埋地燃气管网泄漏规律及其次生灾害预防研究_安全运行

摘要

摘要：分析了城市埋地燃气管道泄漏规律、泄漏的燃气在土壤中扩散范围的关键影响因素。对城市排水管道产生的沼气和燃气管道泄漏，在市政地下密闭空间(管廊、排水管道、各类井室

摘要：分析了城市埋地燃气管道泄漏规律、泄漏的燃气在土壤中扩散范围的关键影响因素。对城市排水管道产生的沼气和燃气管道泄漏，在市政地下密闭空间(管廊、排水管道、各类井室等)累积所引发的爆炸和中毒特性进行了研究，提出了避免这些次生灾害的具体措施。

关键词：埋地燃气管道；泄漏；土壤中扩散

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 地下燃气泄漏及次生灾害研究的必要性

城市地下市政管网主要是指供水管网、排水管网、燃气管网，城市地下市政管网是城市的基础设施，是现代城市的生命线，保持着现代城市的可持续发展。以2004年西气东输一线建成投产为标志，城市燃气进入了天然气时代，目前全国280个城市已拥有管道天然气。与城市其他基础设施(如供水、排水管道)相比，城市燃气管道输送的介质是易燃易爆的气体，因此燃气管道一旦泄漏，所造成的爆炸等次生灾害很大。

城市燃气管网经过多年的快速发展，已经进入了事故的高发阶段，特别是由于各种原因而导致的管道泄漏以及由此产生的次生灾害近年来有上升的趋势。据住房和城乡建设部网站公布的数据，2008年1月—12月，仅上海市就发生燃气泄漏事故1852起，死亡29人，中毒受伤76人，分别比2007年上升了16%和43%。其中仅12月份因燃气事故死亡的人数就有12人，占全年燃气事故死亡人数的41%。

近年来市政排水管道发生爆炸和中毒事故也频繁发生。据报道，2009年7月3日，北京通州区新华联小区发生一起污水井气体中毒事故，造成6名物业人员和1名消防队员死亡。

市政排水管道发生爆炸和中毒的原因是：①城市排水管道和化粪池的污泥和有机物质在甲烷菌的作用下产生大量的沼气，其主要组成(以北京地区为例，以体积分数计)甲烷约65%，二氧化碳约30%，其他有毒气体如硫化氢、一氧化碳等约占5%。②由于排水管道是非满流，造成排水管道和检查井具有密闭空间，而燃气管道与排水管道经常毗邻，燃气管道泄漏的燃气也经常窜入排水管道和检查井，使得排水管道也具有爆炸的危险性；反之，排水管道所产生的大量沼气，其主要成分与天然气一样也是甲烷，也经常窜入燃气管道的阀门井，这不仅经常导致燃气公司在日常管网运行中发生漏点判断失误，从而导致大量无效开挖^[1]，给燃气企业造成巨大的浪费，而且地下沼气也能直接进入电信管廊、排水管道、给水井、排水井或其他密闭空间而引起爆炸事故，并且因地下沼气爆炸产生的次生灾害的责任认定也经常困扰着各地燃气公司。

因此，本文对地下燃气管道泄漏规律及其所引发的爆炸和中毒等次生灾害的控制因素进行研究，对于保障城市地下管网安全运行和在发生泄漏时采取紧急预案具有技术支撑作用。

2 城市燃气的特性分析

城市燃气通常是指天然气、人工煤气、液化石油气。当前城市燃气已进入了天然气时代，天然气因气田产地不同^[2]，组成略有不同。

按照危险品分类，天然气属于甲类易燃易爆气体，它在储存、输送过程中可能发生泄漏，如不采取措施，会引起火灾甚至发生爆炸等次生灾害，危险性极大。某典型天然气的组成见表1，其理化性质见表2。天然气主要成分甲烷的理化性质及危险特性见表3。

