估和控制-

浙江大学化工机械研究所城市燃气管道风险评估和控制郑津洋教授浙江大学化工机械研究所所长高压过程装备与安全教育部工程研究中心主任2009年10月12日1浙江大学化工机械研究所1、概述2、风险辨识3、事故类型和原因分析4、风险评价5、若干建议主要内容2浙江大学化工机械研究所1、城市燃气管道概述1.1城市燃气管道的发展概况2004年我国城市燃气年供气量已达980亿立方米(以人工煤气计)，其中天然气供气量已经打破城市燃气(人工煤气、LPG、天然气)三足鼎立的局面，达到42%的供气比例；用气人口2.78亿；燃气普及率达到81.5%。在全国660个设市城市中，已有600多个城市建有城市燃气设施，绝大部分城市居民都已使用燃气。3浙江大学化工机械研究所高、中压管网一般采用经过防腐处理的钢管敷设，低压管网可以采用聚乙烯塑料(PE)管或防腐钢管敷设。低压配气管网P=0.005Mpa中压配气管网B0.005Mpap=0.2Mpa中压配气管网A0.2Mpap=0.4Mpa高压配气管网B0.4Mpap=0.8Mpa高压配气管网A0.8Mpap=1.6Mpa我国城市配气管网按输气表压P分为五级：1.2我国天然气管网分类4浙江大学化工机械研究所附：压力管道定义，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质、或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。城市配气管网中大部分管道设计压力大于等于0.1MPa，属于压力管道，因此根据《特种设备安全监察条例及释义》规定，需要对其安全进行监测，保证管道工作安全，从而确保广大人民和财产安全。5浙江大学化工机械研究所1.3燃气管网输送介质管网输送的介质主要是指天然气或煤气天然气的主要成分，天然气成分以甲烷为主，含有少量二氧化碳、硫化氢、氮等气体，热值在8.000kcal/m3～10.000kcal/m3，通常无味；煤气的主要成分为一氧化碳、甲烷、氢气等，含有硫化氢、萘、苯、焦油等杂质，热值在4300kcal/m3左右，具有强烈的气味与毒性。项目质量指标IIIIIIIV高位发热量MJ/m3A组31.4(7500kcal/m3)B组14.66～31.4（3500～7500kcal/m3）总硫（以硫计）含量mg/m3=150=270=480480硫化氢含量mg/m3=6=20实测实测二氧化碳含量%（体积）=3—水分无游离水我国各类天然气气质标准6浙江大学化工机械研究所D、市内城市燃气管道管理相对薄弱，泄漏难以发现，易引发火灾爆炸事故。1.4城市燃气管道的特点A、城市燃气管道多为环状、枝状，阀门、三通及凝液缸等管件密布，管道变径较普遍。B、城市燃气管道则随着城市建设的进展逐步形成，设计、施工和验收标准往往参差不齐，质量缺陷相对较多。C、城市燃气管道周边环境复杂，杂散电流干扰很普遍且严重。7浙江大学化工机械研究所1994年美国新泽西州发生了天然气管道破裂泄漏着火事故，400－500英尺高的火焰毁坏了8幢建筑。破裂处曾发生过机械损伤，壁厚减薄。2.1管道失效事故案例举例2005年5月12日0时10分左右，深圳市深南大道与华富路附近，一施工单位在修建地下通道时违章施工，造成直径110毫米的地下燃气管道泄漏引起爆炸。事故中1人死亡，16人受伤。2005年4月8日，上海徐家汇路附近发生煤气管道泄漏时间，导致在电井下作业的5名工人中毒，其中2人死亡。据调查统计，目前上海有占压燃气管道的违章建筑物、构筑物和堆场近千处，2004年仅因外力损害燃气管道设施而引起的事故达94起。2、城市燃气管道风险辨识8浙江大学化工机械研究所2003年11月17日晨6时左右，杭州市凤起路环城东路口煤气管道泄漏发生爆炸，导致1认受伤，3辆轿车不同程度受损，造成附近3个小区约1650户住户停气。飞起的阴井盖砸到附近汽车燃气管道爆炸使许多阴井盖飞起燃气管道事故发生呈上升趋势，我们需要对燃气管道泄漏、燃烧事故的原因进行分析和研究，尽量避免燃气管道事故发生。