摘要：論述了城市埋地天然氣管道泄漏事故的原因和后果。建立了火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域計(jì)算關(guān)系式，結(jié)合北京市近年來典型的管道事故，對事故后果的主要影響因素(管道運(yùn)行壓力、管道破損面積等)進(jìn)行了定量分析?；馂?zāi)危險(xiǎn)區(qū)域半徑大于城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的管道距建筑物的最小距離，管道運(yùn)營公司應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)與公眾及第三方施工單位的聯(lián)系，降低管道泄漏及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；事故；泄漏后果；風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)；火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測；安全管理
Predicted Method and Preventive Measures for Fire Danger Area of Natural Gas Pipeline
DU Xue-ping，LIU Yan，LIU Rong，ZHANG Ying-hui
Abstract：The causes and consequences of leakage accidents for urban buried natural gas pipeline are expounded. The relational expression for fire danger area is established. Combined with typical pipeline accidents during recent years in Beijing City，the main influencing factors of the accident consequences，such as pipeline operating pressure，pipeline breakage area and so on，are quantitatively ana1yzed.The fire danger area radius is larger than the minimum distance between pipeline and building required in Code for Design of City Gas Engineering. The pipeline operating companies should strengthen the relationship with public and third party construction organization to reduce pipeline leakage and fire risk.
Key words：natural gas pipeline；accident；leakage consequence；risk assessment；forecast of fire danger area；safety management
1 概述
隨著我國燃?xì)馐聵I(yè)的快速發(fā)展，燃?xì)夤芫W(wǎng)的管理水平亟待提高。導(dǎo)致事故的原因和事故后果的定量分析對于降低管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義[1]。世界上的現(xiàn)代化大都市的城市燃?xì)鈳缀醵冀?jīng)歷了從人工煤氣到天然氣這一發(fā)展過程。2006年，北京市結(jié)束了近50年人工煤氣的歷史，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)全天然氣化。北京燃?xì)馐聵I(yè)經(jīng)過50年的發(fā)展歷程，特別是1997年陜甘寧天然氣進(jìn)京后，城市燃?xì)庖丫哂邢喈?dāng)大的規(guī)模，現(xiàn)有360×104戶用戶、約11000km管網(wǎng)、55×108m3/a供應(yīng)量、5級壓力級制。表1為北京市天然氣管網(wǎng)管長與壓力概況。本文結(jié)合北京市的管網(wǎng)特點(diǎn)和所發(fā)生的管道事故開展火災(zāi)危險(xiǎn)預(yù)測，對火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行定量化研究，為管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供參考。
表1 北京市天然氣管網(wǎng)管長與壓力概況
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壓力級制
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高壓A
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高壓B
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次高壓A
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中壓A
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低壓
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運(yùn)行壓力/MPa
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3.5
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1.6
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0.7
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0.1
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0.005
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管道長度/km
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125
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315
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506
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4100
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5827
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占總管長的比例/%
