埋地燃氣管網(wǎng)泄漏規(guī)律及其次生災(zāi)害預(yù)防研究

摘 要

摘要：分析了城市埋地燃氣管道泄漏規(guī)律、泄漏的燃氣在土壤中擴散范圍的關(guān)鍵影響因素。對城市排水管道產(chǎn)生的沼氣和燃氣管道泄漏，在市政地下密閉空間(管廊、排水管道、各類井室
摘要：分析了城市埋地燃氣管道泄漏規(guī)律、泄漏的燃氣在土壤中擴散范圍的關(guān)鍵影響因素。對城市排水管道產(chǎn)生的沼氣和燃氣管道泄漏，在市政地下密閉空間(管廊、排水管道、各類井室等)累積所引發(fā)的爆炸和中毒特性進行了研究，提出了避免這些次生災(zāi)害的具體措施。
關(guān)鍵詞：埋地燃氣管道；泄漏；土壤中擴散
Study on Leakage Rule of Buried Gas Pipeline and Prevention of Secondary Disasters
SUN Li-guo，ZHOU Yu-wen
Abstract：The leakage role of urban buried gas pipeline and the key influence factors of dispersion of leaked gas in soil are analyzed. The characteristics of explosion and poisoning caused by sewer gas and leaked pipeline gas accumulated in underground confined spaces，such as pipeline corridors，sewers and manholes are studied. Concrete measures for preventing the secondary disasters are put forward.
Key words：buried gas pipeline；leakage；dispersion in soil
1 地下燃氣泄漏及次生災(zāi)害研究的必要性
    城市地下市政管網(wǎng)主要是指供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、燃氣管網(wǎng)，城市地下市政管網(wǎng)是城市的基礎(chǔ)設(shè)施，是現(xiàn)代城市的生命線，保持著現(xiàn)代城市的可持續(xù)發(fā)展。以2004年西氣東輸一線建成投產(chǎn)為標志，城市燃氣進入了天然氣時代，目前全國280個城市已擁有管道天然氣。與城市其他基礎(chǔ)設(shè)施(如供水、排水管道)相比，城市燃氣管道輸送的介質(zhì)是易燃易爆的氣體，因此燃氣管道一旦泄漏，所造成的爆炸等次生災(zāi)害很大。
    城市燃氣管網(wǎng)經(jīng)過多年的快速發(fā)展，已經(jīng)進入了事故的高發(fā)階段，特別是由于各種原因而導(dǎo)致的管道泄漏以及由此產(chǎn)生的次生災(zāi)害近年來有上升的趨勢。據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)，2008年1月—12月，僅上海市就發(fā)生燃氣泄漏事故1852起，死亡29人，中毒受傷76人，分別比2007年上升了16%和43%。其中僅12月份因燃氣事故死亡的人數(shù)就有12人，占全年燃氣事故死亡人數(shù)的41%。
