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1、城镇燃气输配管道泄漏火灾风险评估城镇燃气输配管道泄漏火灾风险评估黄郑华(中国武装警察学院河北廊坊065000)摘要:分析城镇燃气输配管道泄漏事故风险,压力燃气输配管道泄漏火灾危险特性.结合某城镇中压燃气管道工程实例,评估不同泄漏面积下燃气输配管道发生泄漏事故,形成喷射火的危害程度和范围,并结合工程设施工图纸,对工程途径路段最危险点进行分析,得出的结论,期望能够为城镇燃气管道的建设,审核,运营,管理等部门的消防安全工作提供参考.关键词:燃气;输配管道;泄漏;火灾;风险评估燃气管道是国民经济和社会发展的重要生命线.我国有着成百上千公里的燃气管道,这些管道遍布城市的大街小巷,周围分布着无数各类阀井,
2、沟槽,地下建构筑物等密闭空间,由于燃气具有易燃易爆,高能高压,有毒有害,连续作业,点多线长,环境复杂等特点,一旦泄漏就极有可能导致爆炸,火灾,中毒等恶性事故.燃气管道的安全问题,既影响管道的安全正常运输,企业及居民的正常供气,又威胁人民群众生命安全和生活环境.分析评估城镇燃气输配管道泄漏火灾风险,采取措施提高其安全性,具有十分重要的意义.1城镇燃气输配管道泄漏风险近年来,国内外发生了数起的重大燃气安全事故,造成大量财产损失和人员伤亡.以西安燃气公司为例,其所有主体管网都按严格的标准建设,并大量采用耐腐蚀性极好的PE管,但是从l997年投运至今仍发生了259次燃气泄漏事件.表1为西安燃气公司25
3、9次燃气泄漏事故统计.表1259次燃气泄漏事故统计序号泄漏性质泄漏原因数量1放散阀泄漏施工和管材质量782阀门泄漏管材质量76:.直埋餐线漏气.施工质量和腐蚀175法兰及管件泄漏施工和管材质量61原煤气转换管线漏气腐蚀和设计因素126其弛事件外力破坏77埋地钢塑转换漏气施工质量和设计因素80合计259燃气输配管道泄漏的原因是多方面的,主要原因包括:管材本身存在风险,如普通灰铁管属于脆性管材,当载荷和突发应力超过其耐受能力时会使管道发生断裂,钢管的耐化学腐蚀能力低,使用寿命短,聚乙烯塑料管(PE管)力学性能,抗老化性能,稳定性,易变形等与钢铁材料相比有较大差距;管材腐蚀危险,管道易受周围环境,空
4、气质量及土壤情况的影响,发生腐蚀,造成重大经济损失及泄漏事故;管道施工存在隐患,.管道设备存在众多薄弱环节,且存在交叉施工,盲目施工现象,提升了管道破坏危险;第三方破坏风险,诸如盗气打孔,河流挖沙及城市,道路的建设等现象,?4?随机性强且不易控制;环境影响也不容忽视,如地震破坏及管道水毁等,将严重威胁管道安全;此外,由于燃气管网巡查易出现漏洞,检漏不利;以及燃气输配管道安全管理不善等.从表1中259次燃气泄漏事故统计分析,可知燃气输配管道事故主要原因集中在管材质量,建设施工,埋地燃气管道的腐蚀等,第三方破坏也是管道泄漏事故发生的重要原因.2城镇燃气输配管道火灾特点燃气具有易燃易爆性.天然气的最
5、小点火能量为0.28mJ,火焰传播速度为0.67m/s,最低着火温度约537,爆炸极限为515.燃气一旦泄漏即被明火点燃,继而发生连续的稳定燃烧;燃气泄漏后与空气混合,再遇火源发生爆燃,继而在泄漏处继续燃烧的现象,也称作稳定燃烧.稳定燃烧火焰的形状与破裂口形状,开口大小有关,多以喷射的形式燃烧并伴有轰鸣声.燃气泄漏后,迅速与空气混合,形成爆炸混合物,遇火源发生的爆炸性燃烧,也叫做动力燃烧,这种爆炸性燃烧会产生强烈的冲击波和高温,破坏周围建筑物,设备和容器,造成重大财产损坏和人员伤亡.燃气通常以压力管道形式输配,增加了泄漏的危险性.管道燃气比瓶装液化石油气更容易实现长期,稳定,持续的供应,在一定
6、程度上易造成持续和大量的燃气泄漏,导致大范围的燃烧爆炸气体空间.燃气泄漏后遇下风向火源点燃,能够逆风向迅速蔓延.燃气泄漏后,在风力不大或风向不定的情况下,四处飘逸弥漫,人力无法堵截和控制,一旦着火,常常造成大面积燃烧.通常,燃气在压力管道破损或放空速度过快时都容易产生静电,其放电火花的能量足以引燃燃气.3城镇燃气输配管道泄漏火灾风险评估方法3.1燃气泄漏量估算燃气从裂口泄漏的速度与其流动状态有关.当()南时,气体里音速流动,其泄漏量由式(1)给出.QG=C(南)(1)当-(o>(若|_)南时,气体呈亚音速流动,其泄漏量由CHEMICALSAFETY&ENVIRONMENT一一化工
