管道运输是天然气输送的首选方案,在国民经济和社会发展中占有重要地位。近年来,天然气管道的高速发展,虽然给国家工业生产和人民生活提供了极大的便利,但也给天然气管道安全距离的合理性设置提出了新的挑战。安全距离过大必然造成管道周边区域的土地资源浪费,过小则会增加火灾爆炸的事故风险。设置合理的安全距离对于保障天然气管道的安全运行和人民生命财产安全具有重要的意义。目前天然气管道安全距离标准较少,且多是基于分析国外标准和总结国内经验得到的。本文在天然气管道风险分析的基础上,提出了基于风险的安全距离计算方法,该方法综合考虑事故发生概率和事故后果严重度,是指导天然气管道安全距离合理性设置的有效途径。基于风险的天然气管道安全距离计算方法,首先在统计欧美等国家天然气管道失效数据的基础上,分析天然气管道的风险因素和失效概率数据,利用贝叶斯理论确定天然气管道的基础失效概率,并应用经验修正公式对特定管道的基础失效概率进行修正,结合点火概率分析,建立天然气管道事故发生概率计算模型;其次,通过分析事故后果计算程序、事故后果类型及事故后果计算模型,对喷射火和蒸气云爆炸等事故后果进行数值模拟,并分析压力、管径、泄漏尺寸、泄漏方向和风速等因素对事故后果的影响;然后,选择个人风险和社会风险作为风险计算指标,建立天然气管道的定量风险计算模型,并依据ALARP原则制定天然气管道的个人风险可容许标准和社会风险可容许标准;在此基础上,提出基于风险的天然气管道安全距离计算方法。另外,为验证基于风险方法的优越性,基于最坏可信事故情景分析,提出基于后果的天然气管道安全距离计算方法。论文的主要研究内容具体如下:(1)天然气管道风险因素分析与失效等级研究。通过对国内外天然气管道事故案例进行分析,确定造成管道失效的重要原因包括施工作业、腐蚀、管材缺陷、第三方事故、维护不当、土壤移动和错误操作等。基于对欧洲EGIG、美国PHMSA、英国UPOKA、加拿大AER和我国天然气管道的事故统计分析,明确了事故原因及其所占的比例,确定了第三方破坏、内腐蚀、外腐蚀、施工缺陷/材料失效和土壤移动等是造成管道失效的最主要原因。在国内外事故案例分析和事故统计分析的基础上,总结了天然气管道的主要风险因素,包括第三方破坏、腐蚀、误操作、施工缺陷/材料失效和土壤移动等。基于风险因素分析,应用未确知测度理论对天然气管道失效等级进行评估,为掌握管道危险等级和识别高风险管段提供了理论依据。(2)天然气管道事故发生概率计算方法研究。统计分析欧美等国家的天然气管道失效数据可知:欧洲EGIG推荐的失效概率为0.329×10-3/(km?a),美国PHMSA为0.131×10-3/(km?a),英国UPOKA为0.255×10-3/(km?a)。对于欧洲天然气管道,小孔/裂纹的失效概率最高,其次是中孔,破裂最小;第三方破坏主要造成中孔失效,其次是小孔/裂缝和破裂;腐蚀主要造成小孔/裂缝失效;施工缺陷/材料失效主要造成小孔/裂缝失效,其次是中孔失效;土壤移动主要造成破裂失效;破裂主要是由第三方破坏造成的,其次是土壤移动。基于欧洲EGIG失效数据分析,应用贝叶斯更新理论对天然气管道的基础失效概率进行分析,结果表明:近年来基础失效概率总体呈稳定下降趋势,且随着失效数据库的增大逐渐趋于稳定,确定了目前的天然气管道基础失效概率为0.39×10-3/(km?a)。基于EGIG历史失效数据库,分析各失效原因的一级失效概率和二级失效概率,确定了各失效原因的修正参数和修正公式;根据各失效原因二级失效概率与一级失效概率的比值,确定了各修正参数的取值系数,利用修正公式对各失效原因的基础失效概率进行修正,通过求和函数计算每单位长度管道的失效概率,应用经验修正公式实现了对特定天然气管道基础失效概率的修正。结合点火概率分析,建立了天然气管道事故发生概率计算模型。(3)天然气管道事故后果计算与数值模拟研究。