考虑设备跌落的天然气计量站失效后果计算方法*

李长俊，彭玉霞，吴 瑕

(西南石油大学 石油天然气工程学院，四川 成都 610500)

0 引言

天然气计量站主要承担着计量气体、检定仪表、校核标准的工作，因功能需要，同常规天然气站场相比，计量站阀门多，检定中使用桁车频繁，在对其进行失效后果评价时，需考虑阀门截断作用对机械损伤事故的影响及桁车失效所引发的设备跌落事故。目前，常用于天然气站场的失效后果计算方法[1-3]对此均未予考虑，故不能直接应用于天然气计量站。而国内外尚鲜有研究或公开文献。针对天然气计量站特点，提出相应的失效后果计算方法[4-6]。

针对上述问题，基于API 581标准，考虑阀门截断作用，以管段组储气量作为检定区域内管段失效的最大天然气泄漏量；针对桁车失效，增设设备跌落事故，以动量定理为依据，建立故障树及潜在影响面积计算模型；将影响面积内的管段、天然气、设备、人员等各方面损失折算为经济损失，形成统一的适用于天然气计量站失效后果计算方法，并将其应用于某天然气计量站管段后果评价中，验证该计算方法的可行性和适用性。

1 计量站失效后果分析

天然气计量站因其自身功能需要，相较于常规天然气站场而言，增设了检定流程，其具体步骤如图1所示。

在一次常规的检定流程中，需充泄压2次，扭动阀门12次，拆装管段2次，拆装仪表2次，需使用桁车等辅助设备对仪表进行搬运。而天然气计量站的年检定任务通常超过200台。相较于常规天然气站场而言，计量站检定工作频繁，具有管段人员操作频繁、桁车使用次数较多的特点。由此可得计量站存在的失效因素可能引发管段设备机械损伤和设备跌落2类失效事件，如图2所示。

图1 检定仪表流程Fig.1 Verification instrument flow

当流量计跌落时，将分别对管段、人员、设备造成损伤，其中，对管段造成破裂失效，将导致二次事故——天然气泄漏，该点与管段内腐蚀导致的机械损伤事故一致[7-9]。

图2 计量站失效事故分析Fig.2 Analysis of the failure accident of metering station

2 机械损伤事故失效后果计算方法

天然气计量站所输送气体主要成分为甲烷，管段设备发生机械损伤时，伴随着天然气泄漏，因泄漏孔径大小、泄漏量及处理方式的不同(是否异地点燃、是否立即点燃)将导致爆炸、喷射火、闪火、安全泄放等4种失效后果类型[10-13]。基于API 581，不同失效后果影响面积计算公式如表1所示。

表1 各类失效后果潜在影响面积计算公式Table 1 Formula for calculating the potential impact area of various failure consequences

但对于天然气计量站而言，因检定区域内管段组阀门数量多，一旦发生天然气泄漏可立即关闭阀门，使泄漏量仅为管段组储气量，故在API 581泄漏量计算步骤的基础上，将泄漏量最大值定为检定管段组储气量。通过判断管段是否位于检定区域，将检定管段组储气量G2与G1=vt1相比较，得到该泄漏孔径下的天然气泄漏量G0，G0=max(G1,G2)。

图3 天然气泄漏量计算思路Fig.3 Calculation idea of natural gas leakage

基于API 581标准中失效后果计算公式及衡量指标，结合计量站相关信息，确定潜在影响面积内管段损伤数、人员伤亡数及泄露天然气量，并将资产损失转换成经济损失。

3 设备跌落事故失效后果计算方法

3.1 事故分析

流量计从高处跌落时，若跌落范围内有天然气管段，将导致天然气泄漏；若工作人员处于跌落范围内，将导致人员受伤甚至死亡；而流量计跌落的高度则决定了其损伤程度。设备跌落事故分析如图4所示。

图4 天然气计量站设备跌落事故分析Fig.4 Analysis of equipment falling accident in natural gas metering station

3.2 潜在影响面积计算

考虑一般情况下使用桁车搬运仪表高度较低(<3 m)，所运移的流量计质量较大的情况，以标准《高处作业分级》 (SY/T 3608—2008)为基础，初步确定流量计发生设备跌落时，事故潜在影响面积半径R=3 m。

一旦发生设备跌落事故，因所搬运的流量计及其组件质量通常超过100 kg，当流量计从高处跌落，造成的冲击力>1 000 N，基于冲击力学，结合常温下工业管段许用应力，对管段造成的失效形式为破裂。

1)泄漏量的计算

若流量计跌落时对输气管段无影响，天然气泄漏量为0；若造成了多条输气管段破裂，需考虑检定区域管段组的储气量。

(1)

式中：n为破坏管段数；vi为第i条管段发生破裂时的泄漏速度，m/s；t为泄漏时间，s；G2为检定管段组储气量，m3。

2)潜在影响面积的计算

将泄漏量代入API 581标准中相关公式，得到设备跌落事故造成的潜在影响面积。

3.3 损失金额计算

基于事故的潜在影响面积计算结果，结合计量站相关信息，确定潜在影响面积内损伤管段数、人员伤亡数、泄露天然气量及设备损伤数。

1)管段损伤金额

位于潜在影响面积内的所有管段均会受到损伤。基于计算所得潜在影响面积，结合计量站管段具体位置，及计量站管段购置单价，即可得到管段损伤金额MP。

(2)