7、安全与环境2011年第24期式(2)给出.,Qa=YCdAP馏()(2)y一()()()1一(譬)(2)式中:Qc气体泄漏速度,kg/s;P燃气管道输气压力,Pa;P.环境压力,Pa;cd气体泄漏系数,当裂口形状为圆形时取1.)(】,三角形时取0.95,长方形时取0.90;M一气体摩尔质量,kg/ktool;R气体常数J/mol?K;一气体温度,K;气体的绝热指数,既定压热容c与定容热容c之比:y气体膨胀因子;A裂口面积,m.3.2热辐射通量估算喷射火主要的危害形式是由喷射火焰产生的热辐射.喷射火热辐射估算方法是一种包括气流效应在内的喷射扩散模式的扩展.把整个喷射火看成是由喷射中心轴线上一系列
8、点辐射源组成,每个点辐射源的热量释放速率相等.点热源的热辐射通量可按式(3)估算:qr/QGHG(3)口一【5)式中:q点热源热辐射通量,W;矿-_效率因子,可取0.35;泄漏速度,kg/S;Hc燃烧热,JAg;假设的点辐射源数,可以任意选取,对于危险性评估分析,一般取5.3.3入射热辐射强度估算喷射中心轴线上某点辐射源i对距离该点L处目标的入射热辐射强度按式(4)估算:qi-(4)式中:q,喷射中心轴线上某点辐射源i对距离该点L处目标的热辐射强度,W/m;zR辐射分数,一般取0.2;L目标至喷射中心轴线上某点辐射源i的距离,m.某一目标点处的入射热辐射强度等于喷射火的全部点热源对目标的入射热
9、辐射强度的总和,假设各点喷射火焰对目标的热辐射强度差别很小,视为相同,则目标的入射热辐射强度按式(5)估算:一5(5)3.4伤害距离与伤害面积估算火灾是以热辐射的方式影响周围环境的,当产生的热辐臻陵曝:射强度足够大时,可使周围的物体燃烧或变形,强烈的热辐射可能烧毁设备,造成人员伤亡等.火灾损失估算建立在入射辐射强度与损失等级的相应关系基础上.表2为不同入射热辐射强度造成伤害或损失的情况.表2不同入射热辐射强度造成的损失入射热辐射强度(kW/m)人员伤害设备破坏lmin:i00人员死亡37.5设备严重损坏lOs:1人员死亡lmin:100人员死亡无火焰长时间热辐射25.O点燃木材的最小能lOs:
10、1人员重伤量,设备钢结构变形lmin:1人员死亡有火焰时点燃木材的l2.5最小能量,塑料熔化10s:1人员一度烧伤的最小能量20s以上人员感觉疼痛,可4.030rain玻璃破裂能烧伤,无人员死亡1.6长时间人员无不适感觉入射热辐射强度与距离L的平方成反比,距离越远,热辐射越弱,人员及设备也就越安全.由式(5)可得出伤害距离的估算式(6),伤害面积的估算式(7).L=,v5/5/5/5_,q(6)R:垡r7,一4q式中:L伤害距离,m;S伤害面积,1TI.4某城镇燃气输配管道泄漏火灾风险评估4.1某城镇燃气输配管道工程概况某城镇燃气输配管道为地下中压燃气管道,用途是供气给低压配气管网和用气量较大
11、的用户.该工程穿越市内某道路,道路两旁主要建筑为:五座住宅小区;十家商场/超市;一座小学;三家公司(彩钢瓦有限公司,服饰有限公司,电力有限公司);三家工厂(汽修厂,绣品厂,板纤厂);一家石油公司(内有加油站),一块苗木培育基地;一块温室培育基地.该工程主管设计线长395.5m,管径口160,管材均为聚乙烯管.起点接中压管道DN15O,末端接中压燃气管道0200.异侧设过路管道,管道长50m,管径为D16O,末点设直埋PE阀门.燃气类别为天然气,燃气输配管道泄漏火灾风险评估参数如表3所示.4.2某城镇燃气输配管道泄漏火灾评估结果根据管道运行条件计算得:1-o(南),所以,气体流动属于声速流动,运
12、用式(1)估算燃气泄漏量Qc,由式(3)估算出点热源热辐射通量q,热辐射不同的入射强度造成的损失不同,按照不同伤害等级的入射热辐射强度,由式(6),式(7)估算出燃气管道泄漏火灾的伤害距离与伤害面积,评估结果如表4所示.CHEMlOALSAFETY&ENVIRONMENT?5?表3燃气输配管道泄漏火灾风险评估参数燃气摩尔质量燃气燃烧热设计压力环境压力燃气温度燃气组分绝热指数(kg/kmo1)(J/kg)(MPa)(MPa)(K)CH498;C4H1TI100.5%;l6.474.91070.40.12981.315c3H80.5;N21.0;表4燃气管道泄漏火灾评估结果入射热辐泄漏面积
