摘要：論述了城市高壓輸氣管道安全控制的現(xiàn)狀，造成城市高壓輸氣管道破裂泄漏的主要潛在危險(xiǎn)因素，高壓輸氣管道破裂泄漏事故過程分析，泄漏量、噴射火焰高度、爆炸沖擊波損害半徑的計(jì)算，提出了天然氣高壓輸氣管道及設(shè)施的安全防范措施。
關(guān)鍵詞：高壓輸氣管道；泄漏；數(shù)學(xué)模型；安全評(píng)價(jià)
Impact Analysis of Leakage Accident due to Breakage of High-pressure Gas Transmission Pipeline
YANG Guang，GU Kai
Abstract：A discussion is made on the present status of safety control of city high-pressure gas transmission pipeline，the main potential risk factors causing breakage leakage of city high-pressure gas transmission pipeline，the process analysis of leakage accident due to breakage of high-pressure gas transmission pipeline，and the calculation of leakage quantity，spray flame height and damage radius of blast shock wave. The safety prevention measures for high-pressure natural gas transmission pipeline and facilities are put forward.
Key words：high-pressure gas transmission pipeline；leakage；mathematical model；safety evaluation
1 城市燃?xì)飧邏汗艿垃F(xiàn)狀
??? 我國的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)早期參照蘇聯(lián)的模式，主要通過對(duì)安全間距的控制來提高管網(wǎng)的安全性，輸送壓力越高，安全間距越大，從而降低事故損失，其有效性顯而易見。因此，高壓管道通常建設(shè)在城市外圍人口密度小、路面寬闊的道路下面。但是，我國城市化進(jìn)程不斷加快，城市建設(shè)日新月異，不可再生的土地資源越來越稀缺，地價(jià)飛漲，原先埋設(shè)在城市邊緣的高壓輸氣管道兩邊人口變得越來越稠密，高樓、學(xué)校、工廠、地鐵、城市快速路建設(shè)，使這類地區(qū)變成城市三類、四類地區(qū)，地下各類市政設(shè)施變得擁擠，例如電纜溝、排水管、地鐵、人防、高層建筑的地下室等，使高壓燃?xì)夤艿赖陌踩栽絹碓揭鹑藗兊闹匾暋?/font>
??? 面對(duì)這些新問題，我們需要有針對(duì)性地對(duì)城市高壓輸氣管道潛在的危險(xiǎn)因素加以分析，尤其對(duì)高壓管道破裂，天然氣泄漏后的影響范圍、危害性認(rèn)真研究，從而及時(shí)有效地采取防范措施，在事先預(yù)防、事中控制、事后處置的過程中，建立起一套適合自身特點(diǎn)的事故預(yù)警和應(yīng)急處置機(jī)制。
2 造成管道破裂泄漏的主要潛在危險(xiǎn)因素
??? 外力破壞是目前高壓輸氣管道破裂造成天然氣泄漏主要危險(xiǎn)因素，包括人為破壞和自然災(zāi)害破壞。人為破壞主要指第三方破壞，即不在管道單位的巡查及監(jiān)督管理下，施工單位野蠻施工挖破管道、沿線違章騎壓管道、運(yùn)移土層，造成管道暴露及懸空等，致使輸氣管道破裂，天然氣大量泄漏，其主要行為有打樁、挖掘、打地質(zhì)探測(cè)井、定向鉆、大開挖等機(jī)械施工。自然災(zāi)害破壞主要指在臺(tái)風(fēng)、地震、暴雨、洪水、地基塌陷等情況下，發(fā)生泥石流、土層移動(dòng)、坍塌等，造成管道暴露、懸空及位移，受外力而破壞[1]。
??? 另外，造成管道破裂的其他因素還有施工安裝缺陷、燃?xì)夤艿栏g失效、燃?xì)夤艿啦牧线x用不當(dāng)?shù)取?/font>
3 高壓輸氣管道破裂事故分析[2、3]
??? 高壓輸氣管道破裂后天然氣泄漏事故過程可以分為4個(gè)階段：泄漏、形成火球、噴射火焰、爆炸。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際發(fā)生的案例，高壓輸氣管道破裂后發(fā)生泄漏、形成火球、噴射火焰、爆炸的概率分別為0.90、0.01、0.05、0.04。
