Consequence of Combustion and Explosion After High-pressure Natural Gas Pipeline Leakage
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摘要: 针对高压天然气管道的泄漏问题, 分析了喷射火、火球和蒸气云爆炸3种危害模式及其死亡半径。按照大孔泄漏导致50%人员致死率的损伤标准, 对三者的死亡半径进行了分析。结果表明: 相同情况下, 火球和喷射火的死亡半径比蒸气云爆炸的死亡半径大得多; 火球和喷射火的死亡半径较为相近。高压天然气管道泄漏发生喷射火的概率较大, 建议在进行天然气管道风险评价时重点考虑喷射火的危害。
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高压天然气管道泄漏危害后果的确定是风险评价的基础, 国内外对确定天然气管道泄漏危害区域的研究较多。多数研究者认为: 管道失效泄漏的主要危害形式是喷射火、火球、蒸气云爆炸[1-3]。这些研究涉及了泄漏危害相应后果的伤害半径的计算, 但没有进行后果的比较分析。在风险评价的应用中, 需要针对各种危害形式作出相应后果大小的工程判断。以下通过研究喷射火、火球、蒸气云爆炸的死亡半径, 分析得出危害较大的后果模式。
1. 研究对象
管道内泄漏的易燃、易爆气体可能产生各种不同的失效后果。发生泄漏时, 根据点燃时间、阻止泄漏等因素可将危害形式分为喷射火、火球、蒸气云爆炸和安全扩散。据统计, 大孔泄漏在管道事故中占有较大的比例(29%)[2], 而且后果严重, 因此选择大孔泄漏作为研究对象。
2. 计算模型
2.1 伤害准则
喷射火和火球的伤害形式为热辐射, 而蒸气云爆炸的伤害形式为冲击波。热辐射的伤害准则有热通量准则、热剂量准则和热通量-时间准则。冲击波的伤害准则有超压准则、冲量准则、超压-冲量准则。对于喷射火的热辐射伤害, 假定其为稳定火灾, 则采用热通量准则; 对于火球的热辐射伤害, 假定其为瞬时火灾, 则采用热通量-时间准则; 对于蒸气云爆炸, 可采用超压-冲量准则。由于热辐射和冲击波的伤害机理不一致, 难以直接进行比较, 为了方便, 采用50%致死率作为统一基准。
2.2 伤害半径的计算
2.2.1 喷射火
喷射火的热辐射计算公式[4]:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2010/12/href="yqcy-29-12-903-FE1.png")
式中: α为热辐射效率因数; Q为泄漏气体的流量, kg/s; H为燃烧热值, kJ/kg; T为热辐射率因数; r1为到失效点的距离, m; r2为火焰尺寸, m。
依据文献[5]的相关规定, 暴露时间为30 s时, 喷射火热辐射导致人员50%致死率对应的热辐射通量为25.24 kW/m2。
2.2.2 火球
火球的热辐射计算公式[6]:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2010/12/href="yqcy-29-12-903-FE2.png")
式中: I为对象遭受的热辐射强度, kW/m2; τ为大气透射率; E为火球表面热辐射通量, kW/m2; F为火球的几何视角因数; c取2.02(N/m)-0.09; pw为环境温度Ta下水的分压力, Pa; d为对象到火球的距离, m; E为火球表面热辐射通量, kW/m2; r为火球中心地面投影与目标的距离, m; R为火球半径, m。计算中, 参与火球燃烧的气云质量比例取90% [7]。火球导致人员50%致死率对应的热辐射强度计算公式[8]:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2010/12/href="yqcy-29-12-903-FE3.png")
式中: I为人体接受的热通量, kW/m2; t为火球持续时间, s; Pr为伤害概率单位, Pr=5时对应的人员致死率是50%。
2.2.3 蒸气云爆炸
蒸气云爆炸产生冲击波, 根据TNT当量法, 天然气的TNT当量计算公式[9]:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2010/12/href="yqcy-29-12-903-FE4.png")
冲击波导致人员50%致死率的死亡半径计算公式:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2010/12/href="yqcy-29-12-903-FE5.png")
式中: HTNT为TNT的爆炸热, J/kg; WTNT为天然气的TNT当量, kg; W为蒸气云中可燃气体的质量, kg; H为天然气的燃烧热值, J/kg; α为可燃气体蒸气云的当量因数, 根据统计资料[10], α取值一般为0.02%~15.9%, 在人员致死率为50%的蒸气云爆炸事故中, α≤3%;在人员致死率为60%的蒸气云爆炸事故中, α≤4%;在人员致死率为97%的蒸气云爆炸事故中, α≤10%。本研究α取平均值4%。
2.2.4 泄漏量计算模型
采用大孔模型计算泄漏量, 该模型认为泄漏孔孔径较大时, 管道内压力受泄漏的影响降低, 同时由于管内摩擦, 管道泄漏率也由此降低。因而采用大孔模型, 结合孔口泄漏和管流状态, 进行孔口泄漏率的计算[11]。
3. 结果分析
假设: 输气管道长20 km, 管径1 219 mm, 压力12 MPa, 粗糙度46 μm, 管内天然气中CH4含量94.72%, 温度15 ℃, 摩尔质量17.1 g/mol。管道失效位置距管道起点等效长度10 km。
3.1 不同压力时的死亡半径