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1.1
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2.9
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4.7
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37.7
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53.6
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2 事故原因
管道風(fēng)險(xiǎn)是事故發(fā)生概率和事故后果的函數(shù)[2、3]，火災(zāi)危險(xiǎn)預(yù)測應(yīng)當(dāng)首先分析導(dǎo)致事故的原因。根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2007年北京市燃?xì)馔话l(fā)事故約102起。其原因分類見表2[4]。從表2可知，造成城市燃?xì)馐鹿实闹饕蚴峭饬ζ茐摹?/span>
表2 2007年北京市燃?xì)馐鹿试蚍诸惤y(tǒng)計(jì)[4] 起
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事故原因
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一季度
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二季度
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三季度
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四季度
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合計(jì)
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管道腐蝕
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6
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4
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2
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17
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29
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外力破壞
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6
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10
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17
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7
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40
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施工質(zhì)量
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6
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6
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7
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6
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25
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自然因素
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1
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l
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0
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0
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2
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管道堵塞
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3
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2
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1
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0
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6
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3 泄漏后果
美國和歐洲的安全工程師利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的方法對天然氣管道泄漏事故后果做了大量定量分析和統(tǒng)計(jì)，形成了具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參考數(shù)據(jù)。根據(jù)燃?xì)庑孤┖蟮母鞣N表現(xiàn)形式，可以確定出具有普遍性的危險(xiǎn)發(fā)生模式。下面以燃?xì)庑孤┖蟮母鞣N表現(xiàn)形式為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)危害發(fā)生機(jī)理建立相應(yīng)的事故后果計(jì)算關(guān)系式。
3.1 燃?xì)庑孤┖蟮母鞣N表現(xiàn)形式
美國石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute)的相關(guān)資料提供了燃?xì)獍l(fā)生泄漏后各種表現(xiàn)形式的概率[5]，研究者可以根據(jù)不同情況對其進(jìn)行一定的修正。燃?xì)獬掷m(xù)性泄漏后發(fā)生安全排放、噴射火焰、閃火、蒸氣云爆炸的概率分別為0.8、0.1、0.06、0.04[5]。
