天然气输送管道泄漏事故危害定量分析.pdf

第18 卷第1 期 2 008 年1 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 e J o u r n a l V 0 1 ．18N o ．1 J a n ．2008 天然气输送管道泄漏事故危害定量分析 徐亚博钱新明教授刘振翼 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 1 学科分类与代码6 2 0 ．5 0 3 0中图分类号X 9 3 7 文献标识码A 【摘要】 针对某天然气工程中高压输送管道可能发生的天然气泄漏的爆炸危险性进行分析。利 用质量流速模型计算出泄漏流量。根据泄漏流量和天然气的燃烧下限浓度，通过高斯扩散模式定量 计算在大气为中性，风速为5m ／s ，且位于市区的条件下，天然气在大气中的轴向、径向和切向的扩 散距离，从而计算该天然气一空气混合云团的体积。对该体积预混云团的爆炸危害进行评估，计算 形成蒸气云爆炸的参数，并应用M a tl a b 软件计算出该管道泄漏引起蒸气云爆炸事故的个人风险曲 线，其结果可为新管线的规划、建设及现有管线的调整提供决策依据。 【关键词】天然气；管道；个人风险；社会风险； 安全管理 Q u a n t i t a t i v eR i s kA n a l y s i so nt h eL e a k a g eo fC o m p r e s s e dN a t u r a lG a sP i p e l i n e X UY a - b o Q I A NX i n - m i n g ，P r o f ，L I UZ h e n - y i S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE x p l o s i o nS c i e n c e T e c h n o l o g y ，B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 81 ，C h i n a A b s t r a c t T h el e a k a g ee x p l o s i o nr i s ko fc o m p r e s s e dn a t u r a lg a s C N G p i p e l i n eu n d e rh i i g h p r e s s u r e i sa n a l y z e d ．T h el e a k a g ef l o wi sc a l c u l a t e db yu s i n gm a s sf l o wm o d e l ．B yu s i n gG a u s sd i f f u s i o nm o d e l ，t h e m a x i m u md i f f u s i o nr a n g e si nt h r e ed i m e n s i o n su n d e rt h ec o n d i t i o n so fn e u r a ls t e a d ya t m o s p h e r ew i t h5 m ／ Sw i n dv e l o c i t yi nu r b a na r eo b t a i n e d ，f r o mw h i c ht h ev o l u m eo fm i x e dc l o u do fN Gw i t ha i rc a nb ec a l c u - l a t e db a s e do nl e a k a g ef l o wa n df l a m m a b l el o wl i m i to fd e n s i t y ．T h ep a r a m e t e r so fv a p o rc l o u de x p l o s i o n V C E a r ec a l c u l a t e db ye v a l u a t i n gt h ee x p l o s i o nh a z a r do ft h em i x e dc l o u d ．E v e n t u a l l y ，t h ei n d i v i d u a l r i s kc u r v ec a u s e db yV C Ed u et op i p e h n el e a k a g ei se s t i m a t e dw i t hM a tl a bm e t h o d ．