埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏規(guī)律及其次生災(zāi)害預(yù)防研究

摘 要

摘要：分析了城市埋地燃?xì)夤艿佬孤┮?guī)律、泄漏的燃?xì)庠谕寥乐袛U(kuò)散范圍的關(guān)鍵影響因素。對(duì)城市排水管道產(chǎn)生的沼氣和燃?xì)夤艿佬孤?，在市政地下密閉空間(管廊、排水管道、各類井室
摘要：分析了城市埋地燃?xì)夤艿佬孤┮?guī)律、泄漏的燃?xì)庠谕寥乐袛U(kuò)散范圍的關(guān)鍵影響因素。對(duì)城市排水管道產(chǎn)生的沼氣和燃?xì)夤艿佬孤?，在市政地下密閉空間(管廊、排水管道、各類井室等)累積所引發(fā)的爆炸和中毒特性進(jìn)行了研究，提出了避免這些次生災(zāi)害的具體措施。
關(guān)鍵詞：埋地燃?xì)夤艿?；泄漏；土壤中擴(kuò)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?xì)庑孤┘按紊鸀?zāi)害研究的必要性
    城市地下市政管網(wǎng)主要是指供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)，城市地下市政管網(wǎng)是城市的基礎(chǔ)設(shè)施，是現(xiàn)代城市的生命線，保持著現(xiàn)代城市的可持續(xù)發(fā)展。以2004年西氣東輸一線建成投產(chǎn)為標(biāo)志，城市燃?xì)膺M(jìn)入了天然氣時(shí)代，目前全國(guó)280個(gè)城市已擁有管道天然氣。與城市其他基礎(chǔ)設(shè)施(如供水、排水管道)相比，城市燃?xì)夤艿垒斔偷慕橘|(zhì)是易燃易爆的氣體，因此燃?xì)夤艿酪坏┬孤?，所造成的爆炸等次生?zāi)害很大。
    城市燃?xì)夤芫W(wǎng)經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了事故的高發(fā)階段，特別是由于各種原因而導(dǎo)致的管道泄漏以及由此產(chǎn)生的次生災(zāi)害近年來(lái)有上升的趨勢(shì)。據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)，2008年1月—12月，僅上海市就發(fā)生燃?xì)庑孤┦鹿?852起，死亡29人，中毒受傷76人，分別比2007年上升了16%和43%。其中僅12月份因燃?xì)馐鹿仕劳龅娜藬?shù)就有12人，占全年燃?xì)馐鹿仕劳鋈藬?shù)的41%。
    近年來(lái)市政排水管道發(fā)生爆炸和中毒事故也頻繁發(fā)生。據(jù)報(bào)道，2009年7月3日，北京通州區(qū)新華聯(lián)小區(qū)發(fā)生一起污水井氣體中毒事故，造成6名物業(yè)人員和1名消防隊(duì)員死亡。
    市政排水管道發(fā)生爆炸和中毒的原因是：①城市排水管道和化糞池的污泥和有機(jī)物質(zhì)在甲烷菌的作用下產(chǎn)生大量的沼氣，其主要組成(以北京地區(qū)為例，以體積分?jǐn)?shù)計(jì))甲烷約65%，二氧化碳約30%，其他有毒氣體如硫化氫、一氧化碳等約占5%。②由于排水管道是非滿流，造成排水管道和檢查井具有密閉空間，而燃?xì)夤艿琅c排水管道經(jīng)常毗鄰，燃?xì)夤艿佬孤┑娜細(xì)庖步?jīng)常竄入排水管道和檢查井，使得排水管道也具有爆炸的危險(xiǎn)性；反之，排水管道所產(chǎn)生的大量沼氣，其主要成分與天然氣一樣也是甲烷，也經(jīng)常竄入燃?xì)夤艿赖拈y門(mén)井，這不僅經(jīng)常導(dǎo)致燃?xì)夤驹谌粘９芫W(wǎng)運(yùn)行中發(fā)生漏點(diǎn)判斷失誤，從而導(dǎo)致大量無(wú)效開(kāi)挖[1]，給燃?xì)馄髽I(yè)造成巨大的浪費(fèi)，而且地下沼氣也能直接進(jìn)入電信管廊、排水管道、給水井、排水井或其他密閉空間而引起爆炸事故，并且因地下沼氣爆炸產(chǎn)生的次生災(zāi)害的責(zé)任認(rèn)定也經(jīng)常困擾著各地燃?xì)夤尽?/span>
    因此，本文對(duì)地下燃?xì)夤艿佬孤┮?guī)律及其所引發(fā)的爆炸和中毒等次生災(zāi)害的控制因素進(jìn)行研究，對(duì)于保障城市地下管網(wǎng)安全運(yùn)行和在發(fā)生泄漏時(shí)采取緊急預(yù)案具有技術(shù)支撐作用。
2 城市燃?xì)獾奶匦苑治?/span>
    城市燃?xì)馔ǔＪ侵柑烊粴?、人工煤氣、液化石油氣。?dāng)前城市燃?xì)庖堰M(jìn)入了天然氣時(shí)代，天然氣因氣田產(chǎn)地不同[2]，組成略有不同。
    按照危險(xiǎn)品分類，天然氣屬于甲類易燃易爆氣體，它在儲(chǔ)存、輸送過(guò)程中可能發(fā)生泄漏，如不采取措施，會(huì)引起火災(zāi)甚至發(fā)生爆炸等次生災(zāi)害，危險(xiǎn)性極大。某典型天然氣的組成見(jiàn)表1，其理化性質(zhì)見(jiàn)表2。天然氣主要成分甲烷的理化性質(zhì)及危險(xiǎn)特性見(jiàn)表3。
表1 某典型天然氣組成
組分
CH4
C2～C4
CO2
H2O
N2
體積分?jǐn)?shù)/%
97.037
0.713
1.277
0.004
0.969
注：H2S的質(zhì)量濃度≤20mg/m3
表2 某典型天然氣理化性質(zhì)參數(shù)
低熱值/(MJ·m-3)
35.58
密度/(kg·m-3)
0.7499
運(yùn)動(dòng)黏度/(m2·s-1)
14.18×10-6
華白數(shù)/(MJ·m-3)
51.71
燃燒勢(shì)
38.88
氣體常數(shù)/(J·kg-1·K-1)
487
烴露點(diǎn)/℃
＜-40
水露點(diǎn)/℃
-10
表3 甲烷的理化性質(zhì)及危險(xiǎn)特性
 
