陸上長(zhǎng)輸石油管道泄漏池火災(zāi)害分析*

駱正山，顧建榮，何宏璧

（西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055）

陸上長(zhǎng)輸石油管道泄漏池火災(zāi)害分析*

駱正山，顧建榮，何宏璧

（西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055）

基于國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)并結(jié)合試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，建立和改進(jìn)陸上長(zhǎng)輸石油管道泄漏池火災(zāi)害定量分析模型，對(duì)石油管道泄漏形成的池火火災(zāi)的一些基本屬性，如危害半徑、危害強(qiáng)度以及危害機(jī)理進(jìn)行研究，為陸上長(zhǎng)輸石油管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)管理、管道維護(hù)以及災(zāi)害發(fā)生后的危害后果評(píng)估提供決策支持。

陸上；長(zhǎng)輸管道；石油泄漏；池火災(zāi)害；計(jì)算模型

陸上石油管道泄漏，根據(jù)泄漏量的大小和泄漏模式會(huì)形成池火、噴射火或蒸汽云爆炸［1］，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失［2－3］，本文重點(diǎn)研究石油管道泄漏池火火災(zāi)造成的危害。陸上石油管道泄漏，油品將沿地面流向低洼處聚集形成液池，遇火源燃燒形成池火［4－5］。因而，研究池火火災(zāi)的基本屬性，如危害半徑、危害強(qiáng)度以及危害機(jī)理，對(duì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及對(duì)危害后果進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估具有重要意義［6］。

近年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了一些研究，但大都集中在對(duì)密閉容器內(nèi)液體的燃燒、爆炸過(guò)程的模擬，如R Merrifield和T A Roberts提出可燃性液體引起的池火火災(zāi)，熱輻射是其主要危害［7－8］，陳志華等研究鋼管壁對(duì)火焰的加速作用的影響等［9－10］。對(duì)池火災(zāi)害的研究集中在定性研究方面［11］。本文通過(guò)建立池火火災(zāi)模型，對(duì)陸上長(zhǎng)輸石油管道泄漏池火災(zāi)害的形成機(jī)理、破壞規(guī)律、危害范圍以及危害后果進(jìn)行定量分析研究，為陸上輸油管道泄漏池火火災(zāi)危害的預(yù)防以及危害發(fā)生后造成的后果進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評(píng)估提供指導(dǎo)。

1 石油管道泄漏火災(zāi)模型

池火若發(fā)生在開(kāi)放空氣環(huán)境中，燃燒比較完全，產(chǎn)生的有毒、有害氣體和煙塵在短時(shí)間內(nèi)不至于危害生命，人員可以逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)［12］。因而石油管道泄漏池火災(zāi)害在室外裸露空間的主要危害源是熱輻射［13－14］，因此，下面重點(diǎn)研究石油管道泄漏火災(zāi)在室外裸露空間熱輻射造成的危害。

1.1 熱輻射強(qiáng)度計(jì)算模型

發(fā)生池火災(zāi)害后，計(jì)算不同范圍內(nèi)的熱輻射強(qiáng)度，最終可以估算死亡人數(shù)和財(cái)產(chǎn)破壞情況?；趪?guó)內(nèi)外研究并結(jié)合我國(guó)陸上石油管道的實(shí)際，本文對(duì)熱輻射強(qiáng)度的計(jì)算采用下面修正模型：

式中：E為表面輻射能力（kW／m2）；F為視角因子；τ為大氣透射率，通常情況下，該值取1。

對(duì)不同的火焰來(lái)講，視角因子的計(jì)算方法不同［15］。對(duì)池火而言，視角因子的計(jì)算比較復(fù)雜［16］，本文通過(guò)試驗(yàn)得出下面簡(jiǎn)化計(jì)算模型［17］：