在确定代表性物质、选择泄漏孔径、估算可泄漏介质总量,确定泄漏速率和泄漏类型等的基础上,建立了天然气管道事故后果计算程序,分析了事故后果类型、事故后果伤害形式、事故后果模型、火灾热辐射伤害模型和爆炸冲击波超压伤害模型。在选取计算程序、确定模拟条件的基础上,对喷射火、蒸气云爆炸等典型事故后果进行数值模拟,并分析压力、管径、泄漏尺寸、泄漏方向、风速等因素对事故后果的影响,确定了不同条件下的事故后果影响距离。研究表明:喷射火热辐射影响距离随压力、管径、泄漏尺寸的增大而增大;随泄漏方向倾角的减小而增大;下风向距离较小时,喷射火热辐射强度随风速的增大而增强,下风向距离较大时,喷射火热辐射强度受风速的影响较小。蒸气云爆炸冲击波超压影响距离随压力、管径、泄漏尺寸和大气稳定度等级的增大而增大;随泄漏方向倾角的减小而增大;下风向距离较小时,超压受风速影响较小,下风向距离较大时,超压随风速的减小而增大。相同条件下,喷射火热辐射比蒸气云爆炸冲击波超压总体上具有更严重的事故后果。(4)天然气管道定量风险计算与可容许风险标准研究。分析了天然气管道系统存在的个人风险、社会风险和环境风险等,通过对比社会公众对风险类型的关注程度,选择将个人风险和社会风险作为天然气管道定量风险计算和安全距离计算的风险指标。基于事故发生概率计算模型和事故后果计算模型研究,建立了天然气管道定量风险计算程序、个人风险计算模型和社会风险计算模型。在分析可容许风险标准的确定原则与方法,以及国内外危险源(包括管道)的可容许风险标准研究成果的基础上,制定了我国新建管道和在役管道的个人风险可容许标准,并确定了1km长度管道的社会风险可容许标准。(5)天然气管道安全距离计算方法研究。对天然气管道安全距离进行了相关说明,明确了安全距离主要关注热辐射和超压的影响,确定了安全距离计算的两种方法,即基于风险的方法和基于后果的方法。根据管道周边对象的敏感程度和人口密集程度等的不同,确定了安全距离的4类防护对象类型。基于定量风险计算模型和不同防护对象类型的个人风险可容许标准研究成果,建立了基于风险的天然气管道安全距离计算程序和计算模型。在各失效原因二级失效概率分析的基础上,提出了风险消减措施,为降低天然气管道的安全距离要求提供了方向。根据基于风险的安全距离进行风险区域划分,结合个人风险可容许标准和社会风险可容许标准,提出了管道周边各个风险区域内的土地利用规划建议。通过文献分析、事故后果模拟与事故后果对比分析等,确定最坏可信事故情景,结合安全距离设定准则,建立了基于后果的天然气管道安全距离计算程序和计算模型,并应用于应急响应区域划分,为管道公司或地方政府编制事故应急预案提供理论依据。(6)在论文研究成果的基础上,将基于风险的天然气管道安全距离计算方法进行工程实例应用,分析采取风险消减措施前后实例管道的安全距离变化,并与基于后果的安全距离计算方法进行比较。结果表明:基于后果的方法仅考虑事故后果严重度,所确定的安全距离过大,易造成土地资源浪费,可行性差。基于风险的方法综合考虑了事故发生概率和事故后果严重度,根据不同防护对象类型的个人风险可容许标准,确定了不同防护对象类型的安全距离,能够有效地将不同对象类型的事故风险控制在可容许范围内。另外,风险消减措施有效地降低了天然气管道的安全距离要求。因此,基于风险的天然气管道安全距离计算方法是科学的、合理的和可行的,对指导天然气管道安全距离的合理性设置和管道周边区域土地利用规划等具有重要的理论意义和参考价值。论文的研究工作具有以下创新点:(1)基于贝叶斯更新理论,确定了天然气管道目前的基础失效概率为0.39×10-3/(km?a)。根据欧洲EGIG失效数据分析,确定了各失效原因的修正参数、修正公式和取值系数,基于经验修正公式,实现了对特定天然气管道基础失效概率的修正。(2)研究并确定了天然气管道4类防护对象类型的个人风险可容许标准和1km长度管道的社会风险可容许标准。(3)提出了基于风险的天然气管道安全距离计算方法,并提出了风险消减措施,为有效地降低天然气管道的安全距离要求提供了方向。