天然氣管道泄漏事故后果量化評(píng)價(jià)分析

摘 要

摘要：針對(duì)天然氣管道泄漏后，可燃?xì)庠菩纬傻谋Z、火球熱輻射事故，量化了兩種事故對(duì)人體造成的傷害及危害半徑，結(jié)合算例進(jìn)行了分析計(jì)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(duì)天然氣管道泄漏后，可燃?xì)庠菩纬傻谋Z、火球熱輻射事故，量化了兩種事故對(duì)人體造成的傷害及危害半徑，結(jié)合算例進(jìn)行了分析計(jì)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(dāng)天然氣管道發(fā)生爆裂時(shí)，泄漏的天然氣與空氣混合形成可燃?xì)庠?，?dāng)氣云達(dá)到爆炸極限時(shí)，若遇火源易發(fā)生爆炸。在可燃?xì)庠瓢l(fā)生燃燒、爆炸時(shí)，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(duì)天然氣管道泄漏事故進(jìn)行定量分析時(shí)，應(yīng)分析可燃?xì)庠品謩e產(chǎn)生爆轟、火球熱輻射的事故后果[1～2]。許多研究機(jī)構(gòu)及燃?xì)夤緦?duì)燃?xì)庑孤┑臋z測(cè)、搶修、控制方法進(jìn)行了研究[3～11]。本文針對(duì)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(duì)天然氣管道泄漏事故后果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)分析。
1 量化評(píng)價(jià)分析
1.1 爆轟
   ① 等效TNT質(zhì)量
為了計(jì)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?yè)Q算成TNT的質(zhì)量進(jìn)行近似處理。在計(jì)算出等效TNT質(zhì)量后，則可以按常用的TNT標(biāo)準(zhǔn)爆源爆炸后的計(jì)算式求解爆轟場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的沖擊波超壓，并據(jù)此評(píng)估對(duì)目標(biāo)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(chēng)為T(mén)NT收率。由于爆轟的危害遠(yuǎn)大于混合燃燒，根據(jù)危害最大化原則，取TNT收率為10%對(duì)爆轟危害進(jìn)行評(píng)價(jià)。
等效TNT質(zhì)量mTNT的計(jì)算式為：
 
式中mTNT——等效TNT質(zhì)量，kg
    Qd——可燃?xì)庠票Z時(shí)釋放的總能量，kJ
    QTNT——TNT標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間，s
   ② 沖擊波超壓
   對(duì)于質(zhì)量為mTNT的TNT標(biāo)準(zhǔn)爆源，在地面發(fā)生爆炸時(shí)，爆轟場(chǎng)沖擊波超壓的計(jì)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(zhǔn)則認(rèn)為，接受體是否被破壞完全取決于沖擊波超壓，當(dāng)接受體接受的沖擊波超壓超過(guò)接受體自身能夠承受的臨界超壓時(shí)，即被破壞。沖擊波超壓對(duì)人體的傷害程度見(jiàn)表1[13]。
表1 沖擊波超壓對(duì)人體的傷害程度[13]
沖擊波超壓/MPa
對(duì)人體的傷害程度
1.O0
大部分人員死亡
0.75
內(nèi)臟嚴(yán)重?fù)p傷或死亡
0.40
聽(tīng)覺(jué)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(jì)算式。
 
1.2 火球熱輻射
   火災(zāi)發(fā)生時(shí)熱輻射對(duì)目標(biāo)損傷的判定準(zhǔn)則有3種：熱輻射劑量準(zhǔn)則、熱輻射強(qiáng)度準(zhǔn)則、熱劑量-熱強(qiáng)度準(zhǔn)則。由于90%的天然氣燃燒形成的火球熱輻射可以認(rèn)為是瞬態(tài)燃燒，因此采用熱輻射劑量準(zhǔn)則[6]。對(duì)處于火球內(nèi)部的目標(biāo)，顯然將被熱輻射傷害，而對(duì)于火球以外的目標(biāo)，其傷害程度可以根據(jù)目標(biāo)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(jì)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(duì)人體的傷害程度見(jiàn)表2[15]。
表2 火球入射熱輻射劑量對(duì)人體的傷害程度[15]
火球入射熱輻射劑量/(kJ·m-2)
對(duì)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(jì)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(shí)例分析
    ① 概況
    某天然氣管道規(guī)格為Φ108×5，設(shè)計(jì)壓力為0.8MPa，天然氣質(zhì)量流量為2.85kg/s。為便于計(jì)算，進(jìn)行如下設(shè)定：天然氣在泄漏過(guò)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(shí)間為2min，計(jì)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(jì)算得到不同沖擊波超壓下的爆轟破壞半徑(見(jiàn)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(jì)算得到不同火球入射熱輻射劑量下的火球熱輻射半徑(見(jiàn)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(shí)例，若將管道設(shè)計(jì)流量作為泄漏量的最不利事故工況進(jìn)行計(jì)算，泄漏2min后可燃?xì)庠瓢l(fā)生爆炸、燃燒，對(duì)人體產(chǎn)生最嚴(yán)重的傷害時(shí)的爆轟破壞半徑為39.44m，火球熱輻射半徑為63.43m。從計(jì)算結(jié)果可以看出，可燃?xì)庠瓢l(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(zé)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)