高壓天然氣管道泄漏爆炸后危害分析

駱洪森，王為民，張 月，陳 印，武 旭

（1. 中國民航工程咨詢公司， 北京 100621；2. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001； 3. 中國石油大學（北京）， 北京 102249）

高壓天然氣管道泄漏爆炸后危害分析

駱洪森1，王為民2，張 月2，陳 印2，武 旭3

（1. 中國民航工程咨詢公司， 北京 100621；2. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001； 3. 中國石油大學（北京）， 北京 102249）

高壓天然氣管道泄漏可能導致很多嚴重后果，火災爆炸給周圍的人員和建筑物造成重大的傷害和破壞。所以，對其爆炸危害進行研究分析具有重要現(xiàn)實意義。介紹了天然氣管道爆炸后的主要危害形式和后果評價分析，并簡單介紹了爆炸事故發(fā)生特點和爆炸的相關(guān)理論。

高壓；天然氣管道；爆炸；危害

天然氣是一種無味無色無毒的氣體，成分中約95%以上是甲烷，同時含有較少量的乙烷、丙烷、丁烷等烷烴。天然氣的爆炸極限僅為 5%～15%，相對來說很低。天然氣如果泄漏，就會立即與空氣接觸，形成爆炸性混合氣體。若遇到火源，明火就可能發(fā)生火災爆炸事故， 從而對周圍設備和建筑物造成破壞，甚至會造成人員傷亡[1]。高壓天然氣管道泄漏時，由于壓力很大，泄漏速度快，泄漏率大，所以產(chǎn)生的破壞力很大。因此，對高壓天然氣管道泄漏事故危害范圍評價分析研究，對于風險管理和輸氣管線定量風險后果評價具有重要意義，并為天然氣管道的安全運行和應急預案提供重大依據(jù)。

1 高壓天然氣管道事故發(fā)生特點

高壓天然氣管道在運行過程中會受到內(nèi)部和外部大的腐蝕、應力腐蝕裂紋、機械破壞、加工缺陷、外力、結(jié)構(gòu)缺陷、自然災害等多種因素的影響，從而產(chǎn)生管道斷裂或穿孔。危險區(qū)域一般由燃燒時間，失效方式，發(fā)生爆炸事故地點的環(huán)境條件、氣象條件來決定。對于高壓天然氣管道來說，其失效方式比較多，例如縱向焊縫缺陷、脆性斷裂等。同時，設計因素、建筑條件，維護技術(shù)和周邊環(huán)境狀況可以影響高壓天然氣管道失效頻率。在役時間可以決定一些管道失效，例如，疲勞破壞，腐蝕破壞一般受在役時間影響；地震，超壓，第三方機械干擾不受管道在役時間的影響。第三方機械干擾有時會使管道立即失效，有時會使管道經(jīng)過一段時間后發(fā)生疲勞損壞，二者后果影響都比較嚴重。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，過去有些嚴重的管道斷裂事故就是由于這種原因?qū)е碌?。管道失效泄漏后，高壓氣體不斷泄漏出來，與空氣立即混合，遇到點火源就會發(fā)生火災爆炸[2]。

2 爆炸的基本理論

2.1 爆炸及其特征

爆炸是指物質(zhì)從一種狀態(tài)，經(jīng)過物理變化或化學變化，突然變成另一種狀態(tài)，并釋放出巨大的能量，同時產(chǎn)生光和熱或機械功。

通常爆炸表現(xiàn)有以下特征：

（1） 爆炸的內(nèi)部特征：在有限的體積內(nèi)，大量氣體和能量突發(fā)釋放或急劇轉(zhuǎn)化。同時，在有限體積和極短時間內(nèi)積聚，其鄰近介質(zhì)會由于造成的高溫高熱等非尋常狀態(tài)而形成急劇的壓力突躍和隨后的復雜運動，并且顯示出不尋常的移動或機械破壞效應。

（2） 爆炸的外部特征：爆炸可以以一定的方式使能量轉(zhuǎn)變?yōu)樵镔|(zhì)或產(chǎn)物的壓縮能，然后物質(zhì)由壓縮態(tài)膨脹，在膨脹過程中作機械功，從而引起附近介質(zhì)的變形、移動和破壞。同時由于介質(zhì)受振動而會發(fā)出一定的聲響[3]。

2.2 爆炸的分類

（1） 按爆炸的性質(zhì)分類：物理爆炸，化學爆炸，核爆炸。

化學爆炸按爆炸時物質(zhì)的化學變化又可分為簡單分解爆炸、復雜分解爆炸和爆炸性混合物的爆炸三類。同時按照物質(zhì)的類型，又可分為受限空間內(nèi)可燃氣體爆炸、開放空間的氣體蒸氣云爆炸以及不穩(wěn)定氣體或固體的爆炸等，作為重大爆炸事故后果分析，最重要的是可燃性氣體泄漏后導致的開放空間蒸氣云爆炸[4]。

