区域等级划分

42 地区等级划分 421、422 我国大型输气管道工程建设始于 20 世纪 50年代。管道的安 全保证基本上是沿用前苏联大型管线设计模式，埋地管道与居民点、工矿企业和 独立建构筑物之间保持一定的安全距离。后来，根据我国情况制定了埋地输气 干线至各类建构筑物最小安全距离、防火距离，但在执行过程中，遇到很多矛 盾，有些问题，难以解决。20世纪 70 年代中期参照美国国家标准 ASME B318， 按不同的地区等级采用不同的设计系数，做出相应的管道设计。当时，地区等级 不是按居民密度指数来划分，而是以建构筑物的安全防火类别为基础，相应地划 分出四类地区等级，设计系数与美国国家标准 ASME B318 的规定一致，经实践， 尚属可行。本标准在分析国外标准和总结国内经验的基础上，规定采用控制管道 自身的安全性作为输气管道的设计原则。现分述如下： 第一，管道安全保证的两种指导思想。在输气管道建设中的安全保证有两种指导 思想：一是控制管道自身的安全性，如美国国家标准ASMEB31. 8。它的原则是 严格控制管道及其构件的强度和严密性，并贯穿到从管道设计、设备材料选用、 施工、生产、维护到更新改造的全过程。用控制管道的强度来确保管线系统的安 全，从而对周围建构筑物提供安全保证。目前欧美各国多采用这种设防原则。二 是控制安全距离，如前苏联“大型管线”设计标准。它虽对管道系统强度有一定 的要求，但主要是控制管道与周围建构筑物的距离，以此对周围建构筑物提供安 全保证。四川地区30 多年来输气管道设计、建设的实践表明，由于我国人口众多，地面 建筑物稠密，按安全距离进行管道设计建设，不仅选线难度大，而且即使保证了 安全距离未必就能保证周围建构筑物和居民的安全。例如，四川付纳输气管线 (屮720X8)于1979年11月25日发生爆破，爆破时管道压力为2MPa,距管道 150 200m远的农舍因室内余火未尽，引爆着火，烧毁民房8间，烧死牛1只、 猪5头。1980年付纳线整改后，重新试压至5MPa时，管子爆破，管沟中 400mmX400mmXl000mm条石飞出100余米。又如，1965年4月美国路易斯安纳 州发生一起美国有史以来最严重的输气管道爆破事故，当场炸死17人，钢管爆 裂8m，炸出一条长8m、宽6m、深3m的大坑，把半吨多重的5块钢板炸到100 余米远的地方。第二，加强管道自身安全是对管道周围建筑物安全的重要保证。对于任何地区的 管道仅就承受内压而言，应是安全可靠的。如果存在有可能造成管道损伤的不安 全因素，就需采取一定的措施以保证管道的安全。欧美国家输气管道设计采取的 主要的安全措施，是随着公共活动的增加而降低管道应力水平，即增加管道壁厚， 以强度确保管道自身的安全，从而对管道周围建筑物提供安全保证。这种“公共 活动”的定量方法就是确定地区等级，并使管道设计与相应的设计系数相结合。 美国 OPSR 统计资料表明，处在三、四级地区的商业区、工业区、住宅区的管道 外力事故是很低的。在这些地区主要采取降低管道应力的方法增加安全度。按不 同的地区等级，采用不同的设计系数(F)来保证管道周围建构筑物的安全。显然 这种做法比采取安全距离适应性强，线路选择比较灵活，也较经济合理。第三，强度设计系数(F)。管道安全性的判断是许用应力值，使用条件不同其值 亦异。即使在同样条件下，根据各国国情，其值亦有所不同。美国国家标准ASME B31. 8按管道使用条件对许用应力值有详细的规定，该标准1992年以前规定的 许用应力值在0.4o 0.72a之间。其最大许用应力值(0.72o )与其他用途 s s s 管道相比，除与液体输送管线系统ANSI B31. 4规定的许用应力值相等外， 均比其他压力管线的许用应力值高。因为输气管线设计采用设计系数 o72 时， 管道应处在野外和人口稀少的地区，一旦发生事故，对外界的危害程度不大。同 时管道外形较工厂管线简单，安全度小些应是合理的。其最小许用应力值（o. 4。） s 与ANSIB31. 3化工和炼油厂管线基本一致。采用设计系数O. 4时，管道应 处在人口稠密和楼房集中交通频繁的地区。由于输气管道聚集了大量的弹性压缩 能量，管道一旦发生破坏，对周围环境危害甚大。因此，应降低许用应力值，提 高安全度，以确保管道周围建构筑物的安全。此外在该类地区的线路截断阀最大 间距为8km,管道发生事故时，气体向外释放量较其他地区少，从而把危害降低 到最低跟度。根据国内外的大量实践证明，按不同的地区等级采用不同的设计系 数来设计管道是安全可靠的。合理使用管材强度在经济上是合理的。本规范采用 的设计系数与美国国家标准ASME B31. 8 一致，即0。72、0. 6、O. 5、0. 4。 第四，地区等级划分。美国国家标准ASMEB31. 8按不同的居民（建筑物）密度指 数将输气管道沿线划分为四个地区等级。其划分的具体方法是以管道中心两侧各 1/8英里（201m）范围内，任意划分成长度为1英里的若干管段，在划定的管段 区域内计算供人居住独立建筑物（户）数目，定为该区域的居民（建筑物）密度指 数，并以此确定地区等级。法国燃气管线安全规程（1977 年版）则划分为三个地 区等级。