熔點(diǎn)/℃
-182.6
 
沸點(diǎn)/℃
-161.5
 
臨界溫度/℃
-82.1
 
燃燒熱/(kJ·mol-1)
889.5
 
最小點(diǎn)火能/mJ
0.28
 
相對(duì)密度
0.55
 
閃點(diǎn)/℃
-188
 
自燃溫度/℃
537
爆炸極限(體積分?jǐn)?shù))/%
5.3～15.0
燃燒性
易燃
燃燒產(chǎn)物
H2O、CO2、CO
危險(xiǎn)性
火災(zāi)、爆炸
    在市政管網(wǎng)運(yùn)行中，往往不是泄漏的天然氣中的硫化氫對(duì)人體產(chǎn)生毒害，而是井室中的沼氣中的硫化氫產(chǎn)生作用。在燃?xì)忾y門(mén)井中工作，應(yīng)滿足中國(guó)車(chē)間空氣標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定H2S的質(zhì)量濃度上限為10mg/m3。表4為H2S對(duì)人的毒性作用。
表4 H2S對(duì)人的毒性作用[3]
H2S體積分?jǐn)?shù)/10-6
H2S對(duì)人的毒性作用
0.13
嗅覺(jué)閾，可察覺(jué)到臭氣味道
4.60
明顯嗅出有適度的臭氣味道
10
刺激眼球，可暴露8h
27
強(qiáng)烈的不愉快臭味，不能忍受
100
咳嗽，刺激眼球，2min失去知覺(jué)
200～300
暴露1h后有明顯的結(jié)膜炎，呼吸道受刺激
500～700
失去知覺(jué)，幾分鐘內(nèi)呼吸停止并死亡
3 城市燃?xì)夤艿佬孤┨卣鞣治?/span>
    目前在這一領(lǐng)域的研究一般都針對(duì)燃?xì)庠O(shè)施在地面的泄漏或者是埋地管道泄漏到地面的情況。對(duì)于埋地管道地下的泄漏規(guī)律研究，目前國(guó)內(nèi)還基本上處于空白狀態(tài)。而事實(shí)上，城市燃?xì)夤艿缼缀醵悸裨诘叵?，由于各種原因所引發(fā)的燃?xì)庑孤┙?jīng)常發(fā)生。地下燃?xì)夤艿佬孤┖笙仍诘叵聰U(kuò)散，管道自身的破損程度、管道運(yùn)行壓力、土壤環(huán)境、氣候條件等是影響地下燃?xì)庑孤U(kuò)散邊界范圍的關(guān)鍵因素。正確掌握燃?xì)獾男孤┝?、泄漏速度、擴(kuò)散范圍、泄漏物的濃度分布等技術(shù)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)救援、實(shí)施泄漏現(xiàn)場(chǎng)控制、最大限度地降低事故損失都非常重要。
    在一定的運(yùn)行壓力下，泄漏量主要取決于泄漏點(diǎn)的破損程度；在破損程度一定的條件下，隨壓力增大而泄漏量增大。因此，泄漏點(diǎn)的破損程度和管道壓力是泄漏量的關(guān)鍵因素。
    在泄漏量一定的條件下，土壤環(huán)境是決定擴(kuò)散速度與影響范圍的關(guān)鍵因素。土質(zhì)孔隙度越大(比如沙土)，含水率越低，其擴(kuò)散速度與影響范圍也越大。而土壤環(huán)境又受氣候環(huán)境溫度(夏季和冬季)和濕度(晴天和雨雪天)影響，對(duì)此德國(guó)水和燃?xì)鈪f(xié)會(huì)(DVGW)在Vienna做了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[4、5]，并與筆者進(jìn)行了技術(shù)交流。
    初始實(shí)驗(yàn)條件如下：管道內(nèi)介質(zhì)是天然氣，壓力為0.2MPa，持續(xù)氣體泄漏量為4.8L/h，處于典型的雜透性土壤環(huán)境。變量包括含水率(干燥或雨后土壤)、溫度(夏季或冬季)。下面是穿透性土壤環(huán)境燃?xì)鈹U(kuò)散的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
    圖1為干燥天氣下穿透性土壤環(huán)境燃?xì)鈹U(kuò)散的體積分?jǐn)?shù)等值線。圖中原點(diǎn)0為泄漏點(diǎn)(以下各圖同)。
 