（2） 按事故爆炸過程類型分類：著火型爆炸，泄漏型爆炸，自然型爆炸，反應失控型爆炸，傳熱型蒸氣爆炸平衡破壞型蒸氣爆炸。

（3） 按爆炸反應相分類：氣相爆炸，液相爆炸，固相爆炸。

（4） 按爆炸速度分類：爆燃，爆炸，爆轟。

2.3 爆炸發(fā)生的條件

（1） 物理爆炸發(fā)生的條件：構(gòu)成爆炸的體系內(nèi)存有高壓氣體或在爆炸瞬間生成的高溫高壓氣體或蒸氣的急驟膨脹，爆炸體系和它周圍的介質(zhì)之間發(fā)生急劇的壓力突變[3]。鍋爐爆炸，壓力容器爆炸，水的大量急劇氣化等均屬于此類爆炸。

（2） 化學爆炸發(fā)生的條件：反應過程的高速度，反應過程的放熱性，變化過程應能產(chǎn)生大量氣體產(chǎn)物。

3 泄露爆炸危害分析

3.1 主要危害形式

高壓天然氣管道內(nèi)泄漏的易燃、易爆氣體可能產(chǎn)生不同的失效后果。發(fā)生泄漏時，根據(jù)點燃時間、當?shù)丨h(huán)境條件、氣象條件以及阻止泄漏等因素可將危害形式分為噴射火、火球、蒸氣云爆炸和安全擴散。

3.2 爆炸傷害準則

爆炸的傷害形式主要有熱輻射和沖擊波兩種形式。熱輻射的傷害準則有熱通量準則、熱劑量準則和熱通量-時間準則。沖擊波的傷害準則有超壓準則、沖量準則、超壓-沖量準則。傷害形式為熱輻射的是噴射火和火球，對于噴射火的熱輻射傷害來說，假設其為穩(wěn)定火災，則可以采用熱通量準則；對于火球的熱輻射傷害，假設其為瞬時火災，則可以采用熱通量-時間準則；蒸氣云爆炸的傷害形式為沖擊波，爆炸沖擊波超壓危害最大，破壞作用最強，影響范圍比較廣。對于蒸氣云爆炸，可采用超壓-沖量準則。由于熱輻射和沖擊波的傷害機理不一樣，所以很難直接將二者進行比較，為了便捷比較，通常使用 50%致死率作為統(tǒng)一基準[5]。

3.3 火災爆炸后果評價分析

3.3.1 沖擊波壓力的爆炸效應評估

沖擊波是一種壓縮波，它的傳播形式是在彈性介質(zhì)中，波陣面以突躍面的形式傳播，其介質(zhì)狀態(tài)參數(shù)在波陣面上以突躍式變化。對于天然氣爆炸過程而言，沖擊波的破壞作用主要是由超壓導致的[6]。當計算出爆炸的沖擊波壓力后，就可以直接評價其爆炸效應。沖擊波壓力除了對建筑物的造成破壞之外，還會直接對超壓波及其范圍內(nèi)的人身安全造成很大的威脅[7]。以下分別是沖擊波壓力對人體造成的傷害情況以及對周圍設備及建筑物造成的破壞效應，分別見表1和表 2。

3.3.2 熱輻射對人員傷害的定量評價方法

熱輻射持續(xù)的時間、熱輻射強度、人的性別、年齡、身體健康狀況、皮膚暴露程度等都可以成為熱輻射對人員傷害的影響因素。為了很方便估計爆炸危害后果，我們可以依據(jù)傷害的程度將危害后果分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)、安全區(qū)四個危害區(qū)域[8]。

根據(jù)風險評價原理，定量評價可采用下面的步驟進行[8]:

（1） 計算任意一點的熱輻射強度。

（2） 計算熱輻射的傷害半徑

（3） 計算作用長度。

（4） 計算風險值

3.3.3 爆炸沖擊波對人員傷害的定量評價方法

（1） TNT 當量法：用 TNT 當量來表示參與爆炸并對形成沖擊波有實際貢獻的一定百分比的蒸氣云的爆炸威力。用這種方法可以估算出泄漏爆炸后傷害程度的死亡區(qū)半徑，重傷區(qū)半徑和輕傷區(qū)半徑。

（2） TNO 多能法：TNO 多能法是目前模擬預測蒸氣云爆炸常用的方法，它假設蒸氣云為半球型，在其中心處點火，火焰已恒定速度傳播，然后計算不同燃燒速度下的蒸氣云爆炸，通常采用數(shù)值方法計算，能夠獲得一組爆炸強度曲線。該方法經(jīng)眾多實驗及數(shù)據(jù)修正和驗證，與事實比較接近[9]。

表 1 沖擊波壓力對人員傷害情況Table 1 The injuries of shock wave pressure to people

表 2 沖擊波壓力與周圍建筑物的破壞效應Table 2 The shock wave pressure and the damageeffects of the surrounding building

（3） API pub581 定量后果評價模型：采用美國石油協(xié)會標準 API pub 581 (基于風險檢測的基本源文件)中定量后果評價模型，對天然氣管道泄漏爆炸后果危害范圍進行評價。

4 結(jié) 語

高壓天然氣管道泄漏危害后果的確定是風險評價的基礎，國內(nèi)外對確定天然氣管道泄漏危害區(qū)域的研究較多。各類文獻對于天然氣管道泄漏爆炸的危害形式，火災爆炸的后果分析，后果評價方法都有深入研究。更多的了解爆炸后的危害形式，利用適當有效的定量評價方法，可以減少甚至預防火災爆炸后產(chǎn)生的人員傷亡和國民經(jīng)濟損失，對石油天然氣儲存的安全和維護方面起到了重大作用。

［1］徐志勝. 城市天然氣管道泄漏的危害分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2006,32(9):47-48.

