摘 要

摘　要：本文在對百余例城市中高壓燃氣管道泄漏、火災以及爆炸事故統(tǒng)計的基礎上，對城市中高壓燃氣管道泄漏、火災及爆炸事故場景進行了分析，利用FLUENT對天然氣中高壓管道泄漏及

摘　要：本文在對百余例城市中高壓燃氣管道泄漏、火災以及爆炸事故統(tǒng)計的基礎上，對城市中高壓燃氣管道泄漏、火災及爆炸事故場景進行了分析，利用FLUENT對天然氣中高壓管道泄漏及爆炸事故危險性進行數值計算分析，采用故障樹分析方法對中高壓燃氣管道災害性事故的影響因素以及降災因素進行了討論，并對城市中高壓燃氣管道泄漏、火災事故風險及其控制措施、策略進行了研究。

關鍵詞：事故統(tǒng)計　中高壓燃氣管道　故障樹　降災因素　風險分析

隨著經濟的發(fā)展，人們對石油、天然氣的需求日益增加，石油與天然氣工業(yè)在整個國民經濟中的地位日益重要。20世紀90年代以來，我國天然氣管道工業(yè)得到快速發(fā)展，天然氣消費領域逐步擴大，城市燃氣、發(fā)電、工業(yè)燃料、化工用氣大幅度增長。城市燃氣管網是城市的重要基礎設施之一，擔負著輸送能量的工作，是城市生存和發(fā)展的必要保障，被稱為城市的“生命線”。隨著經濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模的不斷壯大，城市燃氣管網改擴建也刻不容緩。尤其近年來許多城市也如火如荼地開展了大規(guī)模的“煤改氣”工程，大量燃氣管網基礎設施建設以及燃煤供熱鍋爐改燃或并網改造工程都在同期進行。特別是在中心城區(qū)的高壓燃氣輸送管道的敷設，使得城市燃氣管網運行的安全性問題日益突出。城市天然氣供應系統(tǒng)普遍具有持續(xù)性(供應不能中斷)、開放性(管道鋪設在城市的大街小巷)、隱蔽性(管道埋設地下)、危險性(天然氣泄漏或使用不當后極易造成事故)和長期性(使用時間長)的特點，由于長期受到地下外部土壤和內部介質的強烈腐蝕，大量燃氣一旦發(fā)生泄漏，不僅造成能源浪費、環(huán)境污染，還將嚴重威脅城市周邊建筑物及人員和財產安全。而且隨著城市拆遷建設規(guī)模的不斷壯大，中高壓城市燃氣管線在城市建設中遭受破損的事故案例逐年增多，由此引發(fā)的大規(guī)?；馂谋ㄊ鹿室捕嘤邪l(fā)生，特別在城市人口密集地區(qū)，事故往往會造成嚴重的人員傷亡及重大經濟損失，并會帶來惡劣的社會反響^[2]。

目前，國外對燃氣管道的風險分析已開展了很多研究，天然氣管道風險分析已經逐步規(guī)范化。如1992年W．Kent．Muhlbauer詳細闡述了天然氣管道評估模型和各種評估方法，并在總結美國前20年油氣管道風險研究工作的基礎上提出了一種基于管道相對風險數的管道危險度評價方法^[3，4]。英國健康與安全委員會研發(fā)了用于計算管道失效風險的MISHAP軟件包，可用于評估某地區(qū)的個人風險及社會風險^[5]。而我國在油氣管道風險分析方面的研究起步較晚，近年來，一些學者對城市燃氣管道的風險分析、泄漏后果模型與計算、燃氣火災爆炸事故分析做了大量研究工作。于京春等人^[6]分析了我國城市燃氣管網的現(xiàn)狀，評述了國內風險評估的研究進展，提出了深入完善和發(fā)展城鎮(zhèn)燃氣管網風險評估管理技術的建議；曾靜^[7]對長輸天然氣管道及城市燃氣管道的區(qū)別進行了分析，并對肯特法、模糊綜合評價法在城市燃氣管道方面應用的適應性進行了分析；劉斐等人^[8]對城市管線發(fā)生泄漏的事故概率及其后果進行分析，在此基礎上對個人風險和社會風險的進行定量分析，并基于個人風險的可接受水平制定人員不受傷害的管道安全距離，為管道的管理及規(guī)劃提供依據；劉斐等人^[9]還對城市輸氣管線的失效概率及失效后引發(fā)火災的可能性進行估算，提出了失效后的泄漏流量簡化計算模型，并在此基礎上運用熱輻射模型估算事故的傷害破壞半徑；王凱全^[10]根據國內城市高壓天然氣管道特點對管道風險分析的肯特模型加以改進，使其成為適用于城市天然氣管道的風險分析法；柳紅衛(wèi)^[11]通過改進肯特模型并結合風險矩陣的方法提出了城市天然氣埋地管道半定量風險評估方法；張甫仁等人^[12]提出了基于降災因子的燃氣事故概率綜合評價方法，其值取為0.1～0.3；隋楠等人^[13]論述了肯特法對于我國城市燃氣管網的不適用之處，并從管道的歷史泄漏記錄、蓄意破壞的損失特點、環(huán)境風險、工作壓力與人為誤差等方面提出了對肯特評分法指標體系的修正；蔣宏業(yè)，姚安林^[14]等人分析了城市燃氣管道氣體泄漏后發(fā)生火災事故的各種后果危害，并對各種危害進行了詳細的定量分析；朱伯齡等人^[15]研究了氣體泄漏擴散過程及影響因素；向素平等人^[16]基于流體狀態(tài)方程、質量守恒方程、能量方程和動量方程，結合實際情況，建立了天然氣管道泄漏模型；楊維^[17]采用事故樹分析法，給出了燃氣管道泄漏事故樹模型，并分析了導致燃氣泄漏基本事件的重要度，提出了安全措施；沈斐敏，伍良^[18，19]對城市燃氣管道火災爆炸事故進行了事故樹分析，指明了預防事故發(fā)生的可能途徑，并給出了預防城市燃氣管道發(fā)生火災爆炸事故的預防措施。