9浙江大学化工机械研究所2.2.1储运介质危险有害因素分析天然气与空气组成混合气体，其浓度处于一定范围时，遇火即发生爆炸。天然气的爆炸范围较宽，爆炸下限浓度值较低，爆炸的浓度极限为5%~15%,因此爆炸危险性较大。2.2主要危险有害因素分析易燃性天然气属于可燃性物质，常常在作业场所或储存区弥漫、扩散，在空气中只要较小的点燃能量就会燃烧，因此，具有较大的火灾危险性。易爆性10浙江大学化工机械研究所天然气为烃类混合物，属低毒性物质，但长期接触可导致神经衰弱综合症。甲烷属“单纯窒息性”气体，高浓度时因缺氧窒息而引起中毒，空气中甲烷浓度达到25～30%时出现头昏、呼吸加速、运动失调。硫化氢（H2S）为中等毒性物质，具有臭鸡蛋气味，是强烈的神经毒物。毒性天然气随温度升高膨胀特别明显。热膨胀性易结晶性天然气中的水分含量超过一定值，天然气处于或低于水汽的露点，并处在一定的压力条件下时，天然气与自由水结合形成水化物。水化物的聚集状态下是白色或带铁锈色的结晶体。一般水化物类似于冰或致密的霜雪，它的生成会缩小管道的流通截面，堵塞管路，阀件和设备，俗称水堵。11浙江大学化工机械研究所储运工艺危险有害因素设计不合理施工质量问题腐蚀失效系统工艺计算不正确强力组装、焊接缺陷施工队伍技术水平低结构设计不合理管线布置、柔性考虑不周防腐蚀设计不合理材料设备选型不合理管道等的位置选择不正确管道强度计算不正确检验控制问题管沟、管架质量问题补口、补伤质量问题应力腐蚀微生物腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀疲劳失效2.2.2储运工艺危险有害因素辨识12浙江大学化工机械研究所2.2.3人力与安全管理危险有害因素辨识违章作业定期检验困难安全管理不规范违章电操作安全管理法规的宣传和执行安全管理资料安全管理制度违章开关阀门违章充装检修、抢修操作违章违章动火检验人员缺乏经验安全状况评定难度大检验设备、手段相对落后检验法规、标准不完善检验困难企业自身安全意识人力与安全危险有害因素辨识13浙江大学化工机械研究所2.2.4环境危险有害因素辨识（6）产生火源因素辨识产生火灾原因：明火、静电火花、雷击火花、碰撞和摩擦火花、电气火花、自燃引燃、违规操作自然环境气侯灾害地质灾害社会环境环境灾害有意破坏无意破坏低温洪水雷电台风地面沉降危害地震危害环境有害因素辨识14浙江大学化工机械研究所3、城市燃气管道事故类型和原因分析3.1城市燃气管道事故类型燃气爆炸分为物理爆炸和化学爆炸。物理爆炸是指由于管道发生腐蚀，局部厚度减少导致管道不能承受管内压力引起的爆炸；化学爆炸是指因管道泄漏的燃气，与空气混合，且其浓度值在爆炸极限内，遇到明火时引起的爆炸。a、燃气泄漏b、燃气爆炸15浙江大学化工机械研究所第三方破坏与管道的埋设深度、人在管道附近的活动状况、管道地上设备状况、管道附近有无埋地设施、管道附近居民素质、管道沿线标志是否清楚、管道维护管理水平等因素有关。第三方破坏在城市管网风险评价中占有非常重要位置。管网遭受第三方破坏主要是指由于多种第三方因素而使管道受损，从而造成管道的穿孔或破裂，引起管道失效，导致燃气外泄。第三方破坏缺陷管路系统中的缺陷包括管道本身材料缺陷、焊接缺陷、设备制造缺陷等。焊接缺陷包括裂纹、夹渣、未熔透、未熔合、焊瘤、气孔、咬边等。16浙江大学化工机械研究所管道腐蚀破坏与土壤含水率、土壤电阻率、土壤酸碱度、氧化还原电位、管地电位、防腐层状况、管道材料、接头形式、服役时间等因素有关。测试项目单位腐蚀等级测试方法弱腐蚀中腐蚀强腐蚀电阻率·m5050～2020全国土壤腐蚀性试验网土壤勘测分析规程（试行）氧化还原电位mv200200～100100PH值8.5～6.56.5～4.54.5极化电流密度mA/m20.050.05～0.20.2TOCT9.015~74腐蚀土壤对钢制管道腐蚀评价标准17浙江大学化工机械研究所4.