臨江成品油管道泄漏事故情景構(gòu)建研究

姜春雨，楊 帥，馬浩然，朱先俊，趙永華

(1.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 2660712.應(yīng)急管理部化學(xué)品登記中心，山東青島 266071)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增長，管道運(yùn)輸特別是成品油管道運(yùn)輸?shù)玫搅丝焖侔l(fā)展，越來越多的埋地管道被鋪設(shè)，其運(yùn)輸?shù)某善酚途哂幸兹家妆]發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn)，一旦發(fā)生泄漏，若處置不當(dāng)，可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒、環(huán)境污染等多種事故，對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全以及環(huán)境都有十分嚴(yán)重的影響[1，2]。目前針對(duì)河流溢油的應(yīng)急體系還存在預(yù)案覆蓋面不全、企地預(yù)案脫節(jié)、應(yīng)急保障未能落到實(shí)處等問題[3，4]。

為解決上述問題，本文基于情景構(gòu)建理論，以某公司重慶—綦江段成品油管道為例，通過凝練歷史上典型突發(fā)事件，設(shè)置重大突發(fā)事件情景，將企業(yè)的虛擬風(fēng)險(xiǎn)“實(shí)例化”，按照“情景—任務(wù)—能力”的基本框架[5，6]，在情景推演過程中逐步明晰各部門主要應(yīng)急任務(wù)，為企業(yè)應(yīng)急預(yù)案優(yōu)化提供基礎(chǔ)，提升應(yīng)急準(zhǔn)備能力[7]。同時(shí)，情景真實(shí)地反映了企業(yè)自身的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)律和環(huán)境要素，在后期還可為應(yīng)急演練和培訓(xùn)提供指導(dǎo)[8]。

1 情景構(gòu)建基本理論

《石油化工行業(yè)重大突發(fā)事件情景構(gòu)建指南》(以下簡稱《指南》)明確規(guī)定了生產(chǎn)安全類重大突發(fā)事件的情景構(gòu)建的技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 情景構(gòu)建技術(shù)路線

《指南》規(guī)定了篩選并設(shè)定巨災(zāi)情景后，接下來需要開發(fā)情景的具體工作內(nèi)容。

1.1 重大突發(fā)事件情景開發(fā)

篩選近年來相關(guān)事故案例，分析其事故原因、應(yīng)急處置過程、事故發(fā)展“時(shí)間窗”等共性規(guī)律和個(gè)性特點(diǎn)，從預(yù)防與應(yīng)急準(zhǔn)備、監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)與救援、事后恢復(fù)等應(yīng)急管理的各環(huán)節(jié)對(duì)典型事故案例開展全面研究[9]。通過典型事故案例分析研究，對(duì)此類事故發(fā)生的原因、事故擴(kuò)大演變?yōu)榫逓?zāi)的方式和過程、對(duì)企業(yè)和周邊社區(qū)的影響，以及事故應(yīng)急處置需要采取的應(yīng)急響應(yīng)行動(dòng)等做出科學(xué)的推演和描述。

1.2 應(yīng)急任務(wù)與能力分析

針對(duì)所構(gòu)建的重大突發(fā)事件情景，分析事件演化的不同階段的關(guān)鍵應(yīng)急任務(wù)，從中細(xì)化在事故責(zé)任單位現(xiàn)有應(yīng)急體系下各應(yīng)急處置組所應(yīng)承擔(dān)的主要責(zé)任及其責(zé)任部門，結(jié)合模擬計(jì)算和案例對(duì)比等科學(xué)手段分析應(yīng)急資源的需求和現(xiàn)有配置水平，查找存在的差距[10]，同時(shí)為有針對(duì)性地提出應(yīng)急能力建設(shè)提升策略打好基礎(chǔ)。

1.3 基于情景構(gòu)建的能力提升規(guī)劃

情景構(gòu)建工作有2個(gè)目的：一是以當(dāng)前應(yīng)急資源現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，提出具體、可行、科學(xué)的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)現(xiàn)有應(yīng)急預(yù)案體系進(jìn)行評(píng)估，查找存在的問題和不足，補(bǔ)充、完善和改進(jìn)應(yīng)急預(yù)案，并開展必要的培訓(xùn)與演練；二是以不同的情景為衡量標(biāo)尺，分析查找石油化工行業(yè)(領(lǐng)域)各種應(yīng)急資源與能力在應(yīng)對(duì)巨災(zāi)中的差距和脆弱性，填寫情景應(yīng)對(duì)資源與能力差距對(duì)策表，提出長期的對(duì)策措施，以提升應(yīng)急準(zhǔn)備能力[11]。

