本文搜集了近年來百余例城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤⒒馂?zāi)、爆炸事故，基于案例統(tǒng)計的結(jié)果，利用事件樹的方法分析了城市中高壓燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏后事故發(fā)展場景，采用故障樹分析方法對中高壓燃?xì)夤艿罏?zāi)害性事故的影響因素以及降災(zāi)因素進(jìn)行了討論，并在此基礎(chǔ)上提出城市中高壓燃?xì)夤艿里L(fēng)險分析中降災(zāi)因子模型，利用FLUENT對天然氣中高壓管道泄漏及爆炸事故危險性進(jìn)行數(shù)值計算分析，并對城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤⒒馂?zāi)事故風(fēng)險及其控制措施、策略進(jìn)行了研究。

1　城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤┦鹿蕡鼍胺治?span lang="EN-US">

通過對近200例國內(nèi)外燃?xì)夤艿佬孤?、火?zāi)爆炸事故案例的統(tǒng)計分析，由于第三方破壞、腐蝕等原因會發(fā)生泄漏、穿孔、破裂等失效模式后，當(dāng)遇到點火源時通常會發(fā)生噴射火、火球、閃火、蒸氣云爆炸等危害模式。燃?xì)庑孤┦鹿暑愋褪录浞治鲆妶Dl。當(dāng)管道遭到破壞發(fā)生瞬時大量泄漏時，如果立即被點燃，在燃?xì)馀c空氣混合均勻的情況下會發(fā)生噴射火事故；燃?xì)馀c空氣混合不均勻時則會發(fā)生火球事故；如果大量泄漏的燃?xì)馕幢涣⒓袋c燃，而是在當(dāng)?shù)財U(kuò)散形成氣云后被點燃，則會發(fā)生爆炸、火球或閃火等事故。當(dāng)泄漏天然氣擴(kuò)散至密閉空間或受限空間后，遇到點火源則會發(fā)生爆炸事故，這種發(fā)生在限制空間內(nèi)的爆炸破壞性較強(qiáng)，往往導(dǎo)致建筑物倒塌，從而可能產(chǎn)生較大的人員傷亡。天然氣泄漏形成可燃?xì)庠票?、燃燒產(chǎn)生的爆炸沖擊波以及大量熱輻射形成的熱傷害會對人員生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生重大威脅，其形成爆炸火球或爆炸沖擊波影響范圍和程度由天然氣泄漏速率、暴露時間、環(huán)境條件以及點火能量等參數(shù)所決定。

城市燃?xì)夤艿酪坏┌l(fā)生泄漏，如果人為控制得當(dāng)，將會安全泄放，僅造成較小的經(jīng)濟(jì)損失；如果破損孔洞較大、管道壓力大造成泄漏未被及時控制，遇到點火源將會發(fā)生爆炸、火災(zāi)事故。通過對搜集的百余例城市中高壓燃?xì)夤艿朗鹿拾l(fā)展過程的統(tǒng)計分析，構(gòu)建如圖2所示城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤┌l(fā)展事件樹。城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤?zāi)害性事故共分5個階段：泄漏，早期處置失敗，人員未被及時疏散，發(fā)生火災(zāi)、爆炸等次生災(zāi)害，控制、救援不得當(dāng)。

2　城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤?、火?zāi)及爆炸災(zāi)害后果分析

為了對中高壓天然氣管道泄漏的火災(zāi)、爆炸危險進(jìn)行深入研究，本文采用并行計算技術(shù)以及FLU ENT模擬軟件，針對鋼質(zhì)天然氣中高輸送管道泄漏條件下的天然氣泄漏擴(kuò)散過程，以及意外點火引起的火災(zāi)、爆炸事故演化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析天然氣高壓噴射氣流擴(kuò)散以及氣云爆炸影響范鬧。根據(jù)目前城市市區(qū)內(nèi)廣泛使用的中高壓燃?xì)夤艿李愋?，針對運行壓力為6.0MPa、4.0MPa和1.6MPa，管徑分別為DN900、DN500和DN300的中高壓天然氣輸送管道(管壁厚度分別為10mm、8mm)，埋地深度1.2m，泄漏點孔徑為100mm、30mm的管道泄漏氣云擴(kuò)散范圍以及發(fā)生火災(zāi)、爆炸的影響范圍進(jìn)行模擬。