其划分标准是沿管道中心两侧各200m范围内，按每公顷面积上计算住 宅或住人场所的密度指数。各国的地区等级划分标准见表 5。我国幅员辽阔，东西南北的地区特征差别甚大。根据我们多年来的工作实践，按 居民（建筑物）密度指数划分四个地区等级，进行相应的管道设计是适宜的。同时， 从我国实际情况出发，对居民（建筑物）密度指数的确定做了一些改变。本规范采用沿管道中心线两侧各200m范围内，任意划分长度为2km的若干管段 区域，按划定区域内供人居住的独立建筑物（户）数目（以数目多者为准）确定居民 （建筑物）密度指数（见表4）。我国是世界上人口最多的国家，现有人口超过1l亿。我国人口分布很不均匀， 东部人口密度大，沿海地区每平方公里 300人以上；西部人口密度小，每平方公 里40多人。全国平均每平方公里 110人。农村人口约占全国人口的 73. 8， 全国农村人口平均每平方公里约87 人。如果农村以每4人为一户来计算独立建 筑物数，则居民（建筑物）密度指数每平方公里约为 21. 7。若按本规范提出的管 段划分区域（0. 8 平方公里）计算，则指数为17。四川地区农村人口较多，且分 散居住，以往输气管道设计系数大都采用 o. 6，相当于二级地区。若按 ANSIB31. 8 规定的指数，则四川三级地区管道长度增加较多。本规范根据我国实际情况，规 定了居民（建筑物）密度（见表4）。综上所述，用提高输气管道自身的安全度来保证管道周围建构筑物的安全是积极 的。与用安全距离来保证管道周围建构筑物的安全相比，前者较为合理，已被当 今许多工业发达国家所采用。因此，本规范采用提高管道自身强度安全的原则。 国外20世纪90年代出版的标准中，有把设计系数提高到o. 8的例子。加拿大 国家标准石油和天然气管线系统CSAZ662 99规定，一级地区在连续长度 1. 6km，管线两侧200m范围内居民住房小于等于10户，其设计系数可为0. 8, 同时规定，按照加拿大国家标准管线钢管CAN/CSAZ245. 1和美国国家标 准管线钢管 APl 5L 之外的标准制造的钢管，其设计压力产生的环向应力不 得大于72%最小屈服应力。国际标准石油天然气工业管道输送系统ISO 13623：2000（E）规定：在不常有人类活动和永久性住宅地区（如沙漠、冻土地区），天然 气输送管道的环向应力系数可提高到083，但该标准壁厚计算公式略有不同。 英国及欧洲标准天然气供气系统一一最大操作压力超过16bar的管线的基本要 求SB EN11594 2000中规定最大设计系数WO. 72。从1992年起，美国输 气和配气管道系统ASMEB31. 8将一级地区分为一级一类和一级二类，一级一 类地区设计系数大于o, 72、等于或小于o. 8,并说明该设计准则是在实际操作 应力水平高于B31. 8以前推荐使用的应力水平的输气管道运行经验的基础上制 定的，规定当设计系数为o. 8时，强度试验压力应达到1. 25倍设计压力，试 验介质为水。美国联邦强制性法规联邦管道安全法49 CFR 192天然气部分 （1999年版）对一级地区的设计系数并未提高，仍然为0.72。联邦管道安全法 49 CFR192是美国联邦法规，输气和配气管道系统）ASME B31. 8是美国国家 工业标准，在美国国内，当二者有冲突时，以联邦管道安全法为准。 提高设计系数，可减少管道壁厚，节省钢材，经济效益明显。但设计系数提高， 管材应力水平提高，相对安全系数降低，若冶金、制管、焊接施工中不能保证质 量，会存在较大风险。目前国内一级地区大都使用国产管材，其冶金、制管质量 与国际标准尚存在一定差距，在施工和焊接质量检验方面还未完全达到国际水 平。此外，我国目前尚无在大于o. 72许用应力条件下运行大然气输送管道的实 践经验。因此，结合我国实际条件，暂时没有将o. 8的设计系数列入本规范。4. 2. 3、4. 2. 4本规范规定在一、二、三、四级地区，设计系数分别为o. 72. o. 6、 o. 5、o. 4，这种相互对应的关系，在某些情况下有例外。如在一级地区内的特 殊地段穿（跨）越河流、铁路、公路以及输气站附近的管道，则不能套用相应 的地区等级来确定管道的设计系数，为避免混淆，本条文对各种情况作了明确的 规定，以便正确选用管道设计系数。输气管道穿越铁路、公路，国内外有关调研资料认为，设置穿越钢套管对阴极保 护起屏蔽作用，投资增加，还可能产生不均匀沉陷等不利因素。前苏联标准大 型管线CHSn 2. 05. 0685规定，大型管线穿越铁路和公路应设置钢质保护 套管。法国燃料气管线系统安全规程规定，输气管线穿越铁路，公路应设置套管。 对此，各国的认识尚不完全统一。我国铁路、公路部门对穿越管段不加设套管持 否定态度。我国原油和大然气输送管道穿跨越工程设计规范穿越工程SY/T 0015. 1第5. 1. 2条规定，穿越一、二、三级铁路和一、二级以上高等级公路 时应设置保护套管。为与现行规范的规定一致并考虑到铁路、公路部门的意见， 本条文仍按有套管穿越铁路、高速公路，一、二级公路；穿越三、四级公路可设 置套管也可不设套管。表4 本規范釆取的地区等缀划分标准展民建筑物）密度指数地区等缭10D四层及U1上搂房背遐集中、交通频繁、堆卜战施校多的地区四W5地区等级划分标准