天然氣管道泄漏事故后果量化評價分析

摘 要

摘要：針對天然氣管道泄漏后，可燃氣云形成的爆轟、火球熱輻射事故，量化了兩種事故對人體造成的傷害及危害半徑，結(jié)合算例進行了分析計算。關(guān)鍵詞：天然氣管道；泄漏；事故后果；爆轟；火球熱
摘要：針對天然氣管道泄漏后，可燃氣云形成的爆轟、火球熱輻射事故，量化了兩種事故對人體造成的傷害及危害半徑，結(jié)合算例進行了分析計算。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；泄漏；事故后果；爆轟；火球熱輻射
Quantitative Evaluation Analysis of Natural Gas Pipeline Leakage Accident Consequences
WU Feng，WANG Rui
Abstract：The flammable gas-air cloud may cause detonation and fireball thermal radiation when natural gas pipeline leaks.The harms of these two accidents to human body and the hazard radius are quantitatively evaluated，analyzed and calculated with a case.
Key words：natural gas pipeline；leakage；accident consequence；detonation；fireball thermal radiatinn
    當天然氣管道發(fā)生爆裂時，泄漏的天然氣與空氣混合形成可燃氣云，當氣云達到爆炸極限時，若遇火源易發(fā)生爆炸。在可燃氣云發(fā)生燃燒、爆炸時，約10%的天然氣發(fā)生爆轟，并產(chǎn)生沖擊波；約90%的天然氣燃燒形成火球熱輻射。因此，在對天然氣管道泄漏事故進行定量分析時，應(yīng)分析可燃氣云分別產(chǎn)生爆轟、火球熱輻射的事故后果[1～2]。許多研究機構(gòu)及燃氣公司對燃氣泄漏的檢測、搶修、控制方法進行了研究[3～11]。本文針對天然氣管道泄漏事故，綜合考慮天然氣泄漏后可能發(fā)生爆轟、火球熱輻射，對天然氣管道泄漏事故后果進行量化評價分析。
1 量化評價分析
1.1 爆轟
   ① 等效TNT質(zhì)量
為了計算方便，可把發(fā)生爆轟的天然氣質(zhì)量按 式中能量等效的原理換算成TNT的質(zhì)量進行近似處理。在計算出等效TNT質(zhì)量后，則可以按常用的TNT標準爆源爆炸后的計算式求解爆轟場內(nèi)各點的沖擊波超壓，并據(jù)此評估對目標的傷害程度[12～14]。通常把參加爆轟的天然氣體積占泄漏天然氣總體積的比例稱為TNT收率。由于爆轟的危害遠大于混合燃燒，根據(jù)危害最大化原則，取TNT收率為10%對爆轟危害進行評價。
等效TNT質(zhì)量mTNT的計算式為：
 
式中mTNT——等效TNT質(zhì)量，kg
    Qd——可燃氣云爆轟時釋放的總能量，kJ
    QTNT——TNT標準爆源的爆熱值，kJ/kg，取4500kJ/kg
    md——發(fā)生爆轟的天然氣質(zhì)量，kg
    Qe——天然氣的爆炸熱，kJ/kg，可取甲烷的燃燒熱，取5.56×104kJ/kg
    η——TNT收率，取0.1
    m——天然氣泄漏質(zhì)量，kg
    qm,f——天然氣泄漏質(zhì)量流量，kg/s
    f——天然氣泄漏持續(xù)時間，s
   ② 沖擊波超壓
   對于質(zhì)量為mTNT的TNT標準爆源，在地面發(fā)生爆炸時，爆轟場沖擊波超壓的計算式為[2,12]：
 
式中△p——沖擊波超壓，MPa
Rd——爆轟破壞半徑，m
沖擊波超壓準則認為，接受體是否被破壞完全取決于沖擊波超壓，當接受體接受的沖擊波超壓超過接受體自身能夠承受的臨界超壓時，即被破壞。沖擊波超壓對人體的傷害程度見表1[13]。
表1 沖擊波超壓對人體的傷害程度[13]
沖擊波超壓/MPa
對人體的傷害程度
1.O0
大部分人員死亡
0.75
內(nèi)臟嚴重損傷或死亡
0.40
聽覺器官損傷或骨折
0.25
輕微損傷
將表1中的沖擊波超壓代入式(5)，可得到不同沖擊波超壓下的爆轟破壞半徑計算式。
 
1.2 火球熱輻射
   火災(zāi)發(fā)生時熱輻射對目標損傷的判定準則有3種：熱輻射劑量準則、熱輻射強度準則、熱劑量-熱強度準則。由于90%的天然氣燃燒形成的火球熱輻射可以認為是瞬態(tài)燃燒，因此采用熱輻射劑量準則[6]。對處于火球內(nèi)部的目標，顯然將被熱輻射傷害，而對于火球以外的目標，其傷害程度可以根據(jù)目標所接受的火球入射熱輻射劑量判定[14]。
火球入射熱輻射劑量qr的計算式為：
 
式中qr——火球入射熱輻射劑量，kJ/m2
    Qr——火球總熱輻射量，kJ
    εr——熱輻射率系數(shù)，取1.0
    Rr——火球熱輻射半徑，m
火球入射熱輻射劑量對人體的傷害程度見表2[15]。
表2 火球入射熱輻射劑量對人體的傷害程度[15]
火球入射熱輻射劑量/(kJ·m-2)
對人體的傷害程度
375
三度燒傷
250
二度燒傷
125
一度燒傷
65
皮膚疼痛
將表2中不同的火球入射熱輻射劑量代入式(10)，可計算得到不同火球入射熱輻射劑量下的火球熱輻射半徑。
 
2 實例分析
    ① 概況
    某天然氣管道規(guī)格為Φ108×5，設(shè)計壓力為0.8MPa，天然氣質(zhì)量流量為2.85kg/s。為便于計算，進行如下設(shè)定：天然氣在泄漏過程中管道壓力保持不變，泄漏口與管道的流通面積相同，泄漏質(zhì)量流量與管道天然氣質(zhì)量流量相同。取泄漏時間為2min，計算得天然氣泄漏量為342kg。
   ② 爆轟破壞半徑
   將已知參數(shù)代入式(1)～(4)、(6)～(9)，可計算得到不同沖擊波超壓下的爆轟破壞半徑(見表3)。
表3 不同沖擊波超壓下的爆轟破壞半徑
沖擊波超壓/MPa
1.00
0.75
0.40
0.25
爆轟破壞半徑/m
39.44
40.53
58.62
81.56
   ③ 火球熱輻射半徑
   將已知參數(shù)代入式(12)～(15)，可計算得到不同火球入射熱輻射劑量下的火球熱輻射半徑(見表4)。
表4 不同火球入射熱輻射劑量下的火球熱輻射半徑
火球入射熱輻射劑量/(kJ·m-2)
375
250
125
65
火球熱輻射半徑/m
63.43
77.86
110.03
152.57
3 結(jié)論
    根據(jù)實例，若將管道設(shè)計流量作為泄漏量的最不利事故工況進行計算，泄漏2min后可燃氣云發(fā)生爆炸、燃燒，對人體產(chǎn)生最嚴重的傷害時的爆轟破壞半徑為39.44m，火球熱輻射半徑為63.43m。從計算結(jié)果可以看出，可燃氣云發(fā)生爆炸、燃燒的危害是非常大的。
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(本文作者：吳峰1 王銳2 1.重慶凱源石油天然氣有限責任公司 重慶 400021；2.四川科宏石油天然氣工程有限公司重慶分公司 重慶 400021)