本文搜集了近年來百余例城市中高壓燃氣管道泄漏、火災、爆炸事故，基于案例統(tǒng)計的結果，利用事件樹的方法分析了城市中高壓燃氣管道發(fā)生泄漏后事故發(fā)展場景，采用故障樹分析方法對中高壓燃氣管道災害性事故的影響因素以及降災因素進行了討論，并在此基礎上提出城市中高壓燃氣管道風險分析中降災因子模型，利用FLUENT對天然氣中高壓管道泄漏及爆炸事故危險性進行數值計算分析，并對城市中高壓燃氣管道泄漏、火災事故風險及其控制措施、策略進行了研究。

1　城市中高壓燃氣管道泄漏事故場景分析

通過對近200例國內外燃氣管道泄漏、火災爆炸事故案例的統(tǒng)計分析，由于第三方破壞、腐蝕等原因會發(fā)生泄漏、穿孔、破裂等失效模式后，當遇到點火源時通常會發(fā)生噴射火、火球、閃火、蒸氣云爆炸等危害模式。燃氣泄漏事故類型事件樹分析見圖l。當管道遭到破壞發(fā)生瞬時大量泄漏時，如果立即被點燃，在燃氣與空氣混合均勻的情況下會發(fā)生噴射火事故；燃氣與空氣混合不均勻時則會發(fā)生火球事故；如果大量泄漏的燃氣未被立即點燃，而是在當地擴散形成氣云后被點燃，則會發(fā)生爆炸、火球或閃火等事故。當泄漏天然氣擴散至密閉空間或受限空間后，遇到點火源則會發(fā)生爆炸事故，這種發(fā)生在限制空間內的爆炸破壞性較強，往往導致建筑物倒塌，從而可能產生較大的人員傷亡。天然氣泄漏形成可燃氣云爆炸、燃燒產生的爆炸沖擊波以及大量熱輻射形成的熱傷害會對人員生命財產安全產生重大威脅，其形成爆炸火球或爆炸沖擊波影響范圍和程度由天然氣泄漏速率、暴露時間、環(huán)境條件以及點火能量等參數所決定。

 

城市燃氣管道一旦發(fā)生泄漏，如果人為控制得當，將會安全泄放，僅造成較小的經濟損失；如果破損孔洞較大、管道壓力大造成泄漏未被及時控制，遇到點火源將會發(fā)生爆炸、火災事故。通過對搜集的百余例城市中高壓燃氣管道事故發(fā)展過程的統(tǒng)計分析，構建如圖2所示城市中高壓燃氣管道泄漏發(fā)展事件樹。城市中高壓燃氣管道泄漏災害性事故共分5個階段：泄漏，早期處置失敗，人員未被及時疏散，發(fā)生火災、爆炸等次生災害，控制、救援不得當。

 