城市燃气管道风险评价风险评价的方法分为定性、定量两种，二者之间的称为半定量方法。风险定义为失效（或危险）后果（用C表示）和失效可能性（用F表示）的乘积。失效可能性指失效的概率；失效后果主要有：经济损失、人员伤亡、环境破坏、对供气系统的影响、维修费用、对社会影响等。18浙江大学化工机械研究所定性评估法是一种典型的模糊分析方法，可对资源、威胁、脆弱性进行快捷的风险评估，同时对现有的防范措施进行评估，从主要的角度对风向成分进行分析，在实际中已得到广泛运用。预先危险分析（PHA）危险和可操作性研究（HAZOP）安全检查表法事件树分析矩阵分析法4.1定性评价方法19浙江大学化工机械研究所矩阵分析法矩阵分析法是将失效可能性和失效后果的严重性列入4×4的风险矩阵中(下图)，按高风险、中等风险和低风险来分级。（美国石油学会API581提供）失效可能性失效后果严重性ABCD频繁发生很可能发生有时可能发生不太可能发生Ⅰ灾难的9864Ⅱ严重的8753Ⅲ轻度的6542Ⅳ轻微的432120浙江大学化工机械研究所Ⅰ级灾难的：有人员死亡，引起公众不能食用的污染事件，大面积环境公害，设备损坏导致停工90天以上。Ⅱ级严重的：致伤人员丧失工作能力，给公众造成伤害，设备损坏导致10～90天停工，区域性损失。Ⅲ级轻度的：人员受到不丧失工作能力的伤害，环境污染小，停工1～10天。Ⅳ级轻微的：无人员伤害，设备损坏轻微。A频繁发生：风险评价前10年发生1次或1次以上事故，概率P≥10-1次/aB很可能发生：2×10-2/a＜概率P≤10-1次/aC有时可能发生：2×10-3/a＜概率P≤2×10-2次/aD不大可能发生：概率P≤2×10-3次/a失效后果严重性划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级失效可能性划分为A、B、C、D级21浙江大学化工机械研究所模拟仿真法排队论方法定量概率评估方法道化学公司火灾、爆炸危险指数评价法肯特（W.Kent.Muhlbauer）管道风险评价法伤害（或破坏）范围评价法…4.2定量评价方法定量风险评估方法利用概率结构力学、有限元方法、断裂力学、可靠性与维修技术和各种强度理论，对管道的风险进行定量评价和决策。它必须建立在大量设计、施工和运行资料的基础上，建立完善的数据库管理系统，并掌握裂纹缺陷的扩展规律和管材的腐蚀速率，由此运用确定性或不确定性方法来建立评估的数学模型，然后进行分析求解。22浙江大学化工机械研究所肯特管道风险评价法肯特管道风险评价法是在求取管道相对风险数大小的基础上，确定管道危险程度管道风险评价框图相对风险数第三方损失指数指数和介质危险性指数扩散影响系数泄漏影响指数腐蚀指数错误指数收集资料设计指数23浙江大学化工机械研究所第三方破坏是指非管道营运单位工作人员造成的管道意外破坏，它与管道的最小埋深、管道所经地域活动水平、地上管道设备、公众教育、线路状况及巡线频率等因素有关，但不包括人为的蓄意破坏。A.最小埋深0～20B.活动水平0～20C.地上管道保护设施0～10D.巡线频率0～15E.公众教育0～15F.线路状态0～5G.单号呼叫系统0～15合计0～100第三方破坏指数该系统设置专用电话号码供即将在管线附近施工的单位或个人，通知管道营运单位、政府管理部门和管线负责人，以便临时给出施工处埋地管线的位置标记，并在施工过程中对管线进行检查。采用单号呼叫系统，可以减少与挖掘有关的管道事故。24浙江大学化工机械研究所腐蚀指数A.大气腐蚀A1.管道在空气中的暴露方式0～5A2.大气类型0～10A3.保护层0～5B.内腐蚀B1.介质腐蚀性0～10B2.内腐蚀保护0～10C.埋地金属腐蚀C1.阴极保护0～8C2.保护层0～10C3.土壤腐蚀性0～4C4.使用年限0～3C5.其他金属埋地物0～4C6.交流电干扰0～4C7.应力腐蚀0～5C8.测试桩0～6C9.密间隔管地电位0～8C10.管道猪0～8合计0～100设计指数A.钢管安全指数0～20B.系统安全指数0～20C.疲劳指数0