天然气管道泄漏事故后果量化评价分析_安全运行

摘要

摘要：针对天然气管道泄漏后，可燃气云形成的爆轰、火球热辐射事故，量化了两种事故对人体造成的伤害及危害半径，结合算例进行了分析计算。关键词：天然气管道；泄漏；事故后果；爆轰；火球热

摘要：针对天然气管道泄漏后，可燃气云形成的爆轰、火球热辐射事故，量化了两种事故对人体造成的伤害及危害半径，结合算例进行了分析计算。

关键词：天然气管道；泄漏；事故后果；爆轰；火球热辐射

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

当天然气管道发生爆裂时，泄漏的天然气与空气混合形成可燃气云，当气云达到爆炸极限时，若遇火源易发生爆炸。在可燃气云发生燃烧、爆炸时，约10%的天然气发生爆轰，并产生冲击波；约90%的天然气燃烧形成火球热辐射。因此，在对天然气管道泄漏事故进行定量分析时，应分析可燃气云分别产生爆轰、火球热辐射的事故后果^[1～2]。许多研究机构及燃气公司对燃气泄漏的检测、抢修、控制方法进行了研究^[3～11]。本文针对天然气管道泄漏事故，综合考虑天然气泄漏后可能发生爆轰、火球热辐射，对天然气管道泄漏事故后果进行量化评价分析。

1 量化评价分析

1.1 爆轰

① 等效TNT质量

为了计算方便，可把发生爆轰的天然气质量按式中能量等效的原理换算成TNT的质量进行近似处理。在计算出等效TNT质量后，则可以按常用的TNT标准爆源爆炸后的计算式求解爆轰场内各点的冲击波超压，并据此评估对目标的伤害程度^[12～14]。通常把参加爆轰的天然气体积占泄漏天然气总体积的比例称为TNT收率。由于爆轰的危害远大于混合燃烧，根据危害最大化原则，取TNT收率为10%对爆轰危害进行评价。

等效TNT质量m_TNT的计算式为：

式中m_TNT——等效TNT质量，kg

Q_d——可燃气云爆轰时释放的总能量，kJ

Q_TNT——TNT标准爆源的爆热值，kJ/kg，取4500kJ/kg

m_d——发生爆轰的天然气质量，kg

Q_e——天然气的爆炸热，kJ/kg，可取甲烷的燃烧热，取5.56×10⁴kJ/kg

η——TNT收率，取0.1

m——天然气泄漏质量，kg

q_m,f——天然气泄漏质量流量，kg/s

f——天然气泄漏持续时间，s

② 冲击波超压

对于质量为m_TNT的TNT标准爆源，在地面发生爆炸时，爆轰场冲击波超压的计算式为^[2,12]：

式中△p——冲击波超压，MPa

R_d——爆轰破坏半径，m

冲击波超压准则认为，接受体是否被破坏完全取决于冲击波超压，当接受体接受的冲击波超压超过接受体自身能够承受的临界超压时，即被破坏。冲击波超压对人体的伤害程度见表1^[13]。

表1 冲击波超压对人体的伤害程度^[13]

冲击波超压/MPa	对人体的伤害程度
1.O0	大部分人员死亡
0.75	内脏严重损伤或死亡
0.40	听觉器官损伤或骨折
0.25	轻微损伤

将表1中的冲击波超压代入式(5)，可得到不同冲击波超压下的爆轰破坏半径计算式。

1.2 火球热辐射

火灾发生时热辐射对目标损伤的判定准则有3种：热辐射剂量准则、热辐射强度准则、热剂量-热强度准则。由于90%的天然气燃烧形成的火球热辐射可以认为是瞬态燃烧，因此采用热辐射剂量准则^[6]。对处于火球内部的目标，显然将被热辐射伤害，而对于火球以外的目标，其伤害程度可以根据目标所接受的火球入射热辐射剂量判定^[14]。

火球入射热辐射剂量q_r的计算式为：

式中q_r——火球入射热辐射剂量，kJ/m²

Q_r——火球总热辐射量，kJ

ε_r——热辐射率系数，取1.0

R_r——火球热辐射半径，m

火球入射热辐射剂量对人体的伤害程度见表2^[15]。

表2 火球入射热辐射剂量对人体的伤害程度^[15]

火球入射热辐射剂量/(kJ·m^-2)	对人体的伤害程度
375	三度烧伤
250	二度烧伤
125	一度烧伤
65	皮肤疼痛

将表2中不同的火球入射热辐射剂量代入式(10)，可计算得到不同火球入射热辐射剂量下的火球热辐射半径。

2 实例分析

① 概况

某天然气管道规格为Φ108×5，设计压力为0.8MPa，天然气质量流量为2.85kg/s。为便于计算，进行如下设定：天然气在泄漏过程中管道压力保持不变，泄漏口与管道的流通面积相同，泄漏质量流量与管道天然气质量流量相同。取泄漏时间为2min，计算得天然气泄漏量为342kg。

② 爆轰破坏半径

将已知参数代入式(1)～(4)、(6)～(9)，可计算得到不同冲击波超压下的爆轰破坏半径(见表3)。

表3 不同冲击波超压下的爆轰破坏半径

冲击波超压/MPa	1.00	0.75	0.40	0.25
爆轰破坏半径/m	39.44	40.53	58.62	81.56

③ 火球热辐射半径

将已知参数代入式(12)～(15)，可计算得到不同火球入射热辐射剂量下的火球热辐射半径(见表4)。

表4 不同火球入射热辐射剂量下的火球热辐射半径

火球入射热辐射剂量/(kJ·m^-2)	375	250	125	65
火球热辐射半径/m	63.43	77.86	110.03	152.57

3 结论

根据实例，若将管道设计流量作为泄漏量的最不利事故工况进行计算，泄漏2min后可燃气云发生爆炸、燃烧，对人体产生最严重的伤害时的爆轰破坏半径为39.44m，火球热辐射半径为63.43m。从计算结果可以看出，可燃气云发生爆炸、燃烧的危害是非常大的。

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(本文作者：吴峰¹ 王锐² 1.重庆凯源石油天然气有限责任公司重庆 400021；2.四川科宏石油天然气工程有限公司重庆分公司重庆 400021)