表1 某典型天然气组成

组分	CH₄	C₂～C₄	CO₂	H₂O	N₂
体积分数/%	97.037	0.713	1.277	0.004	0.969
注：H₂S的质量浓度≤20mg/m³

表2 某典型天然气理化性质参数

低热值/(MJ·m^-3)	35.58
密度/(kg·m^-3)	0.7499
运动黏度/(m²·s^-1)	14.18×10^-6
华白数/(MJ·m^-3)	51.71
燃烧势	38.88
气体常数/(J·kg^-1·K^-1)	487
烃露点/℃	＜-40
水露点/℃	-10

表3 甲烷的理化性质及危险特性

	熔点/℃	-182.6
	沸点/℃	-161.5
	临界温度/℃	-82.1
	燃烧热/(kJ·mol^-1)	889.5
	最小点火能/mJ	0.28
	相对密度	0.55
	闪点/℃	-188
	自燃温度/℃	537
爆炸极限(体积分数)/%		5.3～15.0
燃烧性		易燃
燃烧产物		H₂O、CO₂、CO
危险性		火灾、爆炸

在市政管网运行中，往往不是泄漏的天然气中的硫化氢对人体产生毒害，而是井室中的沼气中的硫化氢产生作用。在燃气阀门井中工作，应满足中国车间空气标准，此标准规定H₂S的质量浓度上限为10mg/m³。表4为H₂S对人的毒性作用。

表4 H₂S对人的毒性作用^[3]

H₂S体积分数/10^-6	H₂S对人的毒性作用
0.13	嗅觉阈，可察觉到臭气味道
4.60	明显嗅出有适度的臭气味道
10	刺激眼球，可暴露8h
27	强烈的不愉快臭味，不能忍受
100	咳嗽，刺激眼球，2min失去知觉
200～300	暴露1h后有明显的结膜炎，呼吸道受刺激
500～700	失去知觉，几分钟内呼吸停止并死亡

3 城市燃气管道泄漏特征分析

目前在这一领域的研究一般都针对燃气设施在地面的泄漏或者是埋地管道泄漏到地面的情况。对于埋地管道地下的泄漏规律研究，目前国内还基本上处于空白状态。而事实上，城市燃气管道几乎都埋在地下，由于各种原因所引发的燃气泄漏经常发生。地下燃气管道泄漏后先在地下扩散，管道自身的破损程度、管道运行压力、土壤环境、气候条件等是影响地下燃气泄漏扩散边界范围的关键因素。正确掌握燃气的泄漏量、泄漏速度、扩散范围、泄漏物的浓度分布等技术参数，对现场救援、实施泄漏现场控制、最大限度地降低事故损失都非常重要。

在一定的运行压力下，泄漏量主要取决于泄漏点的破损程度；在破损程度一定的条件下，随压力增大而泄漏量增大。因此，泄漏点的破损程度和管道压力是泄漏量的关键因素。

在泄漏量一定的条件下，土壤环境是决定扩散速度与影响范围的关键因素。土质孔隙度越大(比如沙土)，含水率越低，其扩散速度与影响范围也越大。而土壤环境又受气候环境温度(夏季和冬季)和湿度(晴天和雨雪天)影响，对此德国水和燃气协会(DVGW)在Vienna做了系统实验^[4、5]，并与笔者进行了技术交流。

初始实验条件如下：管道内介质是天然气，压力为0.2MPa，持续气体泄漏量为4.8L/h，处于典型的杂透性土壤环境。变量包括含水率(干燥或雨后土壤)、温度(夏季或冬季)。下面是穿透性土壤环境燃气扩散的实验结果。

图1为干燥天气下穿透性土壤环境燃气扩散的体积分数等值线。图中原点0为泄漏点(以下各图同)。

从图1可以看出，由于甲烷比空气轻，典型状况下的甲烷扩散以泄漏点为中心，其扩散范围边缘处的体积分数以0.5%为限，其扩散的边缘距离泄漏点中心可达到4m，沿图中的体积分数等值线分布，沿着地面形成稳定的形态。

图2为干燥穿透性土壤环境燃气扩散的体积分数等值线，图3为潮湿穿透性土壤环境燃气扩散的体积分数等值线。

从图2、3对比可以看出，由于雨天使穿透性土壤含水率增大，密实度增强而穿透性减弱，从而使燃气扩散范围缩小。这对实际的燃气管网巡检有指导意义，即一般不要在雨后进行管网检漏。