天然氣中高壓輸送管道泄漏后，無風(fēng)條件下，在大氣中以射流的方式存在(如圖3所示)。根據(jù)其爆炸性，可以分為4個區(qū)域：(1)高天然氣濃度區(qū)：當(dāng)空氣中天然氣濃度達(dá)25％～30％時，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟(jì)失調(diào)。若不及時脫離，可致窒息死亡。當(dāng)濃度大于30％，在較短的時間內(nèi)就會窒息死亡；(2)中濃度區(qū)(15％～25％)；(3)爆炸極限范圍區(qū)(5％～15％)：在該濃度范圍內(nèi)，遇熱源、明火或其它點火源有燃燒爆炸危險；(4)低天然氣濃度區(qū)：

(5)無天然氣區(qū)。由于無風(fēng)的影響，天然氣在水平方向擴(kuò)展區(qū)域較小，主要向高度方向擴(kuò)散。因此，本項目主要分析天然氣擴(kuò)散特征及(1)區(qū)和(3)區(qū)的高度和寬度隨時間的變化。

DN900在運行壓力6.0MPa，輸氣能力為74.3萬m³／h的高壓天然氣輸送管道(管壁厚度l0mm)，埋地深度1.2m，泄漏點孔徑30mm時，天然氣泄漏口速度較大，屬超聲速天然氣氣流在空氣中的射流擴(kuò)散，因此，在高度方向的擴(kuò)散遠(yuǎn)大于在水平方面的擴(kuò)散。如圖4所示，在泄漏5s時，天然氣高度已達(dá)150m；25s天然氣已擴(kuò)散至大于250m的高空；50s其在250m下的空間擴(kuò)散形狀趨于定常，即形狀隨時間推移基本一致。圖5給出了泄漏口l00mm、30mm條件下天然氣泄漏(1)區(qū)、(3)高度和寬度隨輸送壓力的變化曲線圖。從模擬計算結(jié)果可以看出，隨著輸送壓力的增大，在相同泄漏口條件下，泄漏天然氣流量增大，導(dǎo)致(1)區(qū)、(3)高度和寬度增大。圖6給出了天然氣泄漏(1)區(qū)、(3)高度和寬度隨泄漏口直徑的變化趨勢圖，圖中表明：在相同輸送壓力下，泄漏口直徑增大，相當(dāng)于泄漏天然氣流量增大，導(dǎo)致(1)區(qū)、(3)高度和寬度增大。

泄漏天然氣發(fā)生燃燒爆炸時，爆炸氣云將形成巨大破壞作用的爆炸超壓，當(dāng)超壓0.1atm時，就可造成橋梁、救生艇等破壞；當(dāng)超壓0.35atm時，可以將戶外人員吹走或埋入廢墟，具有50％的致命率，可嚴(yán)重破壞建筑物或工廠。通常以超壓0.1atm作為危險的臨界條件。圖7給出了DN900運行壓力6.0MPa，輸氣能力為74.3萬m³／h的高壓天然氣輸送管道泄漏點孔徑100mm，泄漏時間10min條件下，氣云爆炸最大超壓隨高度以及水平距離的變化曲線。圖中計算結(jié)果表明：在初始點火后，迅速形成爆轟，并達(dá)到約l8atm的超壓；隨著高度的增加，超壓先明顯衰減，隨后緩慢衰減，大約距地面66.5m高度超壓衰減至0.1atm。水平方向，在點火點附近，由于爆轟的存在，超壓高至約l8atm左右；隨著遠(yuǎn)離點火點，超壓也是先明顯衰減，隨后緩慢衰減，在距離點火點l5.6m處，超壓降至0.1atm。

考慮到風(fēng)速以及環(huán)境條件對天然氣泄漏擴(kuò)散的影響，高度方向保守安全系數(shù)為2，水平方向保守安全系數(shù)取為4，則高壓天然氣管道泄漏爆炸的最小安全距離如表l所示。而在天然氣泄漏點源的常年風(fēng)向下風(fēng)向位置，水平方向的安全距離則應(yīng)適當(dāng)增大。

3　城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤?zāi)害性事故影響因素以及降災(zāi)岡子分析

3．1　城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤?zāi)害性事故故障樹分析

針對城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤?、火?zāi)爆炸災(zāi)害事故，利用故障樹方法可對災(zāi)害事故場景各階段的發(fā)生原岡進(jìn)行分析，圖8為泄漏故障樹，圖9為發(fā)生爆炸、火災(zāi)事故故障樹。將故障樹中基本事件列入表2。為了更為簡潔的繪制故障樹，用“代碼”來表述各影響因素，  “代碼”與頂上事件相對應(yīng)。

