天然气管道泄漏爆炸后果评价模型对比分析.pdf

第17 卷第8 期 20 07 年8 月 中国安全科学学报 C h i n a S a f e t y S c i e n c eJ 0 u m a l V d ．17 №．8 A u g ．20 07 天然气管道泄漏爆炸后果评价模型对比分析’ 梁瑞副教授张春燕姜峰王贵仁 兰州理王大学石油化工学院，兰州7 3 0 0 5 0 学科分类与代码锄．舶加中图分类号／0 3 7 文献标识码A 基金项目甘肃省自然科学基金资助 z s 0 2 1 一A 2 5 0 1 6 一G 。Z S 0 2 2 一A Z 5 一o o s 。 【摘要】天然气管道失效可能导致多种严重后果，爆炸灾害给周围的人员和建筑物造成重大的 危害，对其爆蚱危害范围的评价进行研究具有重要现实意义。笔者综合分析蒸气云爆炸 V C E 定 量评价模型和A P Ip u b5 8 1 后果评价模型；并以某输气管道为实例对爆炸后果进行了定量模拟评 价；得到死亡区域与泄漏时间的关系，确定了其爆炸事故的伤害范围；对两种模型的评价结果进行了 对比分析。爆炸后果评价模型的研究与其对比探讨，为今后输气管线的定量风险后果评价模型选取 提供参考依据。 【关键词】天然气管道；泄漏；爆炸；后果；模型 C o m p a r a t i v eA n a l y s i so fE v a l u a t i o nM o d e l sf o rE x p l o s i o nC o n s e q u e n c e C a u s e db yL e a k a g eo fN a t u r a lG a sP i p e l i n e s L I A N GR u i ．A s M ．P r 札Z I t A N GC h u n - y a hJ I A N GF e n gW A N GG u l - r e n C o H e g eo fP e h o e h e m i c ME n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a A b s t r a c t F a i l u r eo fn a t u r a lg a sp i p e l i n e sc f f lC R U S ev a r i o u s ∞v c r ec o n s e q u e n c e s ，a m o n gw h i c ht h em o s t s e r i o u so n ei se x p l o s i o n ，w h i c hC a l lp o s eas i g n i f i c a n tt h r e a tt op o o p l ea n dp m p o r t yi nt h ev i c i n i t yo ft h e f a i l u r el o c a t i o n ．S oi ti ss i i f i c a n tt oe v a l u a t et h ed a m a g i n gr a n g eo fn a t u r a lg a se x p l o s i o n ．T h eq u t m t i t a f i v ee v a l u a t i o nm o d e lo fV C E V a p o rC l o u dE x p l o s i o n a n dA i r [ p u b5 8 1e v a l u a t i o nm o d e lf o r “p 1 0 8 i o n c o n s e q u e n c ea r ea n a l y z e di nt h ep a p e r ．T h e nq u a n t i t a t i v es i m u l a t i o ne v a l u a t i o n sa r em a d eO i lt h ee x p l o s i o n c o n s e q u e n c e o f an a t u r eg a s p i p e l i n ea c c o r d i n g t o t h e t w o m o d e l s ．t h er e l a t i o nb m e e nd e a t ha r e aa n d l e a k a g er i m ei so b t a i n e da n dt h ed a m a g i n gr a n g eo fe x p l o s i o ni sd e t e r m i n e d ．