??? ① 泄漏
??? 由于天然氣比空氣輕，管道內(nèi)的天然氣泄漏后會(huì)在泄漏點(diǎn)上空積聚并不斷向上擴(kuò)散，這是事故發(fā)生的初始階段，也是最有利于控制，將危害降低到最小的關(guān)鍵時(shí)期。這一時(shí)期采取的最有效控制措施包括：迅速切斷泄漏點(diǎn)上下游閥門，從源頭控制泄漏量，用消防水對(duì)破裂處噴水，防止因天然氣噴射流速過高產(chǎn)生靜電起火，同時(shí)對(duì)泄漏天然氣進(jìn)行稀釋。
? ??② 形成火球
? ??天然氣泄漏后若尚未與空氣充分混合即被點(diǎn)燃，屬擴(kuò)散式燃燒，形成球形或半球形火體，對(duì)周圍產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射。
? ??③ 噴射火焰
? ??從破裂口噴出的天然氣被引燃并穩(wěn)定燃燒，就形成噴射火焰，對(duì)周圍人員、財(cái)產(chǎn)造成危害。這時(shí)候不能立即將從破裂口噴出的天然氣火焰撲滅，而是應(yīng)該首先將破裂口上、下游閥門關(guān)閉，防止火焰被熄滅后，新噴出的天然氣再次積聚，造成更大的威脅。
??? ④ 爆炸
??? 大量天然氣迅速泄漏到大氣中，當(dāng)天然氣和空氣的混合物處在爆炸極限范圍內(nèi)，遇到明火、靜電等點(diǎn)火源，則可能發(fā)生爆炸。這時(shí)的影響范圍非常大，瞬間會(huì)形成高溫氣體，造成強(qiáng)的熱輻射和沖擊波，對(duì)周圍建筑物和人員造成大的傷害，其危害性遠(yuǎn)大于其他階段。
4 數(shù)學(xué)模型建立與分析
??? 國內(nèi)外相關(guān)資料表明，形成火球階段受外界條件制約較多，過程短，出現(xiàn)概率小，相關(guān)數(shù)據(jù)資料較少。因此，我們著重對(duì)高壓輸氣管道破裂后氣體泄漏、噴射火焰、爆炸這3個(gè)過程建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。以廣東進(jìn)口天然氣組成為例，對(duì)ф508、運(yùn)行壓力為1.6MPa的城市次高壓輸氣管道破裂泄漏的影
響進(jìn)行分析。
??? ① 泄漏
??? 高壓輸氣管道破裂后，大量的天然氣從破裂口噴射出來，泄漏危害范圍近似一個(gè)扇形區(qū)域，其扇形的擴(kuò)散角約40°[4]。管道中天然氣泄漏質(zhì)量流量與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)式(1)成立時(shí)，泄漏口天然氣噴射屬于聲速流動(dòng)：
??? 
式中p0——環(huán)境大氣壓力，Pa
??? p——管道內(nèi)天然氣絕對(duì)壓力，Pa
??? κ——?dú)怏w等熵指數(shù)，天然氣取1.29
??? 經(jīng)計(jì)算，該管道破裂后泄漏口天然氣流動(dòng)狀態(tài)為聲速流動(dòng)，泄漏質(zhì)量流量按式(2)計(jì)算[4]：
??? 
式中qm——天然氣泄漏質(zhì)量流量，kg/s
??? C——?dú)怏w泄漏系數(shù)，與裂口形狀有關(guān)，裂口形狀為圓形時(shí)取1.00，三角形時(shí)取0.95，長方形時(shí)取0.90
??? A——裂口面積，m2
??? M——天然氣摩爾質(zhì)量，kg/mol，取18.3kg/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293K
??? 為了便于分析，我們?cè)O(shè)定前提條件：在泄漏過程中管道內(nèi)天然氣壓力恒定為1.6MPa，裂口形狀為圓形，C=1.00。由此我們可以得到高壓輸氣管道破裂后泄漏量與泄漏時(shí)間的關(guān)系見式(3)，計(jì)算結(jié)果見表1。
??? m=qmt??? (3)
式中m——泄漏量，kg
??? l——泄漏時(shí)間，s
表1 高壓輸氣管道破裂后裂口面積、泄漏時(shí)間與泄漏量的關(guān)系
?
裂口面積A/m2 | 天然氣泄漏質(zhì)量流量qm/(kg·s-1) | 泄漏時(shí)間t/s | 泄漏量m/kg |
3.14×10-4 | 0.97 | 60 | 58.2 |
300 | 291.0 |
900 | 873.0 |
19.62×10-4 | 6.08 | 60 | 364.8 |
300 | 1824.0 |
900 | 5472.0 |
78.50×10-4 | 24.34 | 60 | 1460.4 |
300 | 7302.0 |
900 | 21906.0 |