式中：D為液池的直徑（m）；r為離火焰中心的距離（m）。

1.2 熱輻射的影響

石油泄漏池火產(chǎn)生的熱輻射對(duì)周?chē)藛T和建筑物造成危害，如建筑物著火、人員傷亡等。池火災(zāi)害對(duì)人體的傷害程度最終取決于所接受的熱輻射強(qiáng)度和在危害范圍內(nèi)的暴露時(shí)間（表1）。實(shí)驗(yàn)研究表明：傷害程度與輻射劑量（dose）有關(guān)［18］，且是暴露時(shí)間和熱輻射強(qiáng)度的函數(shù)，輻射劑量可由下式計(jì)算。

表1 不同熱輻射強(qiáng)度引起的傷害

式中：t為暴露時(shí)間（s）；I為輻射強(qiáng)度（kW／m2）。

結(jié)合式（1）、（2）、（3）得：

由輻射劑量dose可求得相應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)的熱輻射閥值，進(jìn)而得到池火災(zāi)害的危害半徑。結(jié)果如表1所示，Qm為排放率（kg／s）。

1.3 池火火災(zāi)模型

假定石油液池為圓形，直徑D為常數(shù)，池火燃燒火焰為圓柱形，火焰截面直徑也為D。則

（1）泄漏油品質(zhì)量燃燒速率m″用下式計(jì)算［19］：

式中：m″∞為油品的最大質(zhì)量燃燒速率（kg／m2·s）；k為火焰的吸收衰減系數(shù)（m－1）；β為平均光線長(zhǎng)度校正系數(shù)；D為油池直徑（m）。

（2）總放熱速率Q·用下式計(jì)算：

式中：η1為燃燒效率；Hc為燃燒熱（kJ／kg）。

（3）火焰高度L分兩種情況計(jì)算：

式中：ρ0為空氣密度（kg／m3）；g為引力常數(shù)，取9.81 m／s2。

（4）池火火焰表面的熱輻射通量E（kW／m2）

式中：η2為熱輻射系數(shù)。

2 池火災(zāi)參數(shù)計(jì)算

用上文的池火災(zāi)害模型預(yù)測(cè)某輸油管線斷裂介質(zhì)泄漏導(dǎo)致的災(zāi)害后果。已知油品的燃燒熱為4.476 5×104k J／kg，燃燒效率為1.0，最大質(zhì)量燃燒速率為5.5×10－2kg／（m2·s）［20］，k×β值為2.1。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，計(jì)算結(jié)果如表2～4所示。表2所示為池火火焰高度以及火焰高度／火焰截面直徑比，不同池火火焰直徑其表面輻射量如表3所示。若在危害區(qū)域內(nèi)人員暴露時(shí)間為60 s，則可算出池火危害半徑與液池直徑的關(guān)系見(jiàn)（表4）。

對(duì)表1和表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出，石油管道泄漏池火火焰高度、表面的輻射通量都隨池火直徑增大而增大，而泄漏池火火焰高度與直徑比則隨池火直徑增大反而減小。

對(duì)表4的數(shù)據(jù)分析可以看出：池火火災(zāi)的各種危害半徑隨著泄漏液池直徑逐漸增大顯著增大，因而，陸上管道單位時(shí)間泄漏量越大，一旦發(fā)生池火火災(zāi)，其造成的危害也必然越大。

3 危害后果實(shí)例分析

假設(shè)某陸上輸油管線全長(zhǎng)465 km，管徑d＝324 mm，原油密度ρ＝832 kg／m3，粘度μ＝0.25× 10－2Pa·S；起始?jí)毫1＝4.6 MPa，起始溫度T1＝303 K，在距離L＝20 km處因外力作用石油管道發(fā)生泄漏。管道泄漏孔徑φ＝0.2 D和D（D為輸油管道直徑），則兩種情況下石油管道泄漏率計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表2 圓柱形火焰高度L與燃料池直徑D的關(guān)系

