城市燃气管道风险评估和控制

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1、城市燃气管道风险评估和控制 1 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 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 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 我国城市配气管网按输气表压P分为五级

2、 1 2我国天然气管网分类 4 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 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

3、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 我国各类天然气气质标准 6 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 1994年美国新泽西州发生了天然气

4、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 2003年11月17日晨6时左右 杭州市凤

5、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 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

6、具有较大的火灾危险性 易爆性 10 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

7、2 2 2储运工艺危险有害因素辨识 12 2 2 3人力与安全管理危险有害因素辨识 13 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 14 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 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

8、 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 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 腐蚀 土壤对钢制管道腐蚀评价标准 17 4 城市燃气管道风险评价 风险评价

9、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 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 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

10、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 20 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 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 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 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 aB很可能发生 2 10 2 a 概率P 10 1次 aC有时可能发生 2 10 3 a 概率P 2 10 2次 aD不大可能发生 概率P 2 10 3次 a 失效后

11、果严重性划分为 四个等级 失效可能性划分为A B C D级 21 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 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

12、险数大小的基础上 确定管道危险程度 管道风险评价框图 23 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 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 腐蚀指数 设计指数 25 错误指数 26 介质危险指数 指数和 第三方破坏 腐蚀指数 设计指数 错误指数 管道的相对风险数 相

13、对风险数越大 管道安全性越高 27 伤害 或破坏 范围评价法 1 介质泄漏扩散危害程度评价 音速流动的气体泄漏质量流量 亚音速流动的气体泄漏质量流量 泄漏危害范围 连续排放 瞬时排放 泄漏量估算 28 2 爆炸危险程度评价 TNT当量法 1000kgTNT爆炸时的冲击波超压 29 燃气管道一般埋地敷设 往往经过人口密集区 施工 检验 检修和安全状态检测的难度较大 介质通常易燃 易爆 有毒或具有腐蚀性 易发生火灾 爆炸或中毒事故 造成人员伤亡 财产损失和环境污染 管线投产初期设计 施工 管材 设备等诸方面不足均暴露出来 事故率较高 称之为幼年期 这一阶段通常为0 5 2年 以后一个阶段事故率一直

14、平稳地保持在低水平 称之为事故平稳期 通常可达35 40年 以后事故率呈上升态势 称之为老龄期 老龄期的管线如需要仍可服役较长时间 但要加强维护或降压运行 5 若干建议 30 从上世纪80年代开始筹划管道煤气工程 最早一批管道在1986年埋入地下 因此部分管道已处于老龄期 目前正铺设的燃气管道处于幼年期 各方面的不足将暴露出来 燃气管道输送介质现在输送介质将由煤气转换为天然气 两者相比较 天然气含水量很低且不含芳香烃类 某些密封管道的橡胶圈在多年的人工煤气工作环境下 会吸收水分而膨胀 当气体介质变得干燥后 橡胶材料会逐渐地释放出原来的水分 芳香烃 并产生收缩 严重时甚至会发生龟裂 物理性能也随

15、之变化 密封性能发生改变 根据资料表明 气源转换带来的影响 燃气管道安全评估的必要性 31 建立燃气管道的信息数据库 5 1风险评估 丰富燃气管道运行的历史数据库 使管道信息数据库具有规范性和通用性 为风险评价体系做好基本数据准备 数据库内容 1 历史资料的调查 包括管道及附件设计 施工 制造 维修 检验和竣工资料等 2 管道失效事故及技术处理资料 3 环境因素 包括地面 地下设施 违章建筑 交通 人口以及地貌 土壤 气象 地下水等资料 4 人口因素状况 管理机制 管理模式等数据 32 管网抽样检验 结合管道材料 气源性质 管道附近地面 地下设施情况 管道埋深情况 交通情况 居民分布状况以及地

16、区位置重要性等 确定地面开挖位置 根据确定的开挖位置 进行开挖和检验 检验内容为 管道材料 管道尺寸 管道壁厚 接头类型 接头结构 可燃气体检漏 土壤类型 土壤水份 植物根系 管道埋深 防腐层外观 防腐层类型 防腐层厚度等 失效可能性预测 根据大量失效的统计分析 一般认为 埋地管道的失效主要由四个方面的因素构成 即第三方破坏 腐蚀破坏 设计与施工失误和操作失误 通过分析以上四个因素 可估算出管道的失效可能性 33 失效后果严重度预测 预测失效后果严重度涉及的主要因素有 失效造成的人身伤亡 财产损失 对环境的影响 对供气系统的影响 维修费用 对社会影响等 确定高风险区域 根据风险评价方法确定高风