2 情景背景信息

2.1 事件主體信息

某公司綦江-重慶管道全長70 km，管道規(guī)格φ323.5 mm×6.4 mm，設(shè)計(jì)壓力9.5 MPa，運(yùn)行壓力2.0～3.0 MPa，運(yùn)行流量300 m3/h左右。該風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位于管道樁號(hào)JC068-500，管道由納溪溝定向鉆穿越南山公園北路，從南山穿越點(diǎn)出后，直埋500 m后定向鉆穿越長江800 m到達(dá)重慶站。風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)基本情況如圖2所示。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，可以判定此風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)為安全重大風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為E6級(jí)，主要風(fēng)險(xiǎn)依據(jù)如下。

2.2.1輸送介質(zhì)

該段管道主要輸送介質(zhì)為汽油和柴油，江邊中長燃雞冠石加油站為水上加油站，儲(chǔ)存介質(zhì)為柴油。汽柴油具有易燃、易爆、易蒸發(fā)、易擴(kuò)散、易流淌、易膨脹以及有毒等特點(diǎn)，在管道運(yùn)行中存在泄漏、火災(zāi)、爆炸和環(huán)境污染等事故和次生災(zāi)害的誘發(fā)因素。

圖2 婁家莊管段風(fēng)險(xiǎn)情況

汽油閃點(diǎn)-50 ℃，極易揮發(fā)，可形成爆炸性混合氣體，其主要風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為遇明火后的火災(zāi)爆炸，火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲B類；該企業(yè)生產(chǎn)的柴油閃點(diǎn)為65 ℃，火災(zāi)危險(xiǎn)性為丙A[12]，其主要風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為火災(zāi)和環(huán)境污染。

2.2.2周圍人口密集

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)附近住有村民，長江穿越管道入土點(diǎn)120 m處有南岸區(qū)雞冠石學(xué)校，13個(gè)班548人；管道油流右側(cè)80 m有中長燃重慶分公司雞冠石加油站，共有人員35人，每班約20人；南山穿越出土點(diǎn)390 m為貨運(yùn)碼頭。

2.2.3交通不便

管道上方150 m為彈廣公路，是南岸區(qū)交通主線。彈廣路至長江穿越入土點(diǎn)進(jìn)出口僅有1個(gè)，等級(jí)為村級(jí)公路，路面狹窄且限高限寬，救援車輛難到現(xiàn)場(chǎng)，增大了應(yīng)急救援和疏散的難度。

2.2.4地理環(huán)境

南山山體陡峭，海拔超過400 m，地形整體向長江傾斜，結(jié)合坡度、坡面形態(tài)、土體類型等因素對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[13]得出，危險(xiǎn)性較高；婁家莊風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)管道沿長江南岸平行等高方向在表層土壤里直埋近500 m，一旦發(fā)生滑坡，極有可能對(duì)管道造成沖擊斷裂。

2.3 氣象水文信息

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，夏季高溫多雨，冬季涼爽，歷年平均氣溫18.5 ℃，月平均氣溫28.8 ℃，月平均最低氣溫7.9 ℃(1月)，極端最低氣溫-1.8 ℃，極端最高氣溫44.0 ℃。歷年平均風(fēng)速8.9 m/s，最大風(fēng)速14 m/s。長江水流正常流速1.32 m/s，洪水季節(jié)流速可達(dá)3.6 m/s。

2.4 情景假設(shè)條件

依據(jù)“最壞可信”的原則，設(shè)置情景條件：地質(zhì)災(zāi)害的沖擊可直接將管道拉斷，形成全口徑泄漏，事故后果最嚴(yán)重，故選為誘因[14]；汽油火災(zāi)危險(xiǎn)性更高，則設(shè)置情景中管道輸送汽油；江水流速越大，江面汽油擴(kuò)散越快，設(shè)置江水流速為3.6 m/s；風(fēng)速越小，越有利于汽油蒸氣聚集，設(shè)置風(fēng)速為1 m/s；設(shè)置事發(fā)時(shí)間在夏季，東南風(fēng)向，氣溫27 ℃。

3 成品油泄漏數(shù)值模擬

運(yùn)用CFD軟件FLUENT模擬在情景假設(shè)條件下，臨江直埋管段發(fā)生全尺寸破裂后，管內(nèi)輸送的汽油流出經(jīng)過山體斜坡流入長江，隨江水流動(dòng)在江面向下游擴(kuò)散，同時(shí)汽油向空氣中揮發(fā)與空氣混合。圖3為衛(wèi)星地圖得到的婁家莊管段下游的長江水域圖，其中圓圈位置為事故發(fā)生點(diǎn)，該段水域?qū)挾燃s600 m，取長度3 800 m范圍內(nèi)的水域進(jìn)行建模。