3．2　最小徑集的計算

根據(jù)上文可知，“發(fā)生人員傷亡慘重、財產(chǎn)損失嚴(yán)重事故”的故障樹可表示為：

P總＝PA·PB·PC·PD·PE·PF

其中，P總為發(fā)生人員傷亡慘重、財產(chǎn)損失嚴(yán)重事故的概率，PA為發(fā)生泄露事故故障樹的概率，PB為早期控制不得當(dāng)故障樹的概率，PC為人員未及時疏散故障樹的概率，PD為發(fā)生火災(zāi)爆炸事故故障樹的概率，PE為控制救援不得當(dāng)故障樹的概率，PF為泄露事故發(fā)生在建筑物、人員密集空間的概率。

根據(jù)最小徑集的求法，首先將故障樹對偶成成功樹，即把故障樹的門換成與，可得：

P總¢＝PA¢·PB¢·PC¢·PD¢·PE¢·PF¢

其中，P總¢、PA¢、PB¢、PC¢、PD¢、PE¢、PF¢分別為P總、PA、PB、PC、PD、PE、PF的補(bǔ)事件。

經(jīng)計算，頂上事故為“發(fā)生人員傷亡慘重、財產(chǎn)損失嚴(yán)重事故”故障樹的最小徑集為：

Pl={22222，llll2，11132，11121，11122，1113，11141，11142，12111，12112，12113，1114，l212，1213，1214，1215，1216，12171，12172，12211，12212，12221，12222，12223}

P2={112，12111，12112，12113，11114，1212，1213，1214，1215，1216，12171，12172，12211，12212，12221，12222，12223}

P3={211，2211，2212，2221，2222，2223，223111，223112，223121，223122，223131}

P4={211，2211，2212 ¢2221，2222，2223，223111，223112，223121，223122，223131}

P5={211，22321，22322，22323，22324}

P6={211，22321，22322，22323，22324}

P7={31，33，34，35，321}

P8={31，33，34，35，322}

P9={42所有火源}

P10={2221，2222，2223，223131，223122，223121，41211，41212，4122，4132，4142，4131}

P11={2221，2222，2223，223131，223122，223121，41211，41212，4122，4132，4142，4132}

P12={2221，2222，2223，223131，223122，223121，41211，41212，4122，4132，4142，4133}

P13={2221，2222，2223，223131，223122，223121，51l，512，513，514，515，516，532，541，542，543}

P14={F建筑物，人員密集空間}

3．3　結(jié)構(gòu)重要度的計算

結(jié)構(gòu)重要度可表示基本事件對頂上事件的影響程度。針對頂上事件“發(fā)生人員傷亡慘重、財產(chǎn)損失嚴(yán)重事故”的故障樹的基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，通過最小徑集進(jìn)行計算。

I(i)=∑Ki(1／2)^n-1，X∈K  　　　　　     (1)

式中Ii——基本Xi的重要系數(shù)近似判別值；

Ki——包含Xi的(所有)徑集；

n——基本事件X，所在徑集中基本事件個數(shù)。

I(1)=I(3)>I(4)>I(2)>I(5)

根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度判定基本原則及近似判別公式，對各基本事件結(jié)構(gòu)重要度判別，排序如下：

IF=I42=I31=I33=I34=I35=I22321=I22322=I22323>=I211=I212=I321=I322>I2221=I2222=I2223=I223121=I223122=I223131>I41211=I41212=I4122=I4123=I4142>I2211=I2212=I223111=I223112=I4131=I4132=I4133>=I511=I512=I513=I514=I515=I516=I532=I541=I542=I543>=I12111=I12112=I12113=I12114=I1212=I1213=I1214=I1215=I1216=I12171=I12172=I12211=I12212=I12221=I12222=I12223>I112>I22222=I11112=I11113=I11121=I11122=I1113=I11141=I11142　　　　?。?）

其中，由結(jié)構(gòu)重要度的近似判別式

I(i)=∑Ki(1／2)^n-1，X∈K

計算可得：

由式2可知，通過對城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤?zāi)害性事故故障樹分析，結(jié)構(gòu)重要度最為重要的前l0個大類基本事件為：燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生在建筑物、人員密集場所，燃?xì)庑孤┖笾車霈F(xiàn)點火源，公眾自救意識淡薄、疏散通道不暢、疏散寬度不夠、人口密集過大，泄漏早期消防控制不利，未及時發(fā)現(xiàn)泄漏，消防、燃?xì)夤疚醇皶r疏散人群，燃?xì)庑孤┻^快，泄漏早期燃?xì)夤究刂撇焕?，由于消防處置不利發(fā)生火災(zāi)、爆炸等次生災(zāi)害，群眾發(fā)現(xiàn)泄漏后未報警。