图4为干燥穿透性土壤环境燃气扩散的体积分数等值线，图5为冰冻穿透性土壤环境燃气扩散的体积分数等值线。

从图4、5对比可以看出，由于冰冻使得土壤孔隙度增大，裂痕增多，燃气扩散的范围加大。这对实际的燃气管网巡检有指导意义，即冬季不仅温度低，使得管道在热胀冷缩下变形，容易发生泄漏，而且燃气扩散的范围加大，有助于巡检。

实际管道大部分都埋在城市的道路下面，因此其扩散边界受水泥或沥青路面好坏程度影响较大，燃气也总是选择最薄弱点扩散到路面。而无水泥或沥青覆盖层路面的泄漏情况统计结果和上面的实验有所不同，实际上扩散边界宽度可达2～3m。

图6为无水泥(或沥青)覆盖层路面的实际燃气泄漏扩散。地下燃气泄漏扩散过程是一个随机的湍流运动过程，影响因素主要有土壤孔隙率、土壤含水率、是否遇到地下密闭空间或障碍物等。

图7为水泥(或沥青)覆盖层良好路面的实际燃气泄漏扩散^[6、7]。图8为水泥(或沥青)覆盖层有裂隙和有检查井路面的实际燃气泄漏扩散^[8]。

4 燃气在封闭空间的爆炸特性分析

① 引发燃气爆炸的参数分析

城市燃气主要是天然气、液化石油气、人工煤气等可燃气体，它们的共同点是具有易燃烧性和易爆炸性：a.3种燃气的最小点火能都较低，约为0.19～0.35mJ；天然气自燃温度为537℃，火焰传播速度为34～38cm/s。b.当一定比例的燃气与空气混合后就会形成爆炸性混合气体，遇明火就会发生爆炸。排水管道产生的沼气也具有类似性质。

由于可燃气体种类很多而性质差异很大，为统一地描述其爆炸特性，通常采用爆炸极限这一参数。特别需要指出的是，某种可燃气体的爆炸极限的值是通过实验得到的客观恒定值。图9是常见可燃气体的爆炸极限数据图^[9]，表5是常见可燃气体的爆炸极限数据表^[9]。

表5 常见可燃气体的爆炸极限数据表^[9]

可燃气体名称	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
可燃气体名称	氢气	一氧化碳	加臭剂THT		无硫加臭剂
爆炸上限/%	77.0	76.0	12.3		23.0
爆炸下限/%	4.0	10.9	1.1		1.6

爆炸极限范围越宽，爆炸下限越低，其爆炸危险性越大。

② 封闭空间燃气累积速度实验

为了准确地描述封闭空间燃气累积速度，以便在发生灾害时进行确切的评估，我们做了下列封闭空间天然气累积速度实验，见表6。

从表6不难看出，燃气泄漏后在封闭空间的累积速度非常快，这就意味着在封闭空间燃气泄漏非常危险。

③ 形成爆炸的条件

形成爆炸必须同时满足以下条件：必须有燃气泄漏，必须有足够的氧气(空气)，且燃气体积分数在爆炸极限之内；必须有点火源；必须在一定的封闭空间内。

我们在实际的管网运行时，就要采取相应的对策来避免爆炸的发生：在发现燃气泄漏后，应在达到爆炸极限之前采取应急措施；现场要控制明火；打开封闭空间通风。

5 研究结论

① 城市燃气管道泄漏和排水管道产生的沼气所导致的火灾、爆炸和人员中毒事故是当前城市市政管网管理所面临的最迫切需要解决的问题之一。本文分析了城市地下燃气管道泄漏的泄漏量、扩散影响范围、泄漏浓度分布等技术参数，这些参数对城市市政管网日常的安全维护、泄漏事故发生后如何进行现场救援、实施现场灾害控制、最大限度地降低损失，具有非常重要的指导意义。

② 通过燃气在封闭空间的爆炸特性分析，提出了避免城市市政管网燃气爆炸的技术方法。

参考文献：

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(本文作者：孙立国周玉文北京工业大学北京 100022)