2　城市中高壓燃氣管道泄漏、火災及爆炸災害后果分析

為了對中高壓天然氣管道泄漏的火災、爆炸危險進行深入研究，本文采用并行計算技術以及FLU ENT模擬軟件，針對鋼質天然氣中高輸送管道泄漏條件下的天然氣泄漏擴散過程，以及意外點火引起的火災、爆炸事故演化過程進行數值模擬，分析天然氣高壓噴射氣流擴散以及氣云爆炸影響范鬧。根據目前城市市區(qū)內廣泛使用的中高壓燃氣管道類型，針對運行壓力為6.0MPa、4.0MPa和1.6MPa，管徑分別為DN900、DN500和DN300的中高壓天然氣輸送管道(管壁厚度分別為10mm、8mm)，埋地深度1.2m，泄漏點孔徑為100mm、30mm的管道泄漏氣云擴散范圍以及發(fā)生火災、爆炸的影響范圍進行模擬。

天然氣中高壓輸送管道泄漏后，無風條件下，在大氣中以射流的方式存在(如圖3所示)。根據其爆炸性，可以分為4個區(qū)域：(1)高天然氣濃度區(qū)：當空氣中天然氣濃度達25％～30％時，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟失調。若不及時脫離，可致窒息死亡。當濃度大于30％，在較短的時間內就會窒息死亡；(2)中濃度區(qū)(15％～25％)；(3)爆炸極限范圍區(qū)(5％～15％)：在該濃度范圍內，遇熱源、明火或其它點火源有燃燒爆炸危險；(4)低天然氣濃度區(qū)：

 

(5)無天然氣區(qū)。由于無風的影響，天然氣在水平方向擴展區(qū)域較小，主要向高度方向擴散。因此，本項目主要分析天然氣擴散特征及(1)區(qū)和(3)區(qū)的高度和寬度隨時間的變化。

DN900在運行壓力6.0MPa，輸氣能力為74.3萬m³／h的高壓天然氣輸送管道(管壁厚度l0mm)，埋地深度1.2m，泄漏點孔徑30mm時，天然氣泄漏口速度較大，屬超聲速天然氣氣流在空氣中的射流擴散，因此，在高度方向的擴散遠大于在水平方面的擴散。如圖4所示，在泄漏5s時，天然氣高度已達150m；25s天然氣已擴散至大于250m的高空；50s其在250m下的空間擴散形狀趨于定常，即形狀隨時間推移基本一致。圖5給出了泄漏口l00mm、30mm條件下天然氣泄漏(1)區(qū)、(3)高度和寬度隨輸送壓力的變化曲線圖。從模擬計算結果可以看出，隨著輸送壓力的增大，在相同泄漏口條件下，泄漏天然氣流量增大，導致(1)區(qū)、(3)高度和寬度增大。圖6給出了天然氣泄漏(1)區(qū)、(3)高度和寬度隨泄漏口直徑的變化趨勢圖，圖中表明：在相同輸送壓力下，泄漏口直徑增大，相當于泄漏天然氣流量增大，導致(1)區(qū)、(3)高度和寬度增大。

 

 

 

泄漏天然氣發(fā)生燃燒爆炸時，爆炸氣云將形成巨大破壞作用的爆炸超壓，當超壓0.1atm時，就可造成橋梁、救生艇等破壞；當超壓0.35atm時，可以將戶外人員吹走或埋入廢墟，具有50％的致命率，可嚴重破壞建筑物或工廠。通常以超壓0.1atm作為危險的臨界條件。圖7給出了DN900運行壓力6.0MPa，輸氣能力為74.3萬m³／h的高壓天然氣輸送管道泄漏點孔徑100mm，泄漏時間10min條件下，氣云爆炸最大超壓隨高度以及水平距離的變化曲線。圖中計算結果表明：在初始點火后，迅速形成爆轟，并達到約l8atm的超壓；隨著高度的增加，超壓先明顯衰減，隨后緩慢衰減，大約距地面66.5m高度超壓衰減至0.1atm。水平方向，在點火點附近，由于爆轟的存在，超壓高至約l8atm左右；隨著遠離點火點，超壓也是先明顯衰減，隨后緩慢衰減，在距離點火點l5.6m處，超壓降至0.1atm。

 

考慮到風速以及環(huán)境條件對天然氣泄漏擴散的影響，高度方向保守安全系數為2，水平方向保守安全系數取為4，則高壓天然氣管道泄漏爆炸的最小安全距離如表l所示。而在天然氣泄漏點源的常年風向下風向位置，水平方向的安全距離則應適當增大。

 