4　基于場景分析的城市中高壓燃?xì)夤艿澜禐?zāi)因子模型研究

通過以上城市中高壓城市燃?xì)夤艿朗鹿式禐?zāi)因子分析，城市燃?xì)夤艿纻€體風(fēng)險可表示為：

R(x,y)=∑sfsvs(1-h)=(f火災(zāi)v火災(zāi)+f爆炸v爆炸)(1-h)      (4)

式中，R(x,y)為城市燃?xì)夤艿朗鹿试诳臻g位置(x，y)處所產(chǎn)牛的第s個情景事故風(fēng)險值，事故場景包括燃?xì)庑孤┗馂?zāi)和燃?xì)獗ㄊ鹿剩?span lang="EN-US">fs為第s個情景事故發(fā)生的概率值；vs為第s個情景事故發(fā)生時對在空間位置(x，y)處所造成的嚴(yán)重度；h為考慮救降災(zāi)系統(tǒng)的完善度、應(yīng)急能力等因素在內(nèi)的降災(zāi)因子。

降災(zāi)因素主要包括以下幾個方面：燃?xì)夤艿佬畔顟B(tài)與風(fēng)險管理、預(yù)測預(yù)警技術(shù)的水平、消防隊處置燃?xì)馐鹿实哪芰?、燃?xì)夤咎幹萌細(xì)馐鹿实膽?yīng)急能力、醫(yī)療救援水平、安全管理及人民群眾的消防意識等。因此，降災(zāi)因子可表示為：

h=∑iAihi=Atht+Afhf+Anhn+Amhm+Aoho                 (5)

其中，ht表示燃?xì)夤艿李A(yù)測預(yù)警系數(shù)，hf表示消防隊救援系數(shù)，hn表示燃?xì)夤揪仍禂?shù)，hm表示醫(yī)療救援系數(shù)，ho表示其他方面降災(zāi)系數(shù)，如：管理、人民群眾降災(zāi)所起到的作用；At、Af、An、Am、Ao分別為各降災(zāi)因素降災(zāi)系數(shù)的權(quán)重值，通過3.3節(jié)災(zāi)害性事故各基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序可將At、Af、An、Am、Ao分別定為0.15、0.30、0.20、0.15、0.2。

消防隊對燃?xì)馐鹿实慕禐?zāi)作用，表現(xiàn)為消防隊的反應(yīng)時間和消防隊的裝備及指揮人員的對災(zāi)害事故的處置能力兩個方面。結(jié)合我國消防隊到達(dá)現(xiàn)場所用的一般時間標(biāo)準(zhǔn)以及消防救援裝備和指揮能力評判，消防隊救援系數(shù)hf的取值見表3。

通過對所統(tǒng)計的城市中高壓燃?xì)夤艿朗鹿手腥細(xì)夤咎幹们闆r進(jìn)行分析可知，燃?xì)夤緦θ細(xì)馐鹿实慕禐?zāi)作用，表現(xiàn)為燃?xì)夤镜姆磻?yīng)時間和燃?xì)夤緦?zāi)害事故的處置能力兩個方面。表示燃?xì)夤揪仍禂?shù)的取值見表4。

醫(yī)療機(jī)構(gòu)對燃?xì)馐鹿实慕禐?zāi)作用，表現(xiàn)為醫(yī)療機(jī)構(gòu)到達(dá)現(xiàn)場的急救反應(yīng)時間和醫(yī)療設(shè)備的完善程度兩個方面。根據(jù)急救時對傷者的救治效果，表示醫(yī)療救援系數(shù)的取值見表5。

燃?xì)夤艿李A(yù)測預(yù)警系數(shù)的取值根據(jù)燃?xì)夤艿赖念A(yù)測預(yù)警技術(shù)完善程度確定，取值范圍為0～0.2。人民群眾降災(zāi)系數(shù)的取值根據(jù)燃?xì)夤艿腊踩芾沓潭燃叭細(xì)夤艿乐車嗣袢罕姷南酪庾R來確定，取值范圍為0～0.2。