噴射火焰(Jet Fire)是指氣體從裂口噴出后立即燃燒，如同火焰噴射器。閃火(Flash Fire)是指泄漏的可燃?xì)怏w在空氣中擴(kuò)散后發(fā)生的滯后燃燒，不產(chǎn)生沖擊波破壞[6]。蒸氣云爆炸是指蒸氣云團(tuán)的可燃混合氣體遇火源突然燃燒，是在無限空間中的氣體爆炸。
天然氣發(fā)生泄漏后，如果立即點(diǎn)燃，此時(shí)天然氣還沒有和空氣充分混合，點(diǎn)燃發(fā)生在外層，而內(nèi)層的燃?xì)庖驗(yàn)闈舛忍卟荒鼙稽c(diǎn)燃。因?yàn)樘烊粴獾拿芏刃∮诳諝?，氣云的浮力起主?dǎo)作用，所以燃燒的氣云向上抬升并變成球形，進(jìn)而促進(jìn)天然氣與空氣混合形成持續(xù)的火災(zāi)。短時(shí)間上升和膨脹的火球最后發(fā)展為穩(wěn)定的噴射火焰，其產(chǎn)生的熱輻射會(huì)對在場人員造成傷害[7]。
3.2 管道破損面積
美國、歐洲和加拿大的研究機(jī)構(gòu)建立了相應(yīng)的管道事故數(shù)據(jù)庫，以進(jìn)行現(xiàn)役管道的安全評價(jià)，減少事故發(fā)生的可能性。歐洲燃?xì)夤艿朗鹿蕯?shù)據(jù)庫(European Gas pipeline Incident Data Group，EGIG)的統(tǒng)計(jì)方法是根據(jù)以下泄漏的尺寸將管道破損進(jìn)行分類記錄[8]：
① 微孔(或裂紋)：缺陷直徑≤2cm。
② 孔洞：2cm＜缺陷直徑≤管道直徑。
③ 斷裂：缺陷直徑＞管道直徑。
歐洲燃?xì)夤艿?970年—2007年間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，第三方破壞造成的各種破損形式的比例分別為：微孔或裂紋(Pinhole/crack)27%，孔洞(Hole)55%，斷裂(Rupture)18%。第三方破壞造成的管道破損以孔洞為主。
3.3 泄漏速率
天然氣泄漏導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)與泄漏速率密切相關(guān)，氣態(tài)燃?xì)庑孤┝靠蓮牟匠掏茖?dǎo)得到，燃?xì)庑孤┑馁|(zhì)量流量與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)滿足式(1)的條件時(shí)，氣體流動(dòng)屬于聲速流動(dòng)，燃?xì)獾男孤┧俾?以質(zhì)量流量計(jì))用式(2)計(jì)算[9]。
式中p0——環(huán)境絕對壓力，Pa
p——容器內(nèi)介質(zhì)絕對壓力，Pa
κ——燃?xì)獾褥刂笖?shù)，甲烷取1.29
qm——燃?xì)庑孤┧俾?質(zhì)量流量)，kg/s
Cdg——氣體泄漏系數(shù)，與泄漏口形狀有關(guān)，見表3
A——泄漏口的面積，m2
M——燃?xì)獾哪栙|(zhì)量，甲烷為0.016kg/mol
R——摩爾氣體常數(shù)，取8.314J/(mol·K)
T——氣體溫度，K，取288K
當(dāng)滿足式(3)時(shí)，氣體流動(dòng)屬于亞聲速流動(dòng)，燃?xì)庑孤┧俾视檬?4)計(jì)算[9]。
表3 氣體泄漏系數(shù)取值[9]
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泄漏口形狀
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圓形
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三角形
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長方形
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漸縮孔
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漸擴(kuò)孔
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管道完全斷裂
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Cdg
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1.0
|
0.9
|
0.9
|
0.9～1.0
|
0.6～0.9
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1.0
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3.4 熱輻射對人員的傷害
燃?xì)馊紵^程中火焰表面在高溫下向外部空間發(fā)射輻射能。彼德森(Pietersen)提出用以下模型來觀測熱輻射對人員的傷害[10]。在場人員暴露在熱輻射之下受到傷害的概率與暴露時(shí)間和熱輻射通量有關(guān)。
① 彼德森模型[10]
式中P——人員傷害概率
t——人員暴露時(shí)間，s
q——人體接收到的熱輻射通量，W/m2
人員傷害概率與死亡百分?jǐn)?shù)的關(guān)系為[11、12]：
式中D——死亡百分?jǐn)?shù)
u——積分變量
死亡百分?jǐn)?shù)D通過式(6)與個(gè)體受到傷害的概率P關(guān)聯(lián)[11]。式(6)表示概率密度與概率分布函數(shù)的關(guān)系，個(gè)體受到傷害的概率P是死亡百分?jǐn)?shù)D的度量，它們的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系可以方便地利用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表查得。當(dāng)P=2.67時(shí)，D=1%；P=5.00時(shí)，D=50%；P=8.06時(shí)，D=99.9%[11、13]。
② 熱輻射通量
熱輻射通量是距射流軸線距離r處(火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域半徑)的熱輻射強(qiáng)度，它表示距點(diǎn)源一定距離的熱接收量，它與點(diǎn)源輻射量和位置有關(guān)。
式中τ——輻射率，此處取0.2[6、7、10]
Φ——點(diǎn)熱源的輻射量，w
r——火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域半徑，m
③ 點(diǎn)熱源的輻射量
火焰熱輻射可簡化為熱量都是由一點(diǎn)釋放的，點(diǎn)熱源的輻射量與燃?xì)鉄嶂岛托孤┝坑嘘P(guān)，當(dāng)發(fā)生穩(wěn)定持續(xù)燃燒時(shí)點(diǎn)熱源的輻射量由下式計(jì)算：
Φ=ηqmQL (8)
式中η——效率因子，此處取0.35[6、7、10]
QL——燃?xì)獾蜔嶂?，J/kg，天然氣的低熱值取5.002×107J/kg
④ 火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域半徑
聯(lián)立式(7)、(8)得：
由彼德森模型式(5)得：