［2］付小芳. 高壓天然氣管道危險區(qū)域分析[J].油氣儲運, 2010, 29(2):127 -129.

［3］魏緒玲．延遲焦化冷焦水密閉處理方法研究[D].東營：中國石油大學（東營），2008.

［4］ 梁瑞. 天然氣管道泄漏爆炸后果評價模型對比分析[J].中國安全科學學報,2007,17(8):132-135.

［5］馮文興. 高壓天然氣管道泄漏燃燒爆炸后果[J].油氣儲運，2010，29(12):903- 904.

［6］張國軍. 天然氣管道泄漏爆炸事故風險分析[J].遼寧石油化工大學學報，2012,32(3):67-69.

［7］郝建斌 . 燃燒與爆炸學[M].北京：中國石化出版社，2012-09.

［8］蔣宏業(yè). 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,2006, 27 (4) : 38-39.

［9］ 黃斌. LPG 儲罐的蒸氣云爆炸后果模擬[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2009,25(1):26-28.

計算機測配色提高印染打樣效率

計算機測色配色系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成，其中，軟件系統(tǒng)為測色配色系統(tǒng)軟件，采用庫貝爾卡-芒克(Kubelka-Munk)理論為光學理論基礎，能夠修正單一織物和混紡織物的配色，建立和管理顏色配方庫，控制生產(chǎn)質(zhì)量，并能夠智能校正配方以補償拼色配方染料間的相互作用。硬件系統(tǒng)為分光光度測色儀，其基本組成是光源、分離單色光器和光電檢測器。

測配色工作原理是光源所發(fā)射的白光照射在樣品上，其反射光被三棱鏡或繞射光柵分離后計算成各種波長的反射率，電腦配色系統(tǒng)以此反射率來計算色值或三度色彩空間的坐標，進而運算。

在這過程中，首先要建立染料的定標著色基礎數(shù)據(jù)庫，設定配方預測的色度環(huán)境參數(shù)，(配色及同色異譜評價光源、光譜范圍與波長間隔、CIE 標準色度系統(tǒng)、染色工藝、染料組合模式以及染料配方色差容限等)，然后測量標準色樣，對染料配方進行預測計算，得出初步配方后要進行小樣試染，最后進行配方修正，使色差達到最小。一般運用計算機測色配色系統(tǒng)所得到的配方只需1～2次修正，就可達到要求。

制作配方文件

每種底基布要從生產(chǎn)中的待染布上取材，其中一部分經(jīng)直接測定后，將數(shù)據(jù)存入電腦，另一部分用于制作基礎試樣。材質(zhì)相同而組織結(jié)構(gòu)不同的織物、組織結(jié)構(gòu)相同而前處理不同的織物等，均應視為不同種類而分別測定。制作基礎試樣的染料品種應盡可能多一些，這樣在配色時可從不同色相的多種染料中得到符合要求的數(shù)種配方，選擇余地較大，從而可得到滿意的效果。為確保配色準確性，當改用不同批號的染料后，應做染料力分試驗。每一種染料要染成 8 個不同濃度(對織物重)的基礎試樣。染色濃度的范圍及濃度的檔次劃分要根據(jù)實際情況而定。

Leakage Explosion Hazard Analysis of High Pressure Natural Gas Pipelines

LUO Hong-sen1, WANG Wei-min2, ZHANG Yue2, CHEN Yin2, WU Xu3
（1. Civil Aviation Engineering Consulting Company of China, Beijing 100621, China；2. College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China; 3. China Petroleum University (Beijing), Beijing 102249, China）

The leakage of high pressure natural gas pipelines can lead to many serious consequences, fire and explosion cause significant damage and destruction to people and buildings. So study on its explosion hazard analysis has important practical significance. In this paper, mainly the main damage form and consequence assessment analysis of natural gas pipeline explosion were introduced, and the explosion accident characteristics were simply discussed as well as related theories.

High pressure; Natural gas pipeline; Explosion; Harm

TE 832

： A文獻標識碼： 1671-0460（2014）07-1330-03

2013-12-16

駱洪森（1968-），男，遼寧沈陽人，高級工程師，1993 年畢業(yè)于撫順石油學院石油儲存與運輸專業(yè)，從事供油工程規(guī)劃設計技術(shù)工作。E-mail：lhs539@163.com。