    近年來市政排水管道發(fā)生爆炸和中毒事故也頻繁發(fā)生。據(jù)報道，2009年7月3日，北京通州區(qū)新華聯(lián)小區(qū)發(fā)生一起污水井氣體中毒事故，造成6名物業(yè)人員和1名消防隊員死亡。
    市政排水管道發(fā)生爆炸和中毒的原因是：①城市排水管道和化糞池的污泥和有機物質(zhì)在甲烷菌的作用下產(chǎn)生大量的沼氣，其主要組成(以北京地區(qū)為例，以體積分數(shù)計)甲烷約65%，二氧化碳約30%，其他有毒氣體如硫化氫、一氧化碳等約占5%。②由于排水管道是非滿流，造成排水管道和檢查井具有密閉空間，而燃氣管道與排水管道經(jīng)常毗鄰，燃氣管道泄漏的燃氣也經(jīng)常竄入排水管道和檢查井，使得排水管道也具有爆炸的危險性；反之，排水管道所產(chǎn)生的大量沼氣，其主要成分與天然氣一樣也是甲烷，也經(jīng)常竄入燃氣管道的閥門井，這不僅經(jīng)常導(dǎo)致燃氣公司在日常管網(wǎng)運行中發(fā)生漏點判斷失誤，從而導(dǎo)致大量無效開挖[1]，給燃氣企業(yè)造成巨大的浪費，而且地下沼氣也能直接進入電信管廊、排水管道、給水井、排水井或其他密閉空間而引起爆炸事故，并且因地下沼氣爆炸產(chǎn)生的次生災(zāi)害的責(zé)任認定也經(jīng)常困擾著各地燃氣公司。
    因此，本文對地下燃氣管道泄漏規(guī)律及其所引發(fā)的爆炸和中毒等次生災(zāi)害的控制因素進行研究，對于保障城市地下管網(wǎng)安全運行和在發(fā)生泄漏時采取緊急預(yù)案具有技術(shù)支撐作用。
2 城市燃氣的特性分析
    城市燃氣通常是指天然氣、人工煤氣、液化石油氣。當前城市燃氣已進入了天然氣時代，天然氣因氣田產(chǎn)地不同[2]，組成略有不同。
    按照危險品分類，天然氣屬于甲類易燃易爆氣體，它在儲存、輸送過程中可能發(fā)生泄漏，如不采取措施，會引起火災(zāi)甚至發(fā)生爆炸等次生災(zāi)害，危險性極大。某典型天然氣的組成見表1，其理化性質(zhì)見表2。天然氣主要成分甲烷的理化性質(zhì)及危險特性見表3。
表1 某典型天然氣組成
組分
CH4
C2～C4
CO2
H2O
N2
體積分數(shù)/%
97.037
0.713
1.277
0.004
0.969
注：H2S的質(zhì)量濃度≤20mg/m3
表2 某典型天然氣理化性質(zhì)參數(shù)
低熱值/(MJ·m-3)
35.58
密度/(kg·m-3)
0.7499
運動黏度/(m2·s-1)
14.18×10-6
華白數(shù)/(MJ·m-3)
51.71
燃燒勢
38.88
氣體常數(shù)/(J·kg-1·K-1)
487
烴露點/℃
＜-40
水露點/℃
-10
表3 甲烷的理化性質(zhì)及危險特性
 