B a s e dO i lt h e s er e s u l t s ，ac o m p a r a - r i v ea n a l y s i si sm a d eO i lt h ee v a l u a t i n gr e s u l t so b t a i n e db yt h et w on 1 0 c l e ] s ．T h i sm d vr e s u l t sp r o v i d ear e f e r - ∞c ef o rt h es e l e c t i o no fq u a n t i t a t i v er i s ke v a l u a t i o nm o d e l sf o rn a t u r a lg a sp i p e l l e ei nt h ef u t u r e ． K e yw o r d s n a I I l r eg a sp i p e l i n e ；l e a k a g e ；e x p l o s i o n ；c o n s e q u e n c e ；m o d e l 0 引言 天然气的主要成分是甲烷 约9 5 ％以上 ，其爆 炸极限很低，仅为5 ％一1 5 ％，属甲类化学危险品。 输气管道在运行过程中会受到多种内外因素的影 响，例如内外腐蚀、材料缺陷、第三方破坏等，使管 道发生泄漏。泄漏的气体很容易与空气混合形成爆 炸性混合气体，当某区域气云浓度高于爆炸下限 L g L 且低于爆炸上限 U E L 时，遇热源和明火将 会引发火灾爆炸事故，给其周围的人员和建筑物造 成重大的危害，对国民经济造成巨大的损失“q 1 。 如1 9 9 4 年川南宋牟线q | 1 2 0m m 集气管线发生爆破 和1 9 9 9 年某天然气管线接口处突然爆裂，事故都造 成了巨大的经济损失‘ “。 文章编号1 0 0 3 - 3 0 3 3 2 f 1 0 7 0 6 0 1 3 1 0 5 ；收稿日期9 ．0 0 7 0 3 1 1 ；磬稿日期2 0 0 7 0 7 0 6 万方数据 1 3 2 盖i 。尸鑫≯彘妻气耋第1 7 卷2 0 0 7 妊因此，对天然气管道泄漏事故危害范围评价模型进行比较研究，对于输气管线定量风险后果评价和风险管理具有重要现实意义，并为准确制定天然气管道的安全运行和提出应急预案提供决策依据。天然气管道失效后果和灾害类型有火灾和爆炸，火灾的影响模式为热辐射，而爆炸通过冲击波以及超压对建筑和人造成破坏与伤害㈨ 见图1 。爆炸有各种破坏效应。如热辐射、有毒气体产物的致命效应等，但最危险、破坏力最强、破坏区域最大的还是冲击波的破坏效应⋯3 。喊三三甲} 臣巫叵卜1 爆炸后果评价模型分析田1 夭然气管道泄漏后果分析示意圈爆炸分为物理爆炸和化学爆炸两大类。锅炉爆炸、压缩气体和液化气体钢瓶爆炸是典型的物理爆炸，物理爆炸影响范围较小，一般不作为重大危险进行后果分析。化学爆炸包括不稳定固体或气体的爆炸、受限空间内可燃气体爆炸和开放空间的气体蒸气云爆炸等，作为重大事故后果分析，最重要的是可燃气体泄漏引起的开放空间蒸气云爆炸”J 。对于事故爆炸后果的评定，该研究对蒸气云爆炸 V C E 定量评价模型及规范A P IP 1 1 b5 8 1 中提出的定量后果评价模型进行了分析。1 ．1 泄漏率的计算管道中气体泄漏质量流量与其流动状态有关，对于天然气管道，一般属于音速流动。泄漏率采用式 1 计算”1 Q 巳A P √K R M r 、K 2 “ 1 式中，口_ 质量流量，k s ／55G 泄漏系数。对气体取0 ．8 5 1 ，圆形裂口取1 A 孔E l 截面积。m 2 ；P _ 一管道内介质压力，P a ；卜气体绝热指数，天然气取1 ．3 ；_ ；l f 分子量，天然气取0 ．0 1 7k s ／t o o l ；△气体相对密度，取0 ．7 ；R 气体常数，8 ．3 1J ／ m o l K ；卜气体温度，K 。管线泄漏的气体泄漏率随时间变化。在失效的几秒钟内。泄漏率下降到最初最大值的一部分，当管线巡视人员发现管线泄漏后会关闭上游的截断阀门，管内压力逐渐降低，此外加上管内摩擦力的作用，泄漏率随时间逐渐降低，如图2 所示。当量泄漏率Q 井是最大泄漏率的一部分。管道断裂的失效事故导致介质从两端泄漏。当量泄漏率可由式 2 计算”J Q 口 2 A Q 2 式中， 泄漏率延迟因子；系数2 表示气体从断裂管道两端同时泄漏。