T h ep r o p o s e dm e t h o d o fq u a n t i t a t i v er i s ka s s e s s m e n tm a yb eu s e f u lt ot h er i s km a n a g e m e n td u r i n gt h ep l a n n i n ga n db u i l d i n gs t a - g e so fan e wp i p e l i n e ，a n dt h em o d i f i c a t i o no fab u r i e dp i p e l i n e ． K e yw o r d s n a t u r a lg a s ；p i p e l i n e ；i n d i v i d u a lr i s k ；s o c i e t a lr i s k ； s a f e t ym a n a g e m e n t 0 引言 随着经济发展和人民生活水平的提高，城市和 工业用燃气日益广泛。天然气主要依靠管道系统输 送，管道在运行过程中可能受到多种因素侵扰，例 如内外腐蚀、机械撞击、第三方活动等，使得管线发 生破裂。一旦发生泄漏时，天然气和空气混合将形 成天然气一空气预混气云，达到燃烧爆炸下限，如遇 火源就可能发生火灾或爆轰，导致人员伤亡和严重 的财产损失一】。例如1 9 7 1 年5 月，四川威 远 一成 都 天然气管道由于腐蚀破裂而导致爆炸燃 烧，造成2 4 人伤亡。1 9 8 9 年前苏联乌拉尔山发生 的一次输气管道爆裂事故，损失非常惨重，造成了 10 2 4 人伤亡。 } 文章编号1 0 0 3 - 3 0 3 3 2 0 0 8 O l 一0 1 4 6 0 4 ；收稿1 3 期；2 0 0 7 一1 0 1 6 ；修稿1 3 期2 0 0 7 1 2 3 1 万方数据 第1 期徐亚博等天然气输送管道泄漏事故危害定量分析1 4 7 泄漏的天然气，由于密度小于空气，不能在地面形成持续的蒸气云，所以发生闪火的可能性很小，非受限蒸气云爆炸所产生的超压可忽略不计，所以燃气管线的失效后果通常指喷射火的热辐射及受限蒸气云爆炸所带来的伤害”o 见图1 。韩国学者Y o u n g D oJ o 【6 1 在假设管内气体做一维稳态绝热流动的基础上，提出高压管道的简化泄漏率模型，并在该基础上仅得到了由喷射火的热辐射引起的个人风险和社会风险值，对受限蒸气云爆炸的后果并未深入研究。迄今为止，未见管道失效引发受限蒸汽云爆炸所造成的风险情况的科技报道，鉴于发生蒸气云爆炸的严重后果，笔者在以往工作的基础上，对该问题作了初步研究。1 管线的定量分析图1 天然气管道泄漏后果事故分析图卜管道长度，m 。1 ．2 ．2 扩散范围计算1 ．1 管线的失效概率管线的失效概率妒定义为每年每单位长度管线的失效次数，它随着环境而发生变化，欧洲数据评估的管线失效率介于2 ．1 1 0 “与7 ．7 1 0 一之间o7 | 。管线应根据其本身的特点及周围环境不同而划分为不同区段。管线失效概率通常由历史数据的估算得到，由于对因素的统计数据并不充分，所以它们对管线失效概率的影响很难定量。文中对于管线失效概率取为5 ．7 5X 1 0 。4 次／ 年千米 。1 ．2 管线的失效后果要计算天然气泄漏后，可燃气云造成的爆轰危害，首先应算出其泄漏流量并根据天然气的燃烧下限浓度用高斯扩散模型算出其扩散范围，从而确定发生危害的可燃气云的体积，进而计算出蒸气云中对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量。1 ．2 ．1 有效释放速率模型假定①气体在管道内做一维稳态绝热流动 忽略气体与管道间的热交换 ；②管道内天然气服从理想气体运动规律。当管道发生破裂时，认为有效泄漏孔径等于管道直径，其质量流速为哺1Q o ．o1 9 9X P o d 2 “瓦 1 式中，Q 质量流量，k g ／m 3 ；P 0 管道内运行压力；P a ；卜管道直径，m ；天然气从管道中泄漏时，可以当作零高度连续地面点源气体扩散。根据高斯扩散模型设泄漏点为坐标原点，取平均风速的顺风方向为搿轴正方向，Y 轴为侧风方向，垂直向上方向为彳轴正方向。则有浓度分布公式【9 ] 出以加卫“ l r O r G r ，u e x p 一z 二t r ；茜 2 、z 盯，，式中，l r 风速，m ／s ；盯，，吒1 方向和的彳方向扩散参数；菇，Y ，卜离开泄漏源的距离，m 。