熔點/℃
-182.6
 
沸點/℃
-161.5
 
臨界溫度/℃
-82.1
 
燃燒熱/(kJ·mol-1)
889.5
 
最小點火能/mJ
0.28
 
相對密度
0.55
 
閃點/℃
-188
 
自燃溫度/℃
537
爆炸極限(體積分數(shù))/%
5.3～15.0
燃燒性
易燃
燃燒產(chǎn)物
H2O、CO2、CO
危險性
火災(zāi)、爆炸
    在市政管網(wǎng)運行中，往往不是泄漏的天然氣中的硫化氫對人體產(chǎn)生毒害，而是井室中的沼氣中的硫化氫產(chǎn)生作用。在燃氣閥門井中工作，應(yīng)滿足中國車間空氣標準，此標準規(guī)定H2S的質(zhì)量濃度上限為10mg/m3。表4為H2S對人的毒性作用。
表4 H2S對人的毒性作用[3]
H2S體積分數(shù)/10-6
H2S對人的毒性作用
0.13
嗅覺閾，可察覺到臭氣味道
4.60
明顯嗅出有適度的臭氣味道
10
刺激眼球，可暴露8h
27
強烈的不愉快臭味，不能忍受
100
咳嗽，刺激眼球，2min失去知覺
200～300
暴露1h后有明顯的結(jié)膜炎，呼吸道受刺激
500～700
失去知覺，幾分鐘內(nèi)呼吸停止并死亡
3 城市燃氣管道泄漏特征分析
    目前在這一領(lǐng)域的研究一般都針對燃氣設(shè)施在地面的泄漏或者是埋地管道泄漏到地面的情況。對于埋地管道地下的泄漏規(guī)律研究，目前國內(nèi)還基本上處于空白狀態(tài)。而事實上，城市燃氣管道幾乎都埋在地下，由于各種原因所引發(fā)的燃氣泄漏經(jīng)常發(fā)生。地下燃氣管道泄漏后先在地下擴散，管道自身的破損程度、管道運行壓力、土壤環(huán)境、氣候條件等是影響地下燃氣泄漏擴散邊界范圍的關(guān)鍵因素。正確掌握燃氣的泄漏量、泄漏速度、擴散范圍、泄漏物的濃度分布等技術(shù)參數(shù)，對現(xiàn)場救援、實施泄漏現(xiàn)場控制、最大限度地降低事故損失都非常重要。
    在一定的運行壓力下，泄漏量主要取決于泄漏點的破損程度；在破損程度一定的條件下，隨壓力增大而泄漏量增大。因此，泄漏點的破損程度和管道壓力是泄漏量的關(guān)鍵因素。
    在泄漏量一定的條件下，土壤環(huán)境是決定擴散速度與影響范圍的關(guān)鍵因素。土質(zhì)孔隙度越大(比如沙土)，含水率越低，其擴散速度與影響范圍也越大。而土壤環(huán)境又受氣候環(huán)境溫度(夏季和冬季)和濕度(晴天和雨雪天)影響，對此德國水和燃氣協(xié)會(DVGW)在Vienna做了系統(tǒng)實驗[4、5]，并與筆者進行了技術(shù)交流。
    初始實驗條件如下：管道內(nèi)介質(zhì)是天然氣，壓力為0.2MPa，持續(xù)氣體泄漏量為4.8L/h，處于典型的雜透性土壤環(huán)境。變量包括含水率(干燥或雨后土壤)、溫度(夏季或冬季)。下面是穿透性土壤環(huán)境燃氣擴散的實驗結(jié)果。
    圖1為干燥天氣下穿透性土壤環(huán)境燃氣擴散的體積分數(shù)等值線。圖中原點0為泄漏點(以下各圖同)。
 

    從圖1可以看出，由于甲烷比空氣輕，典型狀況下的甲烷擴散以泄漏點為中心，其擴散范圍邊緣處的體積分數(shù)以0.5%為限，其擴散的邊緣距離泄漏點中心可達到4m，沿圖中的體積分數(shù)等值線分布，沿著地面形成穩(wěn)定的形態(tài)。
    圖2為干燥穿透性土壤環(huán)境燃氣擴散的體積分數(shù)等值線，圖3為潮濕穿透性土壤環(huán)境燃氣擴散的體積分數(shù)等值線。

    從圖2、3對比可以看出，由于雨天使穿透性土壤含水率增大，密實度增強而穿透性減弱，從而使燃氣擴散范圍縮小。這對實際的燃氣管網(wǎng)巡檢有指導(dǎo)意義，即一般不要在雨后進行管網(wǎng)檢漏。
    圖4為干燥穿透性土壤環(huán)境燃氣擴散的體積分數(shù)等值線，圖5為冰凍穿透性土壤環(huán)境燃氣擴散的體積分數(shù)等值線。
 

    從圖4、5對比可以看出，由于冰凍使得土壤孔隙度增大，裂痕增多，燃氣擴散的范圍加大。這對實際的燃氣管網(wǎng)巡檢有指導(dǎo)意義，即冬季不僅溫度低，使得管道在熱脹冷縮下變形，容易發(fā)生泄漏，而且燃氣擴散的范圍加大，有助于巡檢。
    實際管道大部分都埋在城市的道路下面，因此其擴散邊界受水泥或瀝青路面好壞程度影響較大，燃氣也總是選擇最薄弱點擴散到路面。而無水泥或瀝青覆蓋層路面的泄漏情況統(tǒng)計結(jié)果和上面的實驗有所不同，實際上擴散邊界寬度可達2～3m。
圖6為無水泥(或瀝青)覆蓋層路面的實際燃氣泄漏擴散。地下燃氣泄漏擴散過程是一個隨機的湍流運動過程，影響因素主要有土壤孔隙率、土壤含水率、是否遇到地下密閉空間或障礙物等。
 