表3 火焰表面的輻射通量

表4 傷害半徑與池直徑的關(guān)系（人員暴露時(shí)間為60 s）

表5 陸上液體（原油）管線泄漏計(jì)算結(jié)果

由表5可知，陸上石油輸送管道應(yīng)盡可能避免管道斷裂事故的發(fā)生，因?yàn)閺挠?jì)算結(jié)果看：一旦發(fā)生管道斷裂，其泄漏率大約是小孔泄漏時(shí)的8.7倍，單位時(shí)間泄漏的石油量特別大，形成的液池大，若發(fā)生池火火災(zāi)，其危害后果就非常嚴(yán)重。

假設(shè)原油泄漏量為18 000 m3，液池中心深度為1.2 m，根據(jù)相關(guān)資料［21］查得，油料燃燒速率為7.81×10－2kg／m3，燃燒熱為4.103×104kJ／kg，燃燒效率為0.35，空氣密度為1.293 kg／m3，即可算出不同目標(biāo)距離點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度值見(jiàn)（表6）。

表6 不同目標(biāo)距離點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度值

根據(jù)表1～表6計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)生火災(zāi)周?chē)丝诿芏鹊瓤梢赃M(jìn)一步估算距離池火火源中心各處的人員死亡數(shù)，建筑物損害情況（人員死亡以及建筑物損壞半徑計(jì)算模型參考文獻(xiàn)［22］），進(jìn)而計(jì)算出總的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)語(yǔ)

文章基于熱輻射強(qiáng)度計(jì)算模型，綜合考慮池火的各種特性建立了石油管道泄漏池火災(zāi)害模型，研究了池火火災(zāi)在不同失效模式下對(duì)泄漏點(diǎn)周?chē)藛T、建筑物的危害，研究結(jié)果表明：

（1）石油管道泄漏池火的火焰高度隨池火直徑增大而增大，池火火焰高度與直徑比隨池火火焰直徑增大而減??；另外，池火火焰表面熱輻射通量隨池火火焰直徑增大而增大。

（2）隨著石油泄漏液池的直徑增大，池火火災(zāi)的破壞半徑顯著增大；石油管道發(fā)生斷裂時(shí)的泄漏率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小孔泄漏，大約是小孔泄漏的8.7倍，即斷裂引發(fā)的池火危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泄漏池火的危害。

實(shí)證分析結(jié)果與基于歷史數(shù)據(jù)實(shí)際發(fā)生的池火災(zāi)害統(tǒng)計(jì)結(jié)果吻合，表明運(yùn)用該模型對(duì)石油管道泄漏池火危害后果定量計(jì)算具有較高的可靠性。證明該模型對(duì)石油管道風(fēng)險(xiǎn)管理以及池火火災(zāi)發(fā)生后如何采取有效應(yīng)對(duì)措施，降低災(zāi)害損失具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 王小完，馬驥，駱正山.基于天然氣管線泄漏蒸汽云爆炸危害分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2013，28（3）：16－19，53.

［2］ 馮慶善，陳峰.管道完整性管理在應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害中的應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，2010，31（1）：139－143.

［3］ 翁永基.油氣管道泄漏事故的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］.石油學(xué)報(bào)，2004，25（5）：108－112.

［4］ Minagata，Hidetaka，Yoshizaki，et al.Risk assessment of gray cast iron pipelines Source［C］／／New Pipeline Technologies，Security，and Safety，2003：621－628.

［5］ 柏文廣.罐區(qū)安全評(píng)價(jià)方法的實(shí)證分析及研究［J］.石油化工管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，39（2）：47－52.

［6］ Cui hui，Xu zhisheng，Songwenhua，etal.Study on CriticalConcentration Criteria of Toxic Gas Hazardous Zones［J］.Journal of catastrophology，2008，23（3）：80－84.

［7］ 陳志華.氣云與粉塵燃燒爆炸現(xiàn)象的研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，1997.

［8］ Luo Zhengshan，Wang Xiaowan.On themodels of calculating severe hazard caused by gas-leaking［C］／／Proc.International Conference on Pipelines and Trenchless Technology.Shanghai：ASCE，2009：865－873.