笔者选用P a s q u i l l G i f f o r d 模型扩散系数方程0 | ，在风速为5m ／s ，大气稳定条件为中性时，且位于市区时，O y 0 ．1 6 x 1 0 ．0 0 04 x - 0 ．5 。O “ z 0 ．1 4 x 1 O ．0 0 03 x - 0 ．5 。已知甲烷的燃烧下限浓度为5 ％ 体积比 ，使用m a t l a b 软件对燃气泄漏后的扩散模式进行模拟计算得到扩散体积秽。1 ．2 ．3 蒸气云模型蒸气云爆炸的能量常用r I N T 当量描述，即将参与爆炸的可燃气体释放的能量折合为能释放相同能量的T N r I ’炸药的量，以便于利用有关T N T 爆炸效应的实验数据预测蒸气云爆炸效应。可燃气体的爆炸总能量E 。冲击波超压△p 、伤害几率P ，和伤害百分数l ，的计算公式为E 。 1 ．8 a T N T 牡 3 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 1 4 8 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 o u r n a l 第1 8 卷 2 0 0 8 年 △p { 0 ．1 3 7 [ R 爱 们】- 3 o ．m 【尺 爱 ∽】- 2 o ．2 6 9 ㈨[ p 。o ，／们】- - 1 。舢 p 0 4 P ， - 6 1 ．2 6 ．9 1 I n △p y 去厂≯d u 5 2 实例计算 6 列举一些假设的基本参数，进行实例计算，并对 式中，1 ．8 地面爆炸系数； a T N T 蒸气云的T N T 当量系数，一般取值 为4 ％； 鸠一蒸气云中对爆炸冲击波有实际贡献的 燃料质量，k g ； 皿燃料的燃烧热，J ／k g 。 E 。爆炸能量，J ； 尺目标到爆源的水平距离，m ； 卜无量纲距离； △p 目标处的超压值，P a ； p o 环境压力，1 0 5 P a ； y ．- 一伤害百分数； P ，伤害几率。 发生危害的可燃气云可分为两部分考虑【1 1 | ①发生混合燃烧，形成火球体积为9 0 ％一1 0 0 ％； ②不超过1 0 ％的部分发生气相爆轰。通常把参加 爆轰的体积所占整个气云体积的百分数称为T N T 收率。由于爆轰的危害远大于混合燃烧，根据危害 最大化原则，取T N T 收率为1 0 ％进行危害评价。 取天然气的密度P 0 ．6 8k g ／m 3 ，利用上步计算 出的扩散体积t ， m 3 ，蒸气云中对爆炸冲击波有实 际贡献的燃料质量M y 0 ．1 0 ．0 5 t ，P 0 ．0 0 3 4 v k g 。 1 ．3 个人风险 个人风险可通过求管线的失效概率与失效对特 定地点造成的致死概率的乘积得到。由于失效位置 和失效率的不确定性，评估管道的个人风险是非常 复杂的。通过对可能影响特定点的管道的失效率与 其产生后果的乘积进行积分得到，其公式为№1 厶 I R f g o Y d L 7 1 一 式中，妒管道的失效率； L 一加压站到泄漏点的管道长度； 卜事故在特定点处引起个人死亡的概率 在文中仅考虑死亡的情况，不考虑受 伤、财产损失环境的破坏 ； z 。对特定点有影响的管道区域。 各步骤进行说明。 2 ．1 基本参数和假设 某高压天然气管道的参数为内压5M P a ，大气 压力0 ．1M P a ；管道内径10 0 0m l n 。计算中作如下 假设管道开裂导致天然气泄漏，裂口为圆形，直径 为管径的直径；周围风速5m ／s ，大气稳定条件为中 性；天然气一空气预混气的T N T 收率为1 0 ％。 2 ．2 个人风险曲线 取天然气的燃烧热为5 ．5 6 1 0 7J ／k g ，代入 扪肼领2 静到 只 一6 1 ．2 6 ．9 h 竿 竿 竿一9 0 0 8 当伤害百分数l ，分别为9 9 ％，5 0 ％和1 ％，代入 式 6 求得对应的伤害几率P r 分别为7 ．3 3 ，5 和 2 ．6 7 ，将结果代入式 8 计算出对应的R R 9 9 5 ．9 1R 5 0 7 ．3 7R l 9 ．2 9 令i { 兰，计算出对应9 9 ％．1 0 0 ％，5 0 ％～ qM | 9 9 ％和1 ％一5 0 ％伤害百分数的管道长度 l 。∞一孵 2 河∥丽 l 鲫一卯 2 洱【、厉万r 二矿一石百酮 l 卯一． 2 澜扫忑r 万一∥了闻 ＼Y a 五＼Y d 哀 扣一0 ．