3　城市中高壓燃氣管道泄漏災害性事故影響因素以及降災岡子分析

3．1　城市中高壓燃氣管道泄漏災害性事故故障樹分析

針對城市中高壓燃氣管道泄漏、火災爆炸災害事故，利用故障樹方法可對災害事故場景各階段的發(fā)生原岡進行分析，圖8為泄漏故障樹，圖9為發(fā)生爆炸、火災事故故障樹。將故障樹中基本事件列入表2。為了更為簡潔的繪制故障樹，用“代碼”來表述各影響因素，  “代碼”與頂上事件相對應。

 

 

 

3．2　最小徑集的計算

根據上文可知，“發(fā)生人員傷亡慘重、財產損失嚴重事故”的故障樹可表示為：

P總＝PA·PB·PC·PD·PE·PF

其中，P總為發(fā)生人員傷亡慘重、財產損失嚴重事故的概率，PA為發(fā)生泄露事故故障樹的概率，PB為早期控制不得當故障樹的概率，PC為人員未及時疏散故障樹的概率，PD為發(fā)生火災爆炸事故故障樹的概率，PE為控制救援不得當故障樹的概率，PF為泄露事故發(fā)生在建筑物、人員密集空間的概率。

根據最小徑集的求法，首先將故障樹對偶成成功樹，即把故障樹的門換成與，可得：

P總¢＝PA¢·PB¢·PC¢·PD¢·PE¢·PF¢

其中，P總¢、PA¢、PB¢、PC¢、PD¢、PE¢、PF¢分別為P總、PA、PB、PC、PD、PE、PF的補事件。

經計算，頂上事故為“發(fā)生人員傷亡慘重、財產損失嚴重事故”故障樹的最小徑集為：

Pl={22222，llll2，11132，11121，11122，1113，11141，11142，12111，12112，12113，1114，l212，1213，1214，1215，1216，12171，12172，12211，12212，12221，12222，12223}

P2={112，12111，12112，12113，11114，1212，1213，1214，1215，1216，12171，12172，12211，12212，12221，12222，12223}

P3={211，2211，2212，2221，2222，2223，223111，223112，223121，223122，223131}

P4={211，2211，2212 ¢2221，2222，2223，223111，223112，223121，223122，223131}

P5={211，22321，22322，22323，22324}

P6={211，22321，22322，22323，22324}

P7={31，33，34，35，321}

P8={31，33，34，35，322}

P9={42所有火源}

P10={2221，2222，2223，223131，223122，223121，41211，41212，4122，4132，4142，4131}

P11={2221，2222，2223，223131，223122，223121，41211，41212，4122，4132，4142，4132}

P12={2221，2222，2223，223131，223122，223121，41211，41212，4122，4132，4142，4133}

P13={2221，2222，2223，223131，223122，223121，51l，512，513，514，515，516，532，541，542，543}

P14={F建筑物，人員密集空間}

3．3　結構重要度的計算

結構重要度可表示基本事件對頂上事件的影響程度。針對頂上事件“發(fā)生人員傷亡慘重、財產損失嚴重事故”的故障樹的基本事件的結構重要度，通過最小徑集進行計算。

I(i)=∑Ki(1／2)^n-1，X∈K  　　　　　     (1)

式中Ii——基本Xi的重要系數近似判別值；

Ki——包含Xi的(所有)徑集；

n——基本事件X，所在徑集中基本事件個數。

I(1)=I(3)>I(4)>I(2)>I(5)

根據結構重要度判定基本原則及近似判別公式，對各基本事件結構重要度判別，排序如下：

IF=I42=I31=I33=I34=I35=I22321=I22322=I22323>=I211=I212=I321=I322>I2221=I2222=I2223=I223121=I223122=I223131>I41211=I41212=I4122=I4123=I4142>I2211=I2212=I223111=I223112=I4131=I4132=I4133>=I511=I512=I513=I514=I515=I516=I532=I541=I542=I543>=I12111=I12112=I12113=I12114=I1212=I1213=I1214=I1215=I1216=I12171=I12172=I12211=I12212=I12221=I12222=I12223>I112>I22222=I11112=I11113=I11121=I11122=I1113=I11141=I11142　　　　　（2）

其中，由結構重要度的近似判別式

I(i)=∑Ki(1／2)^n-1，X∈K

計算可得：

 

由式2可知，通過對城市中高壓燃氣管道泄漏災害性事故故障樹分析，結構重要度最為重要的前l0個大類基本事件為：燃氣泄漏事故發(fā)生在建筑物、人員密集場所，燃氣泄漏后周圍出現(xiàn)點火源，公眾自救意識淡薄、疏散通道不暢、疏散寬度不夠、人口密集過大，泄漏早期消防控制不利，未及時發(fā)現(xiàn)泄漏，消防、燃氣公司未及時疏散人群，燃氣泄漏過快，泄漏早期燃氣公司控制不利，由于消防處置不利發(fā)生火災、爆炸等次生災害，群眾發(fā)現(xiàn)泄漏后未報警。

