摘要：分析了導(dǎo)致天然氣調(diào)壓站泄漏造成火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)因素，遵循安全評(píng)價(jià)中事故最大化原則，以蒸氣云爆炸為模型，對(duì)天然氣泄漏火災(zāi)、爆炸的災(zāi)害后果進(jìn)行了定量分析。在泄漏面積為1mm2的情況下，即使泄漏持續(xù)5min，四級(jí)損傷半徑會(huì)達(dá)到6.62m。在工程的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理階段要制定有針對(duì)性的安全措施并嚴(yán)格執(zhí)行。
關(guān)鍵詞：調(diào)壓站；泄漏；火災(zāi)；爆炸；安全評(píng)價(jià)
Safety Evaluation and Management of Natural Gas Regulator Station
WEI Fan，QU Ying
Abstract：The risk factors causing leakage at natural gas regulator station，resulting in fire and explosion，are analyzed. The consequences of fire and explosion from leakage of natural gas are quantitatively analyzed by vapor cloud explosion model according to the accident maximization principle in safety evaluation. Under the condition of leakage area of 1mm2，the four-stage damage radius will reach 6.62m even if the leakage lasts for 5 rain. The safety measures must be established and strictly implemented in the project design，construction and operation management.
Key words：regulator station；leakage；fire；explosion；safety measure
調(diào)壓站是天然氣輸配系統(tǒng)的重要組成部分，其安全運(yùn)營是天然氣穩(wěn)定供應(yīng)的重要保證。由于調(diào)壓站內(nèi)設(shè)備繁雜，且天然氣運(yùn)行壓力較高，一旦燃?xì)獍l(fā)生泄漏，易造成火災(zāi)、爆炸或中毒等事故[1、2]。本文對(duì)天然氣調(diào)壓站存在的安全問題進(jìn)行分析，提出有效的防范措施，消除安全隱患，從而確保城市燃?xì)獍踩⑵椒€(wěn)供應(yīng)。
1 主要危險(xiǎn)因素分析
1.1 介質(zhì)本身的危險(xiǎn)性
天然氣是易燃易爆的物質(zhì)，屬于甲類火災(zāi)危險(xiǎn)性物質(zhì)[3]。天然氣泄漏后，極易擴(kuò)散到空氣中，形成蒸氣云，遇火源或高溫?zé)嵩礃O易發(fā)生爆炸。此外，天然氣為烴類混合物，雖然毒性較低，但長(zhǎng)期接觸也可出現(xiàn)神經(jīng)衰弱綜合癥，危害人體健康。
1.2 工藝過程危險(xiǎn)性
調(diào)壓器是調(diào)壓站的主要設(shè)備，其功能是根據(jù)燃?xì)獾男枰闆r將燃?xì)庹{(diào)至不同壓力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸送[4]。由于設(shè)備及管道材質(zhì)的問題、施工不當(dāng)、運(yùn)行管理不到位等原因，均會(huì)造成燃?xì)庑孤?，引起火?zāi)、爆炸等安全事故[5～7]。
① 設(shè)備及管道材質(zhì)問題
調(diào)壓器的工作壓力較高，要求設(shè)備和管道的材質(zhì)滿足強(qiáng)度要求。在設(shè)計(jì)及選型過程中，如果對(duì)設(shè)備和管道規(guī)格、材質(zhì)要求不合理，必將對(duì)后繼過程產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成安全隱患。
② 施工質(zhì)量問題
施工質(zhì)量不僅與系統(tǒng)的使用壽命、經(jīng)濟(jì)效益緊密相關(guān)，而且關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行安全。施工質(zhì)量的影響因素主要有施工現(xiàn)場(chǎng)管道焊接質(zhì)量不合格、設(shè)備安裝存在缺陷。
③ 運(yùn)行管理問題
a. 設(shè)備超壓