圈2 泄漏率延迟【，l1 ．2 蒸气云爆炸 V C E 定量评价模型蒸气云爆炸 V C E 是一类经常发生且后果十分严重的爆炸事故。采用聊当量法估计蒸气云爆炸的严重程度。1 ．2 ．1T N T 当量的计算用州T 当量法预测蒸气云爆炸严重度的原理假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸，对形成冲击波有实际贡献，并以T N T 当量来表示蒸气云爆炸的 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 第8 期 粱瑞等天然气管道泄捅爆炸后果评价模型对比分析 1 3 3 威力。用式 3 来估计蒸气云爆炸的 当量W r r f r ‘“ ‰ 等 T 耵 为0 ．o l ，它要求的冲击波峰值超压为”0 0 0P a 。计 算R d a 。，仍用式 5 和式 6 计算⋯1 。 3 1 ．3 A P Ip u b5 8 1 定量后果评价模型 式中，形哪蒸气云的T N T 当量，k g ； 蒸气云的硎T 当量系数，取值范围 0 ．0 2 ％一1 4 ．9 ％，取4 ％ W 厂蒜气云中燃料的总质量，k g ； 仉燃料的燃烧热，U ／k s ； 口1 l ，哪爆炸热，E l ／k g ，其值为4 ．1 2 4 ．6 9 1 0 jk J ／k s ，取4 ．5 2 1 0 ，l ∥k g 。 已知蒸气云爆炸的州T 当量，可用以下方法估 计其严重程度。在估计死亡区半径时，使用超 压一冲量准则；在估计重伤区和轻伤区半径时，使用 超压准则。 1 ．2 ．2 死亡区半径 该区内的人员如缺少防护，则被认为将无例外 地蒙受严重伤害或死亡。其内径为零，外径记为 R ，，表示外圆周处人员因冲击波作用导致肺出血 而死亡的概率为0 ．5 ，它与爆炸量问的关系由式 4 确定‘”1 面 ％5 1 3 , 6 羔 ” 4 1 ．2 ．3 重伤区半径 该区内的人员如缺少防护，则绝大多数将遭受 严重伤害，极少数人可能死亡或受轻伤。其内径为 死亡半径月。，，外径记为P , A o ．，，表示该处人员因冲 击波作用耳膜破裂的概率为0 ．5 ，它要求的冲击波 峰值超压为4 40 0 0P a 。应用超压准则，冲击波超压 A J D 可按式 5 计算”“ A p 0 ．1 3 7 Z 。3 O ．1 1 9 Z 一2 0 ．2 6 7 Z ～一0 ．0 1 9 5 z ‰，㈦3 6 式中，蹁，目标到爆源的水平距离，即重伤区 半径，m ； p 。环境压力，P a ； B 一爆炸总能量o “，J 。 E 伊斋Q 。 7 1 ．2 ．4 轻伤区半径 该区内的人员如缺少防护，则绝大多数人员将 遭受轻微伤害，少数人将受重伤或平安无事，死亡的 可能性极小。其内径为重伤区的外径R d o ．，，外径为 R d o ．o ．，表示外边界处耳膜因冲击波作用破裂的概率 采用美国石油协会标准A P Ip u b5 8 1 基于风 险检测的基本源文件 中定量后果评价模型”2 1 对 天然气管道泄漏爆炸后果危害范围进行评价。 1 确定代表性流体及其性质对于天然气管 道，其代表性流体是R B I 基本资源文件中模拟的物 质C ．一c 2 。 2 确定代表性流体的最后相态流体泄放后的 扩散特性主要取决于环境中流体的相态 即液体或 气体 。如果当流体从稳态工况转换到稳态环境条 件时没有相变，则流体的最终相态与初始相态相同。 在此确定最后相态为气体。 3 选择泄漏孔尺寸A P Ip u b5 8 1 中管道4 个 泄漏范围的孔尺寸的代表值分别为6 ．31 1 1 1 1 1 ， 2 5 ．4m m ，1 0 1 ．6m m 及管径。 4 确定气体泄漏量泄漏率采用式 1 计算。 5 确定泄放类型瞬时释放及连续释放可用不 同的方法评价。选择不同的释放类型计算结果差异 很大。因此，正确地确定泄放类型是很重要的。对 于小孔 6 ．31 1 1 1 1 1 模拟为持续泄放。对于其他类型 孔尺寸，当泄放45 4 0 k 耗时不足3 r a i n 时，通过给 定孔尺寸的泄放为瞬时泄放。对于较低泄漏率模拟 为持续型泄放。 6 确定泄放潜在影响区A P l 5 8 1 中，泄放后果 的表达式如下 A “5 8 式中，A 结果区； o 、6 与物质和后果相关的常数； g 总泄放量 k 或泄漏率 k r ／s 。 对于天然气管道泄漏只考虑非自动点火情况，结 合具体泄放类型选出具体的计算公式如表l 所示。 