5　結(jié)論

本文搜集了近年來百余例城市中高壓燃?xì)夤艿佬孤┦鹿?，利用事件樹的方法分析了城市中高壓燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏后事故發(fā)展場景，利用故障樹分析方法對城市中高壓燃?xì)夤艿罏?zāi)害性事故原因，以及城市燃?xì)夤艿朗鹿实慕禐?zāi)因素進(jìn)行了分析，提出了城市中高壓燃?xì)夤艿里L(fēng)險分析中降災(zāi)因子模型。

通過數(shù)值模擬對城市中高壓燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏、火災(zāi)爆炸災(zāi)害后果進(jìn)行了分析，數(shù)值模擬的結(jié)果表明，隨著天然氣長輸管道輸氣壓力或泄漏口直徑的增大，均能導(dǎo)致泄漏天然氣流量增大，從而引起天然氣云高、天然氣濃度區(qū)、天然氣爆炸極限區(qū)的高度和寬度增大，導(dǎo)致危險性增大。在天然氣泄漏初始點火后，均可迅速形成爆轟，并達(dá)到約l8atm的超壓。隨著高度或距離點火點水平距離的增加，超壓先明顯衰減，隨后緩慢衰減；重力作用誘使燃燒區(qū)或高溫區(qū)繼續(xù)沿天然氣云高度方向傳播。本文數(shù)值模擬結(jié)果表明：在無風(fēng)條件下，在高度方向上，高溫區(qū)導(dǎo)致的危險性大于爆炸波。當(dāng)發(fā)生爆炸時，增大輸氣壓力，計算獲得的高度方向安全距離明顯增大。

參考文獻(xiàn)

1鄭津洋，馬夏康，尹謝平長輸管道安全風(fēng)險辨識評價控制[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004

2國輝．我國城市天然氣管道事故統(tǒng)計及分析[J]．事故分析與報到，2008；8(4)：6-8

3Muhlbauer，Pipeline Rsik Magement Manual，First Edition[M]．Gulf Publishing ComPany,Houston，Texas，1992

4W．Kent Muhlauer，Pipeline Rsik Magement Manual，Second Edition[M]．Gulf Publishing ComPany，Houston，Texas，1996

5趙永濤舳氣管道風(fēng)險評價現(xiàn)狀及對策研究[J]．石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2007

6于京春，解東來等．城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險評估研究進(jìn)展及建議[J]．煤氣與熱力，2007；27(12)：38-42

7ZENG Jing，XU Jun-cheng，CHEN Guo-hul，YUAN Jinbiao，Applicability of Risk Assessment Method for Urban Buried Gas Pipeline[J]；Gas＆Heat；2007；5

8劉斐，劉茂．城市燃?xì)夤芫€的定量風(fēng)險分析[J]．南開大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006；39(6)：31-35

9劉斐，劉茂．城市輸氣管線火災(zāi)事故的風(fēng)險定量計算[J]．安全與環(huán)境工程，2006；13(4)：63-65

10王凱全，王寧，張弛等．《城市天然氣管道風(fēng)險特征及肯特法的改進(jìn)》[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報，2008；18(9)：152-157

ll柳紅衛(wèi)．城市天然氣管道半定量風(fēng)險評估方法研究[J]中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2006；2(3)：96-100

12張甫仁，鄧盼盼，曾小燕．城市燃?xì)夤艿朗鹿示C合評價方法[J]．天然氣工業(yè)，2009；29(2)：98-101

13隋楠，魏立新，隋溪等．《城市燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險評價體系研究》[J]油氣儲運，2010；29(1)：12-14

14蔣宏業(yè)，姚安林等．城市天然氣管道泄漏區(qū)域危害程度分析[J]油氣田地面工程，2008；27(4)：38-39

15朱伯齡，於孝春，李育娟氣體泄漏擴(kuò)散過程及影響因素研究[J]．石油與天然氣化工，2009；38(4)：354-358

16向素平，馮良，周義超．天然氣管道泄漏模型[J]．儲運與集輸工程，2007；27(7)：100-102

17楊維．事故樹在管道燃?xì)庑孤┦鹿史治龅膽?yīng)用[J]．煤氣與熱力，2007；27(5)：51-54

18沈斐敏，伍良管道燃?xì)饣馂?zāi)爆炸事故樹分析(續(xù))[J]工業(yè)安全與環(huán)保，2003；29(1)；42-45

19沈斐敏，伍良管道燃?xì)饣馂?zāi)爆炸事故樹分析(續(xù))[J]工業(yè)安全與環(huán)保，2003；29(2)：37-41

作者單位：公安部天津消防研究所

  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室

本文作者：劉晅亞　許曉元　紀(jì)超　王昌建