    從圖1可以看出，由于甲烷比空氣輕，典型狀況下的甲烷擴(kuò)散以泄漏點(diǎn)為中心，其擴(kuò)散范圍邊緣處的體積分?jǐn)?shù)以0.5%為限，其擴(kuò)散的邊緣距離泄漏點(diǎn)中心可達(dá)到4m，沿圖中的體積分?jǐn)?shù)等值線分布，沿著地面形成穩(wěn)定的形態(tài)。
    圖2為干燥穿透性土壤環(huán)境燃?xì)鈹U(kuò)散的體積分?jǐn)?shù)等值線，圖3為潮濕穿透性土壤環(huán)境燃?xì)鈹U(kuò)散的體積分?jǐn)?shù)等值線。

    從圖2、3對(duì)比可以看出，由于雨天使穿透性土壤含水率增大，密實(shí)度增強(qiáng)而穿透性減弱，從而使燃?xì)鈹U(kuò)散范圍縮小。這對(duì)實(shí)際的燃?xì)夤芫W(wǎng)巡檢有指導(dǎo)意義，即一般不要在雨后進(jìn)行管網(wǎng)檢漏。
    圖4為干燥穿透性土壤環(huán)境燃?xì)鈹U(kuò)散的體積分?jǐn)?shù)等值線，圖5為冰凍穿透性土壤環(huán)境燃?xì)鈹U(kuò)散的體積分?jǐn)?shù)等值線。
 

    從圖4、5對(duì)比可以看出，由于冰凍使得土壤孔隙度增大，裂痕增多，燃?xì)鈹U(kuò)散的范圍加大。這對(duì)實(shí)際的燃?xì)夤芫W(wǎng)巡檢有指導(dǎo)意義，即冬季不僅溫度低，使得管道在熱脹冷縮下變形，容易發(fā)生泄漏，而且燃?xì)鈹U(kuò)散的范圍加大，有助于巡檢。
    實(shí)際管道大部分都埋在城市的道路下面，因此其擴(kuò)散邊界受水泥或?yàn)r青路面好壞程度影響較大，燃?xì)庖部偸沁x擇最薄弱點(diǎn)擴(kuò)散到路面。而無(wú)水泥或?yàn)r青覆蓋層路面的泄漏情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果和上面的實(shí)驗(yàn)有所不同，實(shí)際上擴(kuò)散邊界寬度可達(dá)2～3m。
圖6為無(wú)水泥(或?yàn)r青)覆蓋層路面的實(shí)際燃?xì)庑孤U(kuò)散。地下燃?xì)庑孤U(kuò)散過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)的湍流運(yùn)動(dòng)過(guò)程，影響因素主要有土壤孔隙率、土壤含水率、是否遇到地下密閉空間或障礙物等。
 