17、险区域和低风险区域 在此基础上对管道完整性维护决策进行优化 从而科学的分配维护资源 采取经济合理性的措施提高管道安全性 确定优化的检验策略 即确定检验周期 风险级别 检验方法 检验方法 检验方法需要有针对性和有效性 不同的运行损伤机理和失效模式应采用不同的检验方法 这主要依赖的是检验人员的水平和能力 34 确定可接受风险 由政府的有关部门和企业主管单位综合多方面因素确定 在满足风险降低要求下选择相应检验方法可以降低检验成本 合理的检验周期 要确保在下一次检验到来之前 设备的各种损伤 退化 劣化不致影响安全使用 同类设备在国内外使用的历史经验 中国法规规范的要求 设备的风险等级 含缺陷设备完整性

18、评估与寿命预测结果 国内外权威机构的指导建议 检验周期的确定至少要考虑以下五个因素 35 完整性管理 燃气管道风险评估本身是一项循环进行 不断优化 自我更新的工程活动 对这些技术性的工作流程应加以详细规范化 以利于总结和经验交流 对风险评价的结果进行认证也是一个总要的环节 可以确保评估结果有效并与实际的操作经验相符 确定降低风险的措施从两方面考虑 1 通过降低失效可能性调整风险 2 通过提高检验有效性调整风险 36 检测内容 管道防腐层的完整性土壤腐蚀性杂散电流大小 防腐层成型后的钢管经水冷却后 进入浮动探头 这时主机输出高频高压电 并调整到按防腐层规定的检测电压 输送给浮动探头的导电橡胶环

19、板 作为放电一级 当防腐层耐电压能力不够或有漏点 针孔时 导电橡胶环 板 就会产生放电 击穿空气与钢管金属基体 接地装置形成闭合回路 漏点处放电打火 漏点处打火时主机内高压电源的变压器里的线包电压发生变化 经检测电路测得的脉冲电压 经放大延时后 使继电器动作输出漏点信号 此信号驱动报警蜂鸣器进行声 光报警 同时打标机动作在管子防腐层漏点处喷涂标记 三层PE防腐管防腐层在线检测装置检测原理 5 2降低风险的措施 A 定期检测管道工作情况和周围环境并确定合理的保护措施 37 土壤腐蚀性检测包括 土壤含水率 土壤电阻率 土壤酸碱度 氧化还原电位 管地电位等 杭州市土壤测试调查结果 与土壤勘测分析规程

20、测量结果比较可得 杭州市土壤的腐蚀程度介于中等腐蚀和弱腐蚀之间 城东 城西 城北某些区域的腐蚀程度为强腐蚀 参考 杭州市地下燃气钢管腐蚀分析及牺牲阳极保护应用研究 38 阴极保护法 牺牲阳极保护法 外加电流法 39 牺牲阳极法与外加电流法比较优劣 1 外加电流法是将被保护金属与电源负极相连 牺牲阳极法是将保护金属与电位更负的牺牲阳极相连 2 牺牲阳极法具有不需要外加电源 不会干扰临近金属设施 无需征地或占用其他建构筑物 保护电流利用率高等 因此特别适合于城市范围内的埋地钢管防腐蚀 3 外加电流法保护范围大 适合范围广 激励电势及输出电流高 综合费用低等优点 但会产生干扰电流而影响其他管线及建筑

21、物 且还需要征地或占用建筑物 因此在实施时会带来较大的困难 故适合用于长输管线或市郊管线的防腐 4 各自施工要求不同 40 测量土壤的导电性 确保阴极保护能建立起连续的电路 检测阴极保护法效果 测量阴极保护系统的保护电位 是否满足设计要求 用超声波检测管道壁厚 与初始壁厚比较壁厚变化是否满足要求 城市燃气工程作为城市基础设施之一 是按照30年使用寿命设计施工的 工程管材 设备的质量直接影响整个工程的使用年限 管材设备从设计 选型 招标 质检 采购 运输 库存到施工的整个过程要按标准进行 B 加强工程材料的质量管理 41 I 管道焊接前必须检查管子外观 符合要求才准使用 II 焊接前先将管材 管

22、件放置现场一定时间 消除温差 III 焊接时应处理接口表面 每次收工时 管口应做临时封堵 IV 在管道下沟前 要对管沟进行复测 严格按工艺要求填平夯实 保证管道不能悬空 D 管道焊接严格要求 E 做好安全宣传教育和培训工作 有很多市民甚至不知道燃气管道的危险性 还有的单位认识不足 对燃气管线保护不力 出现这样的现象主要是安全宣传教育跟不上 宣传力度不够大 不够深 不够广 因此 要大力做好安全宣传教育工作 采取印制宣传片 播放电视新闻 举办安全知识竞赛等形式 在全社会造成一种人人都讲燃气管道安全的气氛 同时 要加强对燃气人员的专业理论培训 强化燃气安全意识 争取把隐患消灭于萌芽之中 42 公众号 安全生产管理 谢谢 43