圖7為水泥(或瀝青)覆蓋層良好路面的實際燃氣泄漏擴散[6、7]。圖8為水泥(或瀝青)覆蓋層有裂隙和有檢查井路面的實際燃氣泄漏擴散[8]。
 

4 燃氣在封閉空間的爆炸特性分析
   ① 引發(fā)燃氣爆炸的參數(shù)分析
   城市燃氣主要是天然氣、液化石油氣、人工煤氣等可燃氣體，它們的共同點是具有易燃燒性和易爆炸性：a.3種燃氣的最小點火能都較低，約為0.19～0.35mJ；天然氣自燃溫度為537℃，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?4～38cm/s。b.當一定比例的燃氣與空氣混合后就會形成爆炸性混合氣體，遇明火就會發(fā)生爆炸。排水管道產(chǎn)生的沼氣也具有類似性質(zhì)。
    由于可燃氣體種類很多而性質(zhì)差異很大，為統(tǒng)一地描述其爆炸特性，通常采用爆炸極限這一參數(shù)。特別需要指出的是，某種可燃氣體的爆炸極限的值是通過實驗得到的客觀恒定值。圖9是常見可燃氣體的爆炸極限數(shù)據(jù)圖[9]，表5是常見可燃氣體的爆炸極限數(shù)據(jù)表[9]。

表5 常見可燃氣體的爆炸極限數(shù)據(jù)表[9]
可燃氣體名稱
甲烷
乙烷
丙烷
丁烷
己烷
爆炸上限/%
16.5
12.5
10.9
9.3
8.1
爆炸下限/%
4.4
3.0
1.7
1.4
1.0
可燃氣體名稱
氫氣
一氧化碳
加臭劑THT
無硫加臭劑
爆炸上限/%
77.0
76.0
12.3
23.0
爆炸下限/%
4.0
10.9
1.1
1.6
爆炸極限范圍越寬，爆炸下限越低，其爆炸危險性越大。
② 封閉空間燃氣累積速度實驗
為了準確地描述封閉空間燃氣累積速度，以便在發(fā)生災(zāi)害時進行確切的評估，我們做了下列封閉空間天然氣累積速度實驗，見表6。
 

    從表6不難看出，燃氣泄漏后在封閉空間的累積速度非?？?，這就意味著在封閉空間燃氣泄漏非常危險。
   ③ 形成爆炸的條件
   形成爆炸必須同時滿足以下條件：必須有燃氣泄漏，必須有足夠的氧氣(空氣)，且燃氣體積分數(shù)在爆炸極限之內(nèi)；必須有點火源；必須在一定的封閉空間內(nèi)。
    我們在實際的管網(wǎng)運行時，就要采取相應(yīng)的對策來避免爆炸的發(fā)生：在發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏后，應(yīng)在達到爆炸極限之前采取應(yīng)急措施；現(xiàn)場要控制明火；打開封閉空間通風(fēng)。
5 研究結(jié)論
   ① 城市燃氣管道泄漏和排水管道產(chǎn)生的沼氣所導(dǎo)致的火災(zāi)、爆炸和人員中毒事故是當前城市市政管網(wǎng)管理所面臨的最迫切需要解決的問題之一。本文分析了城市地下燃氣管道泄漏的泄漏量、擴散影響范圍、泄漏濃度分布等技術(shù)參數(shù)，這些參數(shù)對城市市政管網(wǎng)日常的安全維護、泄漏事故發(fā)生后如何進行現(xiàn)場救援、實施現(xiàn)場災(zāi)害控制、最大限度地降低損失，具有非常重要的指導(dǎo)意義。
    ② 通過燃氣在封閉空間的爆炸特性分析，提出了避免城市市政管網(wǎng)燃氣爆炸的技術(shù)方法。
參考文獻：
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(本文作者：孫立國 周玉文 北京工業(yè)大學(xué) 北京 100022)