天然氣管道泄漏后果影響區域的計算

摘 要

摘　要：高壓天然氣管道泄漏危害和潛在影響區域取決于泄漏模式、氣體釋放、擴散條件和點燃方式等。以某城市在役燃氣管道為例，針對燃燒和擴散兩種情況對天然氣管道泄漏的后果影

摘　要：高壓天然氣管道泄漏危害和潛在影響區域取決于泄漏模式、氣體釋放、擴散條件和點燃方式等。以某城市在役燃氣管道為例，針對燃燒和擴散兩種情況對天然氣管道泄漏的后果影響進行分析，計算15cm孔洞泄漏、管道壓力分別為3.5MPa和4.0MPa工況下的潛在影響區域、噴射火影響區域及蒸氣云擴散影響區域。結果表明：對于15cm孔洞泄漏，無論發生何種情況，距離管道200m以外均安全，可以以此劃定警戒區域，制定應急預案。

關鍵詞：天然氣管道；燃氣管道；泄漏燃燒；泄漏擴散；后果

天然氣管道發生泄漏事故，勢必對附近的居民和環境造成極大危害，是導致天然氣管道事故危害的根本原因。管道公司通過對天然氣管道在運營過程中面臨的安全因素進行識別和評價，制定相應的風險控制對策，不斷改善能夠識別的不利影響因素，從而將管道運營的風險水平控制在合理的、可接受的范圍內，達到減少天然氣管道事故發生、經濟合理地保證管道安全運行的目的。

天然氣管道的泄漏事故總體分為兩種。即噴射火和爆炸，以某城市燃氣管道為例，分別計算兩種情況下管道的泄漏影響范圍，其中燃燒使用ASME推薦公式計算，而擴散則應用高斯模型計算。相關參數：管道直徑1m，輸氣壓力分別為3.5MPa和4.0MPa，假設事故原因為第三方破壞，后果是出現15cm孔洞。

1 潛在影響區域

依據ASME B31.8S-2001[1]標準，天然氣管道的影響半徑可按下式計算：

依此式求得示例管道在3.5MPa和4.0MPa輸氣壓力下的潛在影響半徑分別為185m和198m。

2熱輻射影響區域

2.1 計算公式

將泄漏點理想化為一系列點源熱量發射器沿著火苗的長度傳播，每個點源均被假設為發射同等熱量的總熱量分支，其在給定點源S以熱流Ⅰs發射[2-3]：

2.2 計算案例

選取兩種泄漏工況：①輸氣壓力3.5MPa，15cm孔洞，裂口面積約0.018cm2；②輸氣壓力4.0MPa，15cm孔洞，裂口面積約0.018cm2。燃燒率參數取0.3，發射率參數取0.2，燃燒熱取50000，設影響位置與著火點的距離為x，分別計算兩種工況下噴射火后果影響區域（表1）。

在熱輻射作用下，人員死亡率達到1%，木質結構被點燃，門檻熱流值均為15.77kW/m

2，用時分別為27s和1162.3s，低于該熱流值時人員不會死亡、木質結構不會損壞。為此，危險輻射強度取15.77kW/m2，兩種工況下噴射火的危險半徑分別為45m和50m。

3 蒸氣云擴散的影響范圍

根據Pasquil-Gifford模型[4]，假設連續泄放，計算蒸氣云濃度：

根據表 2 數據，應用軟件做圖，得到相應的風險區域（圖 1，藍色線和紅色線之間為 5％～15％的爆炸風險區域，紅色線和綠色線之間為 1％～5％的傷害風險區域[5]）。

4 結論

基于管道內部參數相關的壓力、泄漏面積、泄漏口形狀、管道內部質量（氣源狀況），以及管道外部參數相關的地面風速、大氣穩定度、地面狀況等，假設泄漏為穩態小孔泄漏，對天然氣管道泄漏影響區域進行計算，得出如下結論：

（1）當輸氣管道出現15cm孔洞泄漏時，若管道壓力為3.5MPa，則其潛在影響半徑為185m；若管道壓力為4.0MPa，則其潛在影響半徑為198m。說明無論發生何種情況，距離管道200m以外均安全，可以以此劃定警戒區域，制定應急預案。

    （2）根據對風險后果的容忍度不同，噴射火影響半徑和氣體擴散半徑不同。當輸氣管道出現15cm孔洞泄漏、管道壓力為3.5MPa時，噴射火影響半徑為45m，下風向氣體擴散40～68m為爆炸危險區域，68～155m為個體傷害區域，對應橫風向距離為10～17m和17～40m；當輸氣管道出現15cm孔洞泄漏、且管道壓力為4.0MPa時，噴射火影響半徑為50m，下風向氣體擴散42～72m為爆炸危險區域，72～165m為個體傷害區域，對應橫風向距離為11～19m和19～42m。

參考文獻：

[1]ASME B31.8S-2001 Managing system integrity of gas pipelines[S]. New York：American Society of Mechanical Engineers, 2001.

[2] American Petroleum Institute. Risk-based inspection base resource document[S]. 1st ed. Washington D C：API Publication,2000.

[3] Stephens M J. A model for sizing high consequence areas associated with natural gas pipelines[C]. IPC2002-27073，2002.

[4] 中國科技大學火災科學國家重點實驗室. 大型油罐火災的熱輻射危害特性[J]. 安全與環境學報，2008，8（4）：110-114.

[5] Geoff H，Barbara J L. Experimental studies of releases of high pressure natural gas from punctures and rips in above-ground pipework[C]. IPC2000-10015，2000.

 

(本文作者：谷志宇1董紹華2牛景弘1史紀3　1. 中國船舶燃料有限責任公司，北京 100020；2. 中國石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101；3. 城市建設研究院，北京 100120)