聯(lián)立式(9)、(10)得：
因?yàn)閝m是關(guān)于A和P的函數(shù)，P是關(guān)于D的函數(shù)，所以r是關(guān)于管道破損面積、管道運(yùn)行壓力、人員暴露時(shí)間及死亡百分?jǐn)?shù)的函數(shù)。
3.5 典型事故火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測
北京市玉泉營燃?xì)夤艿辣坏谌绞┕て茐摹?006年6月9日凌晨2:40左右，玉泉營南三環(huán)路北側(cè)輔路旁，某汽車銷售公司委托某施工單位在該公司院內(nèi)施工，在安裝廣告牌過程中使用破碎炮，將地下DN 500mm中壓燃?xì)夤艿来蚱?，產(chǎn)生了一個(gè)直徑為15cm的圓洞，造成燃?xì)獯罅啃孤?。?jīng)燃?xì)廨斉浞止緫?yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍緊急處理，于當(dāng)日中午約12時(shí)消除險(xiǎn)情，恢復(fù)正常供氣。此次事故導(dǎo)致南三環(huán)路北側(cè)主、輔路封閉近6h。
北京市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)覆蓋面廣，中壓管道總長度約4100km，占管網(wǎng)總長度的比例為37.7%，事故發(fā)生的可能性較大，相對于低壓管網(wǎng)其危險(xiǎn)性也更大。因此，此案例為第三方破壞燃?xì)夤艿赖牡湫褪鹿省?/span>
代入基本參數(shù)計(jì)算泄漏速率，滿足式(1)的條件，屬于聲速流動(dòng)，選擇式(2)計(jì)算得到泄漏速率為6.12kg/s；人員暴露的時(shí)間：緊急情況下在場人員尋找遮蔽、逃離火災(zāi)傷害的時(shí)間約為15s，t取15s：將P分別等于2.67、5.00、8.06以及t、QL的值分別代入式(11)，得到r1=7.3m，r50=5.0m，r99=3.1m。由式(6)可知其數(shù)學(xué)意義為：
① 在場人員滯留15s，在半徑為7.3～5.0m的范圍內(nèi)，死亡百分?jǐn)?shù)為：1%＜D＜50%。
② 在場人員滯留15s，在半徑為5.0～3.1m的范圍內(nèi)，死亡百分?jǐn)?shù)為：50%＜D＜99.9%。
③ 在場人員滯留15s，在半徑小于3.1m的范圍內(nèi)，死亡百分?jǐn)?shù)為：D＞99.9%。
D＞99.9%時(shí)的火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域半徑大于城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的中壓管道距建筑物基礎(chǔ)的最小距離(1.5m)。
3.6 防火間距
安全距離究竟多少最為恰當(dāng)，這是一個(gè)很難確定的問題，僅從安全角度出發(fā)，距離越遠(yuǎn)越安全。然而發(fā)生火災(zāi)和爆炸的原因是多方面的，影響因素很多，即使符合規(guī)定的安全距離，也有發(fā)生危險(xiǎn)的可能，因此，安全距離只能是相對的。
在國外的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中關(guān)于防火間距沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。由于各國技術(shù)水平、消防設(shè)施等多方面因素的影響，因而制定的防火間距也不盡相同。例如，有些國家國土面積不大，土地昂貴，偏重于采用高程度的安全設(shè)備而較少占用土地，因而制定的防火間距較小；而另一些國家則相反，如美國石油保險(xiǎn)協(xié)會(huì)推薦安全距離往往偏大[14]。對于我國城市天然氣輸送管道，加強(qiáng)管道保護(hù)措施比安全距離劃分更切合實(shí)際。
4 預(yù)防措施
管道外力破壞的防護(hù)可以采取增大管道埋深、埋設(shè)警示帶、管頂覆土厚度較小的地方加蓋混凝土板等措施，對于大量的已建管道，主要依靠巡線人員的巡查和針對第三方施工單位的報(bào)建制度來保護(hù)管道。國內(nèi)外的一些天然氣輸送系統(tǒng)建立了相應(yīng)的通信服務(wù)系統(tǒng)，旨在加強(qiáng)管道運(yùn)營方與第三方施工單位以及公眾的聯(lián)系。
英國管道風(fēng)險(xiǎn)管理專家W.K.Muhlbauer所著《管道風(fēng)險(xiǎn)管理手冊》介紹了這種能夠加強(qiáng)信息通報(bào)與響應(yīng)的直呼系統(tǒng)(One-call System)。這種通信系統(tǒng)一般由政府部門、數(shù)個(gè)管道公司共同建立，獨(dú)立的管道運(yùn)營企業(yè)也可以建立這種系統(tǒng)。它提供電話號碼給挖掘承包商及公眾，要求他們在開挖活動(dòng)之前通告直呼系統(tǒng)中心，從而使管道運(yùn)營者有機(jī)會(huì)與開挖人預(yù)先取得聯(lián)系，管道運(yùn)營者在開挖活動(dòng)中用臨時(shí)標(biāo)記標(biāo)示他們的管道設(shè)施，隨時(shí)跟蹤挖掘活動(dòng)并檢測其地下設(shè)施[15、16]。
1964年，在紐約州的羅徹斯特(Rochester)建立了第一套現(xiàn)代直呼系統(tǒng)。1992年，在美國47個(gè)州及華盛頓特區(qū)中，已建有88個(gè)直呼系統(tǒng)，在加拿大、澳大利亞、蘇格蘭也運(yùn)行著類似的直呼系統(tǒng)。美國運(yùn)輸部通過對16個(gè)直呼系統(tǒng)中心的調(diào)查表明：該系統(tǒng)對于降低管道事故有著明顯效果。有10個(gè)例子(為16個(gè)研究例子中的一部分)與挖掘有關(guān)，事故減少了20%～40%；其余6例的事故發(fā)生率減少了60%～70%[15、16]。
提供聯(lián)系方式的管道標(biāo)志牌也是類似于直呼系統(tǒng)的管道安全保障措施，如標(biāo)明“此處有燃?xì)夤艿?，施工前請?lián)系某某燃?xì)夤?，電話?hellip;…”，它能夠提高公眾對燃?xì)庠O(shè)施的保護(hù)意識，減小盲目和違規(guī)開挖帶來的風(fēng)險(xiǎn)。管道標(biāo)志牌向公眾展示了地下管道的位置，有可能增加蓄意破壞的可能性，但是缺少圖紙資料，確定地下管道位置的難度較大，蓄意破壞的可能性較小。
結(jié)合現(xiàn)有安全防范措施，在地面開挖可能性較大的地段，設(shè)立提供電話號碼的管道標(biāo)志牌，能夠加強(qiáng)管道運(yùn)營公司與公眾的聯(lián)系，降低管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
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(本文作者：杜學(xué)平1 劉燕2 劉蓉1 張應(yīng)輝2 1.北京建筑工程學(xué)院 北京 100044；2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100035)
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