圖7為水泥(或?yàn)r青)覆蓋層良好路面的實(shí)際燃?xì)庑孤U(kuò)散[6、7]。圖8為水泥(或?yàn)r青)覆蓋層有裂隙和有檢查井路面的實(shí)際燃?xì)庑孤U(kuò)散[8]。
 

4 燃?xì)庠诜忾]空間的爆炸特性分析
   ① 引發(fā)燃?xì)獗ǖ膮?shù)分析
   城市燃?xì)庵饕翘烊粴?、液化石油氣、人工煤氣等可燃?xì)怏w，它們的共同點(diǎn)是具有易燃燒性和易爆炸性：a.3種燃?xì)獾淖钚↑c(diǎn)火能都較低，約為0.19～0.35mJ；天然氣自燃溫度為537℃，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?4～38cm/s。b.當(dāng)一定比例的燃?xì)馀c空氣混合后就會(huì)形成爆炸性混合氣體，遇明火就會(huì)發(fā)生爆炸。排水管道產(chǎn)生的沼氣也具有類似性質(zhì)。
    由于可燃?xì)怏w種類很多而性質(zhì)差異很大，為統(tǒng)一地描述其爆炸特性，通常采用爆炸極限這一參數(shù)。特別需要指出的是，某種可燃?xì)怏w的爆炸極限的值是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的客觀恒定值。圖9是常見(jiàn)可燃?xì)怏w的爆炸極限數(shù)據(jù)圖[9]，表5是常見(jiàn)可燃?xì)怏w的爆炸極限數(shù)據(jù)表[9]。

表5 常見(jiàn)可燃?xì)怏w的爆炸極限數(shù)據(jù)表[9]
可燃?xì)怏w名稱
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?xì)怏w名稱
氫氣
一氧化碳
加臭劑THT
無(wú)硫加臭劑
爆炸上限/%
77.0
76.0
12.3
23.0
爆炸下限/%
4.0
10.9
1.1
1.6
爆炸極限范圍越寬，爆炸下限越低，其爆炸危險(xiǎn)性越大。
② 封閉空間燃?xì)饫鄯e速度實(shí)驗(yàn)
為了準(zhǔn)確地描述封閉空間燃?xì)饫鄯e速度，以便在發(fā)生災(zāi)害時(shí)進(jìn)行確切的評(píng)估，我們做了下列封閉空間天然氣累積速度實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表6。
 

    從表6不難看出，燃?xì)庑孤┖笤诜忾]空間的累積速度非?？?，這就意味著在封閉空間燃?xì)庑孤┓浅ＮｋU(xiǎn)。
   ③ 形成爆炸的條件
   形成爆炸必須同時(shí)滿足以下條件：必須有燃?xì)庑孤?，必須有足夠的氧?空氣)，且燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)在爆炸極限之內(nèi)；必須有點(diǎn)火源；必須在一定的封閉空間內(nèi)。
    我們?cè)趯?shí)際的管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，就要采取相應(yīng)的對(duì)策來(lái)避免爆炸的發(fā)生：在發(fā)現(xiàn)燃?xì)庑孤┖?，?yīng)在達(dá)到爆炸極限之前采取應(yīng)急措施；現(xiàn)場(chǎng)要控制明火；打開(kāi)封閉空間通風(fēng)。
5 研究結(jié)論
   ① 城市燃?xì)夤艿佬孤┖团潘艿喇a(chǎn)生的沼氣所導(dǎo)致的火災(zāi)、爆炸和人員中毒事故是當(dāng)前城市市政管網(wǎng)管理所面臨的最迫切需要解決的問(wèn)題之一。本文分析了城市地下燃?xì)夤艿佬孤┑男孤┝?、擴(kuò)散影響范圍、泄漏濃度分布等技術(shù)參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)城市市政管網(wǎng)日常的安全維護(hù)、泄漏事故發(fā)生后如何進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)救援、實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害控制、最大限度地降低損失，具有非常重要的指導(dǎo)意義。
    ② 通過(guò)燃?xì)庠诜忾]空間的爆炸特性分析，提出了避免城市市政管網(wǎng)燃?xì)獗ǖ募夹g(shù)方法。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：孫立國(guó) 周玉文 北京工業(yè)大學(xué) 北京 100022)