式中：n为波及的管段总数；mi为波及的第i条管段的原值。

2)人员伤亡赔偿金额

当流量计从高空跌落，会对流量计下方的人员造成伤亡；若未砸伤人、砸伤管段，导致天然气泄漏，基于API 581标准中机械损伤事故分析，亦会对人员造成伤亡。

建筑工程技术在建造建筑的同时非常注重环保，随着社会的飞速进步，环境的污染已然成为人类的首要问题。而建筑工程技术的运用则有效降低了环境的污染速度，虽不能从根本上治污，但建筑师们所采用的环保型材料有效抑制了污染的加剧。最常见的就是建筑节能技术的应用，遵循气候设计，对建筑整体划分区域，对外界条件因素，如风向、太阳辐射等的研究，设计出环保，低耗能的建筑，完全符合环保标准，人们不论是在建筑内工作、学习或是生活，都保证了建筑内最清洁的空气排放以及最节省的能源消耗，对人们的健康与身心都是一种保养。

从设备跌落砸伤及天然气泄漏事故间接造成的人员伤亡2方面考虑，基于当地人员工伤赔付准则、社平工资及本人工资，确定死亡、重伤、轻伤的赔偿金额；分别与伤亡人数相乘，得到管段发生机械损伤事故造成的人员伤亡金额。

表2 人员伤亡赔偿表Table 2 Casualty Compensation form

3)天然气泄漏金额

将天然气单价mgas与天然气泄漏量G0相乘，即可得到天然气泄漏金额。

MT=mgasG0

(3)

4)设备赔偿金额

在流量计跌落过程中，是否受到损伤，主要取决于流量计跌落时的高度。

将流量计从高处跌落至地面视为非弹性碰撞的自由落体运动，结合冲击力学及弹塑性力学及流量计材料的许用应力[14-15]，考虑流量计及其组件质量>100 kg，通过撞击力计算公式I=mv可得，当流量计跌落高度≥1 m时，设备将会受到损伤，基于此建立设备损伤故障树。

图5 设备损伤分析Fig.5 Analysis diagram of equipment damage

结合流量计跌落高度及设备原值，对损伤流量计进行统计，得到设备跌落事故造成的设备赔偿金额MS。

将以上计算金额相加，即可得到管段发生设备跌落事故时，造成的后果：

M=MP+MR+MT+MS

(4)

4 应用实例

4.1 计量站详情

某天然气计量站位检定用气体为甲烷，检定压力5.0～9.0 MPa，检定台储气量为670.31 m3。本文以检定区域内距离桁车搬运路线最近管段(长度为4.4 m，检定口径为DN300)为例，计算该管段的失效后果。

4.2 失效后果计算

基于API 581标准中机械损伤事故及本研究的设备跌落事故失效后果计算方法，通过计算事故发生造成的管段、人员、天然气、仪表赔偿损失金额，得到计量站不同失效事故造成的后果。

1)机械损伤事故

采用各类失效后果模型计算公式，可得到该管段发生小孔、中孔、大孔、破裂时，各类失效后果潜在影响面积，如表3所示。

表3 失效后果潜在影响面积Table 3 Potential impact area of failure consequences

结合API 581标准中推荐DN300管段发生各类孔隙的失效概率，该管段发生天然气泄漏事故潜在影响面积：

S1=99.99 m2

检定区域管段组的储气量为机械损伤事故泄漏量为670.31 m3。

因计量站地处郊区，周边居民较少，仅在检定仪表时，检定区域内才会出现人员，无人员伤亡；结合该计量站周边实际情况，损伤管段共8条，各管段编号及原值如表4所示。结合管段、人员、天然气赔偿单价，确定该管段发生机械损伤事故时需赔偿金额。

对于机械损伤事故，天然气泄漏损失金额M1T为0.178万元；人员伤亡等级赔偿金额M1R为0；管段损失金额M1P为133.50万元；损失总金额M1为以上3项损失之和即133.68万元。

2)设备跌落事故

该管段位于流量计跌落范围内，一旦发生设备跌落事故，该管段将破裂失效。由表3可得，其造成的二次事故(天然气泄漏)潜在影响面积S2为249.85 m2。

结合计量站管段设备具体分布位置及设备原值，可知潜在影响面积区域内损伤管段共16条，各管段原值及管段赔偿总额如表4所示；该计量站仪器仪表拆装人员配置为4人1组，发生跌落事故时，将直接造成4人死亡；结合管段、人员、天然气赔偿单价，确定该管段发生设备跌落事故时需赔偿金额。

表4 设备跌落事故损伤管段信息Table 4 Equipment drop accident damage pipe section information

管段损失金额M2P为2 018.09万元；人员赔偿金额M2R=58.74×4=234.96万元；天然气泄漏损失金额M2T=670.31×0.266×0.001=0.178万元；设备赔偿金额M2S=9.86万元。将上述4项赔偿金额相加，得到流量计从高空跌落造成的金额损失总额M2为453.09万元。

通过对DN300管段失效后果分析可得，机械损伤事故金额为133.68万元，设备跌落事故损失金额为453.09万元，增设的设备跌落事故造成的金额损失接近机械损伤事故的3倍，当考虑设备跌落事故造成的损失金额，该管段的风险等级从低级上升为中低级。

5 结论

1)现有的天然气站场失效后果评价标准因计量站检定流程中存在大量的阀门及桁车操作，不能直接应用于天然气计量站，需要考虑阀门截断作用对机械损伤事故的影响以及桁车失效引发设备跌落事故的影响。

2)在API 581标准的基础上，将管段组储气量作为天然气计量站发生机械损伤事故时天然气泄漏量的最大值，并据此对天然气泄漏量计算公式进行了改进。

3)在常规天然气站场失效后果所考虑的机械损伤事故基础上，增设了设备跌落事故，建立了该事故的潜在影响面积计算模型，并将影响面积内损伤的管段及设备、泄漏的天然气、伤亡的人员等折算为经济损失，建立了考虑设备跌落的天然气计量站失效后果计算方法。该方法可为天然气计量站失效后果评价提供理论支撑。