9 9 75 ；争a 0 ．9 9 35 ； s a 夏 ＼a i ．f y d 元 } 一0 ．4 3 9 2 ＼a 夏 I R J g o Y d L 0 。9 9 75 z l ∞一妇 0 ．9 9 35 t k 一蜘 0 ．4 3 92 1 5 0 一1 g o 万方数据 第1 期徐亚博等天然气输送管道泄漏事故危害定量分析1 4 9 利用M a t l a b 软件计算并画出个人风险曲线的流程图如图2 所示。图2 个人风险计算流程图当所求点距管道的距离h 为5 0m ，7 5m 或1 0 0m 时，利用上述流程图计算得到的个人风险曲线如图3 所示。3 结论图3 个人风险曲线天然气管线泄漏发生蒸气云爆炸的后果非常严重，定量风险分析对于控制燃气管线的风险非常重要。通过上述计算，得到以下结论1 当管线长度为1 00 0 0m 时，距管线5 0m 处的个人风险值仍大于l 1 0 。6 次／年；当管线长度为45 0 0m 时，距管线7 5m 处的的个人风险值小于1 1 0 “次／年；当管线长度为14 0 0m 时，距管线1 0 0m 处的的个人风险值小于于1 1 0 “次／年。2 当采用1 1 0 。6 次／年为可接受的个人风险标准时，应对不同的管线长度设置不同的安全距离。当管线长度小于l4 0 0m 时，安全距离应大于1 0 0m ；当管线长度大于45 0 0m 时，安全距离应大于7 5m 。因此，管线的定量风险分析可为新管线的规划和建设及现有管线的调整提供决策支持。3 天然气管道失效后果有多种，火灾与爆炸可能混合发生，具有较高的复杂性。笔者仅对爆炸所造成风险进行定量分析，今后将致力于对火灾与爆炸混合发生的情况进行定量分析。参考文献王蓉．城镇超高压天然气管道的选线EJ J ．煤气与热力，2 0 0 5 ，2 5 9 3 0 3 3Y o u n g D oJ o ，B u mJ o n gA i m ．．A n a l y s i so fh a z a r da r e a 8a s s o c i a t e dw i t l Ih i g h p r e s s u r en a t u r a l g a sp i p e l i n e s [ J ] ．J o u r n a lo fL o s sp r e v e n t i o ni nt h e] 、0 c e 8 8I 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，李兴泉．城镇燃气爆炸极限影响因素与计算误差的分析E J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 2 ，1 2 6 4 8 5 l胡毅亭，饶国宁，陈网桦等．天然气输送管道泄漏事故危害定量分析E J 3 ．中国安全科学学报，2 0 0 3 ，1 3 6 2 1 2 4梁瑞，张春燕，姜峰等．天然气管道泄漏爆炸后果评价模型对比分析I - J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 7 ，1 7 8 1 3 1 ～1 3 5Y o u n g D oJ o ，B u mJ o n gA l m ．Am e t h o do fq u a n t i -t a t i v er i s ka s s e s s m e n tf o rt r a n s m i s s i o np i p e l i n ec a r -r y i n gn a t u r a lg a sE J ] ．J o u r n a lo fH a z a r d o u sm a t e r i ．a l e ，2 0 0 5 ，A 1 2 3 1 1 2刘斐，刘茂．城市燃气管线的定量风险分析E J ] ．南开大学学报 自然科学版 ，2 0 0 6 ，3 9 6 3 1 ～3 6赖建波，杨昭．高压燃气管道破裂的定量风险分析E J 3 ．天津大学学报，2 0 0 7 ，4 0 5 5 8 9 5 9 3蔡凤英，谈宗山，孟赫．化工安全工程E M 3 ．北京科学出版社，2 0 0 1蒋军成，潘旭梅．化工过程安全理论及应用[ M 3 ．北京化学工业出版社，2 0 0 6难波桂芳．化工厂安全工程[ M ] ．北京化学工业出版社，1 9 8 6]]]]]]]]] ．．一．m嘲嘲刚嘲嘲啪嘲嘲呈兰 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载