13、(cm0)0.O10.11射强度伤害距离伤害面积伤害距离伤害面积伤害距离伤害面积(kW/m2)(m)(m0)(m)(m2)(m)(m)37.512.6498.539.94998.9126.250O09.025.O15.5240.348.82391.2154.523870.312.521.91505.969.114992.9218.5149910.74.038.64678.5122.146812.4386.3468574.94.3工程途径路段最危险点分析根据工程建设布置图,选择该工程途径路段最危险点进行分析.路JJ)JD油站,两个加油机距中压燃气管道的距离L一5.94m;埋地储罐距中压燃气管道的
14、距离L一15.28m.两个加油机处于入射热辐射强度超过37.5kW/m范围内,假设管道接缝处发生面积为0.01cm的泄漏,形成喷射火,可造成设备严重损坏,一旦加油机设备严重损坏造成油品泄漏,在高强度的热辐射条件下,极易引发燃烧爆炸事故.加油站左邻的板纤厂厂房为砖结构房屋,板纤为易燃物质,极易燃烧,且板纤厂为日制工厂,工作日有职工进行作业,一旦发生火灾,将有可能造成较大财产损失和人员伤亡.其右侧为石油公司办公区,火灾造成的伤害影响也不容忽视.路旁小学的砖结构教学楼距离中压燃气管道最近距离L一1.04m,其部分建筑物处于12.6m范围内,即燃气管道发生面积为0.01cm.的泄漏,形成喷射火,lmi
15、n造成100人员死亡,10s造成1人员死亡,设备严重损害,大部分建筑将受到不同程度的损害.学校为人员密集场所,如果事故发生在白天,将造成严重人员伤害,且小学校内学生均为未成年儿童,这对火灾时人员疏散造成困难,也加大了事故的危险性.5结论城镇燃气输配管道泄漏风险较大,泄漏的原因是多方面的,主要原因有管材本身缺陷,腐蚀破坏,管道建设施工隐患,第三方破坏,环境因素破坏,燃气输配管道检漏不利及燃气输配管道安全管理不善等因素.其中管材质量,建设施工隐患,埋地燃气管道的腐蚀,第三方破坏等方面尤为突出.燃气属于易燃易爆物质,燃气压力输配管网各种设备,?6?管道复杂,具有燃气持续供应特性,一旦泄漏火灾爆炸危险
16、性较大,易导致大范围的燃气燃烧爆炸空间.燃气在压力管道破损或放空速度过快时产生的静电放电火花能量,足以引燃燃气.结合穿越某市内道路的城镇燃气输配工程实例,模拟不同泄漏面积下燃气管道发生泄漏火灾,评估其伤害程度和范围.燃气管道一旦发生泄漏爆炸事故,产生喷射火,其后果是相当严重的,在泄漏面积仅为0.01cm时,距离为12.6m,周围498.5m.范围内,即在lrain内100人员死亡,10s内1人员死亡,设备严重损坏;距离为15.5m,在周围240.3m范围内,lmin100人员死亡,10s1人员重伤,无火焰长时间热辐射可点燃木材,设备钢结构变形;距离为21.9m,周围1505.9m.范围,lmi
17、n1人员死亡,20s人员可能烧伤,有火焰时点燃木材,塑料熔化;距离为38.6m,周围4678.5m范围内,可造成不同程度的人员伤害及设备损坏.针对该管道铺设路段的最不利危险点进行分析,路北侧的加油站及路旁的小学均存在较高火灾危险性.一参考文献1.肖淑衡,邹雪春,梁栋.热环境下燃气爆炸特性的研究进展.广东:广州大学(自然科学版).2006.5(1):83862.西安秦华天然气有限公司,西安秦华天然气公司报表,20093.刘庆堂.居民用气事故原因及对策.煤气与热力,2007,27(10):52544.温刚,胡春雁.燃气火灾爆炸事故原因与防范措施.燃气与热力,2007.7,27(7):53555.李海川,吴宏,靖边一延水关管段汛期水毁现象的防治措施.油气储运,2005,24(8):45576.傅智敏,工业企业防火.中国人民公安大学出版社,20087.刘铁民,张兴凯,刘功智.安全评价方法应用指南,北京:化学工业出版社,2005一CHEMICALSAFETY&ENVIRONMENT一