［9］ KhanFI，Abbasi SA.Major accident inprocessindustries andananalysis of causesandconsequence［J］.Journal of Loss Pre-ventioninthe ProcessIndustries，1999，12（5）：361－378.

［10］Marchenko V N，Zin′ko B F.Current trends in the development and production of steels and pipes for gas and oil pipelines：An international scientific-technical conference［J］.Metallurgist，2008，52（3／4）：167－174.

［11］SE Ronnie Prediction of consequence of accidental releases from liquid pipelines［C］／／Proceedings of IPC 2004 international pipeline conference Calgary.Alberta，Canada，2004.

［12］Zhang Peng，Chen Liqiong，Hou Xiangqin，et al.Decision based on，risk for optimum integritymaintenance of oil／gas pipeline［J］. Tianranqi Gongye／Natural Gas Industry，2004，24（9）：159－160，20.

［13］熊兆洪，李振林.埋地管道小泄漏模型及數(shù)值求解［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33（3）：493－498.

［14］Gr?f M K，Hillenbrand H G，Heckmann C J，etal.High-strength Large-diameter Pipe for Long-distance High Pressure Gas Pipelines［C］／／Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference，2003：2347－2354.

［15］Khang，Nguyen Thuc，Van Bich Ha.A new approach for regime optimization of oil and gas mixture pipeline transportation［C］／／SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition. APOGCE，2004：1187－1193.

［16］Marchenko V N，Zin′ko B F.Current trends in the development and production of steels and pipes for gas and oil pipelines：An international scientific-technical conference［J］.Metallurgist，2008，52（3／4）：167－174.

［17］鄭津洋，馬夏康.長(zhǎng)輸管道安全［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［18］張董莉，劉茂.火球熱輻射后果計(jì)算動(dòng)態(tài)模型的應(yīng)用［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007（4）：132－136.

［19］朱建華，褚家成.池火特性參數(shù)計(jì)算及其熱輻射危害評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，13（6）：25－28

［20］霍春勇，董玉華，等.長(zhǎng)輸管線氣體泄漏率的計(jì)算方法研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2004，25（1）：101－105.

［21］開(kāi)方明，馬夏康.油罐區(qū)泄漏及火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］.環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，4（3）：3－6.

［22］駱正山，王小完.基于天然氣泄漏的危害性分析及應(yīng)用［J］.災(zāi)害學(xué)，2009，24（1）：97－100.

The Hazard Analysis of the Pool Fire Based on the Long-distance Onshore Oil Pipeline Leakage

Luo Zhengshan，Gu Jianrong and He Hongbi
（Xi’an University of Architecture＆Technology，Xi’an 710055，China）

Based on the research at home and abroad and experimental statistical analysis，the quantitative analyticmodel of pool fire hazard based on the long-distance onshore oil pipeline leakage is established and improved，the basic properties of pool fire hazard caused by oil pipeline leakage，such as radius，strength andmechanism of hazard，are studied to provide decision support for the risk assessment，risk management and maintenance of long-distance onshore oil pipeline and harmful consequences following the disaster.

onshore；long-distance pipeline；oil leakage；pool fire hazards；calculation model

TU996；X43

A

1000－811X（2014）02－0001－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.02.001

駱正山，顧建榮，何宏璧.陸上長(zhǎng)輸石油管道泄漏池火災(zāi)害分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：1－3，53.［Luo Zhengshan，Gu Jianrong and He Hongbi.The Hazard Analysis of the Pool Fire Based on the Long-distance Onshore Oil Pipeline Leakage［J］. Journal of Catastrophology，2014，29（2）：1－3，53.］

2013－09－24

2013－11－11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“陸上油氣管線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究”（61271278）；陜西省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（E08001）

駱正山（1969－），男，陜西漢中人，博士，教授，主要從事管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論、建模與方法、企業(yè)信息化方面的教學(xué)和科研工作.E-mail：luozhengshan＠163.com