為保證調(diào)壓器穩(wěn)定運(yùn)行，必須時(shí)刻監(jiān)測(cè)調(diào)壓設(shè)備進(jìn)出口燃?xì)鈮毫?，一旦出現(xiàn)超壓情況，不僅會(huì)損害調(diào)壓器，甚至?xí)＜罢緟^(qū)和管網(wǎng)的運(yùn)行安全。調(diào)壓設(shè)備超壓受以下幾個(gè)方面影響：上游來氣壓力升高，進(jìn)口壓力表出現(xiàn)故障而未能及時(shí)顯示；調(diào)壓器運(yùn)行過程中安全閥失效，致使超壓燃?xì)鉄o法放散；運(yùn)行過程中人員操作失誤等。超壓爆炸雖然屬于物理爆炸，但爆炸后引起的燃?xì)庑孤O易引發(fā)后繼的火災(zāi)、爆炸。
b. 天然氣泄漏與爆炸
設(shè)備、管道被腐蝕，密封件失效，儀器、儀表故障，人為誤操作，外界干擾等均是造成燃?xì)庑孤┑囊蛩?。泄漏燃?xì)庥龅秸緟^(qū)內(nèi)火源如施工動(dòng)火、雷電、靜電火花等，易被引燃，發(fā)生爆炸。
2 天然氣泄漏爆炸事故災(zāi)害后果分析
通過對(duì)危險(xiǎn)有害源辨識(shí)可知，由天然氣泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)、爆炸事故是影響面最廣、發(fā)展最迅速、后果最嚴(yán)重的燃?xì)馐鹿手弧?/span>
天然氣爆炸事故大多是由天然氣泄漏后遇到點(diǎn)火源而形成。事故引起損失的大小與天然氣的泄漏量和泄漏點(diǎn)附近的人員、財(cái)物分布有關(guān)。
燃?xì)庑孤┖笤斐傻淖畈焕蠊切纬烧魵庠票?。本文遵循事故最大化原則，對(duì)天然氣爆炸事故進(jìn)行模擬并對(duì)后果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
2.1 蒸氣云爆炸事故機(jī)理
蒸氣云爆炸(Vapor Cloud Explosion，VCE)是由于氣體或易于揮發(fā)的液體燃料的大量快速泄漏，與周圍空氣混合形成覆蓋范圍很大的“預(yù)混云”，在某一有限空間遇點(diǎn)火源而導(dǎo)致的爆炸。導(dǎo)致蒸氣云爆炸必須具備可燃?xì)怏w泄漏并與周圍空氣預(yù)混、延遲點(diǎn)火、有限空間等條件。
2.2 天然氣泄漏量計(jì)算
造成天然氣泄漏的原因有多種，如閥門、法蘭密封件失效，管道、儲(chǔ)罐腐蝕及疲勞失效，燃?xì)獬瑝和庖绲取？紤]燃?xì)庑孤┑淖畈焕麠l件，進(jìn)行天然氣泄漏量計(jì)算，先作以下幾點(diǎn)假設(shè)：泄漏面積為1.0mm2圓形孔洞；泄漏時(shí)管道內(nèi)絕對(duì)壓力為1.7MPa；大氣絕對(duì)壓力為101.325kPa；溫度為25℃；從開始泄漏到發(fā)生爆炸的時(shí)間分別為5min、10min、30min、1h、6h、12h。
① 天然氣泄漏時(shí)流動(dòng)狀態(tài)判斷
滿足式(1)時(shí)，流動(dòng)屬于音速流。
式中p0——大氣絕對(duì)壓力，Pa
p——管道內(nèi)天然氣絕對(duì)壓力，Pa
κ——天然氣等熵指數(shù)，取1.316
滿足式(2)時(shí)，流動(dòng)屬于亞音速流。
經(jīng)濟(jì)算得：
根據(jù)式(1)，氣體泄漏屬于音速流。
② 天然氣泄漏量計(jì)算
音速流的泄漏量可采用下式計(jì)算[8]：
式中qm——天然氣泄漏質(zhì)量流量，kg/s
Cdg——氣體泄漏系數(shù)，圓形裂口取1
A——裂口面積，mm2
M——天然氣摩爾質(zhì)量，kg/mol，取0.016kg/mol
R——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314J/(mol·K)
T——天然氣溫度，K，取298K
m=qmt (4)
式中m——t時(shí)間內(nèi)天然氣泄漏量，kg
f——天然氣泄漏持續(xù)時(shí)間，s
根據(jù)式(3)、(4)計(jì)算不同泄漏持續(xù)時(shí)間的天然氣泄漏量，見表1。
表1 天然氣泄漏量
|
泄漏持續(xù)時(shí)間/min
|
5
|
10
|
30
|
|
m/kg
|
0.82
|
1.64
|
4.91
|
|
泄漏持續(xù)時(shí)間/h
|
1
|
6
|
12
|
|
m/kg
|
9.81
|
58.86
|
117.71
|
2.3 天然氣蒸氣云爆炸傷害評(píng)估
根據(jù)荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院(Netherlands Organization for Applied Science Research)建議，蒸氣云爆炸的沖擊波損傷半徑可按下式預(yù)測(cè)[9]：
式中R——損傷半徑，m
Ca——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，m·kJ-1/3，取值見表2
N——效率因子，一般取10%
E——爆炸能量，kJ
Qh——天然氣的高熱值，kJ/kg，取55683kJ/kg
表2 Cs取值
|
損傷等級(jí)
|
Cs
|
設(shè)備損壞情況
|
人員傷亡情況
|
|
一級(jí)損傷
|
0.03
|
重創(chuàng)建筑物內(nèi)的加工設(shè)備
|
一級(jí)損傷區(qū)域內(nèi)人員中1%死于肺部傷害，50%耳膜破壞，50%被碎片擊傷
|
|
二級(jí)損傷