4　基于場景分析的城市中高壓燃氣管道降災因子模型研究

通過以上城市中高壓城市燃氣管道事故降災因子分析，城市燃氣管道個體風險可表示為：

R(x,y)=∑sfsvs(1-h)=(f火災v火災+f爆炸v爆炸)(1-h)      (4)

式中，R(x,y)為城市燃氣管道事故在空間位置(x，y)處所產牛的第s個情景事故風險值，事故場景包括燃氣泄漏火災和燃氣爆炸事故；fs為第s個情景事故發(fā)生的概率值；vs為第s個情景事故發(fā)生時對在空間位置(x，y)處所造成的嚴重度；h為考慮救降災系統(tǒng)的完善度、應急能力等因素在內的降災因子。

降災因素主要包括以下幾個方面：燃氣管道信息狀態(tài)與風險管理、預測預警技術的水平、消防隊處置燃氣事故的能力、燃氣公司處置燃氣事故的應急能力、醫(yī)療救援水平、安全管理及人民群眾的消防意識等。因此，降災因子可表示為：

h=∑iAihi=Atht+Afhf+Anhn+Amhm+Aoho                 (5)

其中，ht表示燃氣管道預測預警系數，hf表示消防隊救援系數，hn表示燃氣公司救援系數，hm表示醫(yī)療救援系數，ho表示其他方面降災系數，如：管理、人民群眾降災所起到的作用；At、Af、An、Am、Ao分別為各降災因素降災系數的權重值，通過3.3節(jié)災害性事故各基本事件結構重要度排序可將At、Af、An、Am、Ao分別定為0.15、0.30、0.20、0.15、0.2。

消防隊對燃氣事故的降災作用，表現(xiàn)為消防隊的反應時間和消防隊的裝備及指揮人員的對災害事故的處置能力兩個方面。結合我國消防隊到達現(xiàn)場所用的一般時間標準以及消防救援裝備和指揮能力評判，消防隊救援系數hf的取值見表3。

 

通過對所統(tǒng)計的城市中高壓燃氣管道事故中燃氣公司處置情況進行分析可知，燃氣公司對燃氣事故的降災作用，表現(xiàn)為燃氣公司的反應時間和燃氣公司對災害事故的處置能力兩個方面。表示燃氣公司救援系數的取值見表4。

 

醫(yī)療機構對燃氣事故的降災作用，表現(xiàn)為醫(yī)療機構到達現(xiàn)場的急救反應時間和醫(yī)療設備的完善程度兩個方面。根據急救時對傷者的救治效果，表示醫(yī)療救援系數的取值見表5。

 

燃氣管道預測預警系數的取值根據燃氣管道的預測預警技術完善程度確定，取值范圍為0～0.2。人民群眾降災系數的取值根據燃氣管道安全管理程度及燃氣管道周圍人民群眾的消防意識來確定，取值范圍為0～0.2。

5　結論

本文搜集了近年來百余例城市中高壓燃氣管道泄漏事故，利用事件樹的方法分析了城市中高壓燃氣管道發(fā)生泄漏后事故發(fā)展場景，利用故障樹分析方法對城市中高壓燃氣管道災害性事故原因，以及城市燃氣管道事故的降災因素進行了分析，提出了城市中高壓燃氣管道風險分析中降災因子模型。

通過數值模擬對城市中高壓燃氣管網泄漏、火災爆炸災害后果進行了分析，數值模擬的結果表明，隨著天然氣長輸管道輸氣壓力或泄漏口直徑的增大，均能導致泄漏天然氣流量增大，從而引起天然氣云高、天然氣濃度區(qū)、天然氣爆炸極限區(qū)的高度和寬度增大，導致危險性增大。在天然氣泄漏初始點火后，均可迅速形成爆轟，并達到約l8atm的超壓。隨著高度或距離點火點水平距離的增加，超壓先明顯衰減，隨后緩慢衰減；重力作用誘使燃燒區(qū)或高溫區(qū)繼續(xù)沿天然氣云高度方向傳播。本文數值模擬結果表明：在無風條件下，在高度方向上，高溫區(qū)導致的危險性大于爆炸波。當發(fā)生爆炸時，增大輸氣壓力，計算獲得的高度方向安全距離明顯增大。

 

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作者單位：公安部天津消防研究所

  中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室

本文作者：劉晅亞　許曉元　紀超　王昌建