管道泄漏孔径d为610 mm, 压力分别为10 MPa和12 MPa, 由3种危害造成的死亡半径(图 1)可知:
(1) 喷射火、火球的死亡半径比蒸气云爆炸的死亡半径明显增大, 原因有两个: 一是处于开放爆炸空间的蒸气云内部的压力小; 二是参与蒸气云爆炸的天然气比例小, 只有约4%, 而参与喷射火的天然气比例约为100%, 参与火球燃烧的天然气比例超过90%。
(2) 随压力的增大, 3种危害的死亡半径增大。对于喷射火, 压力增大使得喷射火的速度、火焰长度等增大, 火焰的影响半径扩大; 对于火球, 压力增大使得泄漏量大幅增加, 因此死亡半径扩大; 对于蒸气云爆炸, 压力增大并不能使参与蒸气云爆炸的天然气的质量大幅增加, 因而死亡半径增大幅度较小。
3.2 不同泄漏孔径时的死亡半径
管道压力分别为10 MPa和12 MPa, 泄漏孔径不同(d/D=0.2, 0.5, 1)时, 由3种危害造成的死亡半径(图 2)可知:
(1) 火球、蒸气云爆炸的死亡半径随泄漏孔径的增大而增加。泄漏孔径增大, 则泄漏的天然气总质量增加, 参与火球和蒸气云爆炸的天然气的质量随之增多。因为参与蒸气云爆炸的天然气质量仅占泄漏天然气质量的4%, 所以其死亡半径增长幅度较小。喷射火的死亡半径变化规律是先增后减, 这是因为泄漏孔径开始增加时, 天然气质量泄漏率增长很快, 但是喷射火的表面积增加缓慢, 使得喷射火的表面辐射率迅速增加, 造成死亡半径增大; 当泄漏孔径增大到一定程度后, 天然气质量泄漏率的增加变得平缓, 而喷射火的表面积却迅速增大, 使得喷射火的表面辐射率迅速下降, 造成死亡半径减小。
(2) 在相同泄漏孔径下, 死亡半径的大小顺序为火球、喷射火、蒸气云爆炸。
3.3 不同管径时的死亡半径
当压力为10 MPa, d/D=0.5, 管径分别为720 mm、864 mm、914 mm、1016 mm、1219 mm时, 由3种危害的死亡半径(图 3)可知: 3种危害的死亡半径大小排序依次为火球、喷射火、蒸气云爆炸。
通过分析高压天然气管道泄漏后果3种危害形式的死亡半径可知: 相同情况下, 火球和喷射火的死亡半径比蒸气云爆炸的死亡半径大得多, 因此, 蒸气云爆炸危害在管道风险评价与后果评估时可不予重点考虑; 火球和喷射火的死亡半径较为接近。鉴于喷射火发生概率较高, 为了降低天然气管道风险评价的难度和复杂性, 建议重点考虑喷射火的危害。
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[1] 秦岭, 张鹏, 陈利琼, 等. 输气管道失效HCA模型的确定[J]. 天然气与石油, 2007, 25(1): 7-10. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TRYS200701003.htm [2] 向启贵, 熊军. 天然气输气管道环境风险评价[J]. 石油与天然气化工, 2002, 31(C00): 71-75. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-STQG2002S1019.htm [3] 翁永基. 油气管道泄漏事故的定量风险评价[J]. 石油学报, 2004, 25(5): 108-112. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYXB200405024.htm [4] 王大庆, 高惠林, 霍春勇, 等. 天然气管道泄漏射流火焰形貌研究[J]. 油气储运, 2006, 25(2): 47-49. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YQCY200602012.htm [5] 任启瑞, 郭成华, 熊光德, 等. SY/T6621-2005输气管道系统管道完整性管理[S]. 北京: 石油工业出版社, 2005. [6] 胡毅廷, 饶国宁, 陈网桦, 等. 天然气输送管道泄漏事故危害定量分析[J]. 中国安全科学学报, 2003, 13(6): 21-24. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZAQK200801027.htm [7] 马涛, 於孝春, 沈士明. 火球热辐射影响范围的修正计算[J]. 石油与天然气化工, 2006, 35(1): 76-78. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-STQG200601026.htm [8] 宇德明, 冯长根, 曾庆轩, 等. 热辐射的破坏准则和池火灾的破坏半径[J]. 中国安全科学学报, 1996, 6(2): 5-10. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZAQK199602001.htm [9] 靳自兵. LNG储罐发生UVCE爆炸火灾事故后果评价研究[J]. 安防科技, 2005(6): 29-33. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-AFKJ200506008.htm [10] 陈国华. 风险工程学[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007: 165-166. [11] Montiel H, Vilchez J A, Casal J, et al. Mathematical modeling of accidental gas releases[J]. Journal of Hazardous Materials, 1998, 59: 211-233.
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