表1 天然气管道泄漏后果影响区方程 持续泄放后果方程瞬时泄放后果方程 c l c 2 为泄漏率，k ∥s * 总泄放量，k g 设备破坏面积m 2 A 86 7 ，”A 6 ．4 6 ≯” 人员致死面积m 2 2 18 3 严“A 1 2 ．4 6 扩“ 2 模拟评价实例 某天然气输气管道在近郊处因施工误操作造成 管段断裂{ I } 漏并发生爆炸事故。该输气管道，其管 万方数据 中国安全科学学报第1 7 卷1 3 4 -C h i n aS a f e t yS e i e n c eJ o u r n a l2 0 0 7 年输压力为6 M P a ，管径为9 1 4 m m ，温度为2 0 ％，天然气燃烧热Q ， 5 1 0 4k J ／k g 。应用上述模型对其爆炸后果进行定量模拟评价，确定其爆炸事故的伤害范围。分别取泄漏时间为1s ，5B ，1 08 ，2 0s ，3 0B ，加s ，5 0e ，6 0s ，应用上述两种爆炸模型对输气管道发生断裂泄漏并爆炸的情况进行模拟评价，得到死亡区面积随泄漏时间变化关系的曲线图 见图3 。置氍_ 县凶U赋豳3 死亡区面积与泄漏时间的关系当泄漏时间为3 08 时，由式 1 计算得气体泄漏率Q 6 9 4 1k g ／8 ，由图2 ， 取0 ．3 代人式 2 得当量泄漏率Q 打 41 6 4 ．6k g ／s ，则泄漏气体总质量E 1 2 4 9 3 8k g ，代人式 3 可得孵M 5 5 2 8 2 ．3 l 【g 。式 5 中当A P 4 40 0 0 ／p o 时，应用M a t l a b 软件求解得Z 1 ．0 8 91 ；当A P 1 70 0 0 ／p o 时，Z 1 ．9 5 6 9 。采用A P Ip u b5 8 1 模型评价的流程图如图4 所示。两种模型的评价结果见如表2 所示。圈4A np u b5 8 1 模型评价的流程图衰2 爆炸模型模拟评价结果死亡半径凡， I t l 重伤半径础。， m 轻伤半径R i o ．m 1 1 3 燕气云爆炸 V C E 6 001 4 722 6 44定量评价模型死亡区面积 i 1 1 2 重伤区面积 m 2 轻伤区面积 m 2 1 13L 06 80 7 22 1 96 2 0A P Ip u b5 8 1 定量后果人员致死面积 m s 设备破坏面积 m 2 评价模型3 23 8 21 6 7 8 93 结论1 从图3 可以看出，由A P Ip u b5 8 1 评价模型得到的死亡区域面积远大于V C E 评价模型得到的，并且其随泄漏时间的变化曲率也较大。2 从危害区域评价结果可以看到，由A P Ip u b5 8 1 评价模型得到的死亡区域大于由蒸气云爆炸模型得到的。这是由于A P Ip u b5 8 1 模型的评价结果是事故的潜在后果区，不只针对爆炸后果，还包括各种火灾后果，因此，评价结果较为保守。3 蒸气云爆炸 V C E 评价模型的后果区域划分细致；A Hp u b5 8 1 模型的推荐后果分析步骤十分系统，且适用领域广，可以针对不同失效后果计算人员死亡面积和设备损失面积。4 天然气管道失效后果有多种 见图1 ，火灾与爆炸可能混合发生，具有较高的复杂性。笔者仅对爆炸后果进行了分析，今后将致力于对火灾与爆炸混合发生的情况进行模拟研究。 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 第8 期粱瑞等天然气管道泄漏爆炸后果评价模型对比分析 1 3 5 参考文献 Y u h uD ．H u i l i nG ，J i n gZ ，e ta lM a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fg a sr e l e a s e t h r o u 出h o l e s i np i p e h n e s [ J ] C h e m i c ME n g l - n e e f i n gJ o u r n a l ，2 0 0 3 ，9 2 1 3 2 3 7 2 4 l J oYD ．A h nBJ ．A n a l y s i so fh a z a r da m 越a s s o c i a t e dW i t hh i g l l p r e s s u r en a t u r a l g 昭p i p e l i n e s [ J ] J o u r n a lo fL o s sI r e ‘ v e m i o ni nt h eP l o C e B sI n d u s t r i e s ，2 0 0 2 ，1 5 3 1 7 9 1 8 8 田贯三，李联泉城镇燃气爆炸极限影响因素与计算误差的分析[ J ] 中围安全科学学报，2 0 0 2 ，1 2 6 鹌- 5 1 李昌汉．