|
0.06
|
破壞建筑物外表，可修復(fù)性破壞
|
二級(jí)損傷區(qū)域內(nèi)人員中1%耳膜破壞，%被碎片擊傷
|
|
三級(jí)損傷
|
0.15
|
玻璃破碎
|
三級(jí)損傷區(qū)域內(nèi)人員被碎玻璃擊傷
|
|
四級(jí)損傷
|
0.40
|
10%玻璃破碎
|
—
|
聯(lián)合式(3)～(6)，計(jì)算出不同泄漏持續(xù)時(shí)間下的損傷半徑，見表3。
表3 損傷半徑
|
泄漏持續(xù)時(shí)間/min
|
5
|
10
|
30
|
|
|
損傷半徑/m
|
一級(jí)損傷
|
0.49
|
0.62
|
0.91
|
|
二級(jí)損傷
|
0.99
|
1.25
|
1.81
|
|
|
三級(jí)損傷
|
2.49
|
3.13
|
4.52
|
|
|
四級(jí)損傷
|
6.62
|
8.35
|
12.05
|
|
|
泄漏持續(xù)時(shí)間/h
|
1
|
6
|
12
|
|
|
損傷半徑/m
|
一級(jí)損傷
|
1.14
|
2.07
|
2.61
|
|
二級(jí)損傷
|
2.28
|
4.14
|
5.21
|
|
|
三級(jí)損傷
|
5.69
|
10.34
|
13.03
|
|
|
四級(jí)損傷
|
15.18
|
27.58
|
34.75
|
|
由此可見，泄漏后遇明火點(diǎn)燃的天然氣爆炸事故的危害程度及影響范圍均與泄漏時(shí)間有關(guān)，泄漏時(shí)間越長(zhǎng)，泄漏量越大，損傷半徑越大。
3 防止燃?xì)庑孤┗馂?zāi)、爆炸事故的措施
燃?xì)庑孤?dǎo)致爆炸的危害重大，為了避免燃?xì)鉃?zāi)害事故的發(fā)生，在工程的每一個(gè)階段均要制定一系列安全措施，并嚴(yán)格執(zhí)行，確保安全運(yùn)營。
① 設(shè)計(jì)方面
天然氣調(diào)壓站設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮運(yùn)行的安全可靠性，嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范及規(guī)定，采用國內(nèi)外成熟先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備。
設(shè)置事故監(jiān)測(cè)和應(yīng)急裝置，以避免事故的發(fā)生或?qū)⑹鹿试斐傻奈：皳p失降到最低程度。
調(diào)壓區(qū)內(nèi)的電氣設(shè)備必須選用防爆型，并要保證系統(tǒng)連接完成后，整體防爆性能滿足要求。
② 施工方面
施工企業(yè)在進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)制定完善的安全技術(shù)措施。施工安全技術(shù)措施內(nèi)容必須符合現(xiàn)行安全生產(chǎn)法律、法規(guī)和安全技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。要加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理，配備專職安全管理人員。
③ 安全管理方面
天然氣調(diào)壓站應(yīng)按照《壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定》(勞動(dòng)部[1996]140號(hào))進(jìn)行管理；建立特種設(shè)備技術(shù)檔案，內(nèi)容包括設(shè)備的設(shè)計(jì)文件、制造單位、產(chǎn)品質(zhì)量合格證、使用維護(hù)說明等文件；應(yīng)對(duì)設(shè)備和管道進(jìn)行日常維護(hù)與保養(yǎng)，并有檢測(cè)和維修記錄。
4 結(jié)論
① 泄漏是引起火災(zāi)、爆炸的主要因素，設(shè)計(jì)不合理、施工和管理階段的不合理操作均會(huì)引起燃?xì)庑孤┑陌l(fā)生。
② 蒸氣云模型分析結(jié)果表明，1mm2的泄漏面積，即使泄漏持續(xù)5min，四級(jí)損傷半徑會(huì)達(dá)到6.62m?；馂?zāi)、爆炸是調(diào)壓區(qū)應(yīng)重點(diǎn)防范的事故。
③ 為了防止天然氣泄漏發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，在工程的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理階段都要制定安全措施并嚴(yán)格執(zhí)行。
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(本文作者：魏璠1 渠穎2 1.天津城市建設(shè)學(xué)院能源與機(jī)械工程系 天津 300384；2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)
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