川南矿区宋牟线集气管线爆破事故调查分析[ J ] ．天然气与石油，1 9 9 5 ，1 3 2 3 2 2 2 6 魏嵬，王观军等天然气管线爆炸事故的技术分析[ J ] ．石油化工安全技术，2 0 0 1 ，1 7 1 1 1 1 3 董绍华，杨祖佩全球} 由气管道完整性技术与管理的最新进展[ J ] ．油气储运，2 0 0 7 ，2 6 2 1 7 刘铁民，张兴凯，刘功智安全评价方法应用指南[ M ] 北京化学工业出版社，2 0 0 5 郑津洋，马夏康，尹谢平．长输管道安全风险辨识评价控制[ M ] 北京化学工业出版社，2 0 0 4 S t e p h e n sMJ ．AM o d e lf o rS i z i n gH i g hC o n 唧e n e eA r e a sA s s o c i a t e dw i t hN a t u r a lG a sm r * a ．e s [ A ] P r o c e e d i n g so f I P C0 27 4 “I n t e r n a t i o n a lP i P d i n e sC o 也, e ．e e [ C ] C a l g a r y ，2 0 0 2 宇德明，冯长根，曾庆轩等．爆炸的破坏作用与伤害分区[ J ] ．中国安全科学学报，1 9 9 5 ，5 增刊 1 3 1 7 吴宗之，高进东．张兴凯．工业危险辨识与评t R Z M ] ．北京北京气象出版社。2 0 0 0 ／h l l e z i c a i lP e t r o l e u mI n s t i t u t e R i s k B a s e dI m p e e t i o nB a s eR e s o u r c eD o e u m e I l t ．A P Ip L 出5 8 1 [ S ] F i r s tE d i t i o n 。M a y2 0 0 2 』M 』 矗』 ．a 4 0 t 』L a ．a 4 0 t 彻．4 』t d L 』t ∥l 胡』t ∥L 。爿z t f L 月k 1 ．a 五z M 五』t a ．A ．a ．爿臼z L d k l z t ∥I 彳I ．a 欢迎订阅中国安全生产科学技术 中国科技核心期刊美国化学文摘收录 国家安全生产监督管理总局主管中国安全生产科学研究院主办 中国安全生产科学技术 双月刊 定位于“国家级安全生产科学领域的权威性期刊”，编委 会由中国工程院院士 9 名 和正高级职称的专家、学者、学科带头人及各行业有影响的安全管理 专家组成，是中国科技核心期刊，被美国化学文摘 C A 、中国期刊网 C N K I 等数据库全文收录。 主要栏目学术论著、现代安全技术与管理 安全工程、卫生工程、安全管理、安全评价、体系 认证等 、信息与动态等。读者对象安全生产领域的专家、科研人员，大专院校的安全工程专业 及相关专业师生，安全生产监督、监察人员，各行业如道路交通、矿山、机械、消防、石油、化工、钢 铁、建筑、电子渤织、核电及服务业等的安全管理、工程技术和相关人员，注册安全工程师和安全 评价师、职业健康安全管理体系审核员、咨询师等以及与安全有关的专业人员。 刊号C N1 I 一5 3 3 5 ／T B ，I S S N1 6 7 3 1 9 3 X ，C O D E NZ A S K B O 。大1 6 开，1 4 0 页，全年6 期， 2 0 0 8 年订价9 0 元，邮发代号8 2 3 7 9 ，编辑部常年办理订阅手续。 邮局汇款地址北京市朝阳区惠新西街1 7 号邮编1 0 0 0 2 9 单位名称中国安全生产科学技术编辑部 银行汇款开户银行中国工商银行北京惠新支行 户名中国安全生产科学研究院 帐号0 2 0 0 0 0 6 3 0 9 0 2 1 9 0 0 1 5 5 电话| ／传真 0 1 0 6 4 9 4 1 2 5 8 网址w w w ．c h i n a s a f e t y ．a c ．c n 电子信箱o s h m s c h i n a s a f e t y ．a c ． 3 nj s s t c h i n a s a f e t y ．∞．C l l 叫 嘲 啪刚嘲吲m嘲嘲 l 呈J 三J 三 J 万方数据