圖3 婁家莊下游長江水域

3.1 泄漏量計(jì)算

a)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)企業(yè)的調(diào)研，當(dāng)發(fā)現(xiàn)泄漏事故后，大約需要10 min關(guān)閉管道上游的新玉閥室，在前10 min，泄漏速率可以認(rèn)為是恒定值，由公式(1)[15]計(jì)算可得，為1 800 kg/s。

(1)

式中：Q——液體泄漏速率，kg/s；

Cd——液體泄漏系數(shù)，與液體的雷諾數(shù)有關(guān)，完全紊流流體的流量系數(shù)為0.6～0.64，對(duì)于不明流體情況直接取1，在該情景下取值0.6；

A——裂口面積，m2；

ρ——泄漏液體密度，kg/m3；

p——容器內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；

p0——環(huán)境壓力，Pa；

g——重力加速度，9.8 m/s2;

h——裂口之上液位高度，m。

b)管道上游最近的手動(dòng)閥室關(guān)閉后，泄漏速率隨著時(shí)間的推移逐漸減小，基于伯努利方程計(jì)算得到圖4結(jié)果[16]。從閥門關(guān)斷大約700 s泄漏結(jié)束，泄漏量大約為224 t，平均泄漏速率為332 kg/s。

圖4 閥室關(guān)閉后泄漏速率隨時(shí)間變化

3.2 汽油在水面擴(kuò)散結(jié)果

如圖5所示，在泄漏發(fā)生前10 min內(nèi)，由于手動(dòng)閥室沒有關(guān)閉，泄漏速率很大，可以看到汽油在江面與水形成鮮明的相界面，汽油隨水流沿泄漏側(cè)河岸向長江下游流動(dòng)。發(fā)生泄漏10 min后，手動(dòng)閥室被關(guān)閉，泄漏速率隨時(shí)間逐漸減小，汽油在江面上的面積變化較小，且汽油與水的相界面逐漸模糊，在長江下游處產(chǎn)生較長的拖尾。截至1 300 s，汽油沿長江擴(kuò)散至泄漏口下游2 000 m左右。

圖5 汽油液相擴(kuò)散模擬結(jié)果

3.3 加油站附近油氣擴(kuò)散結(jié)果

汽油的爆炸極限為1.3%～6%[17]，圖6為江面上汽油濃度隨時(shí)間的變化，紅色代表大于等于1.3%體積濃度，即紅色區(qū)域存在汽油爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。由圖6可知，在泄漏的前10 min內(nèi)，事故點(diǎn)下方的中長燃加油站附近汽油體積濃度一直高于爆炸下限，存在閃爆的風(fēng)險(xiǎn)；10 min后，油氣濃度驟然下降至0.5%左右。

4 情景設(shè)計(jì)

由風(fēng)險(xiǎn)分析可知，該段臨江管道位于地質(zhì)災(zāi)害區(qū)，且外力破壞是造成管道泄漏的主要原因之一[18]，故設(shè)置事故原因?yàn)樯襟w滑坡；由數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)泄漏發(fā)生20 min內(nèi)，江面汽油會(huì)擴(kuò)散到下游2 000 m以內(nèi)的范圍；在泄漏發(fā)生10 min以內(nèi)，加油站附近汽油體積濃度超過了爆炸下限，存在遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，依此設(shè)置事故后果為火災(zāi)爆炸和水體污染。

圖6 汽油氣相擴(kuò)散模擬結(jié)果

4.1 情景要點(diǎn)

基于風(fēng)險(xiǎn)分析和模擬計(jì)算進(jìn)行情景設(shè)計(jì)，得到基本要點(diǎn)如表1。

4.2 情景描述

a)事故孕育階段：某年6月25日起，重慶地區(qū)連降大雨。

b)事故發(fā)生階段：6月30日上午9時(shí)，重慶—綦江管段婁家莊長江閥室上側(cè)山體局部發(fā)生淺層滑坡，正在輸送95#汽油的管道遭滑坡體擠壓拉裂，汽油流入長江；9時(shí)08分，油氣被一加油船只排氣管產(chǎn)生的火花點(diǎn)燃，形成大面積火災(zāi)。

c)事故擴(kuò)大階段：10時(shí)30分，由于高溫炙烤，加油站柴油罐著火導(dǎo)致罐體撕裂，燃燒的柴油流入長江，其不完全燃燒產(chǎn)物和消防廢水對(duì)長江水體造成污染。

d)時(shí)間恢復(fù)階段：13時(shí)岸上火災(zāi)被撲滅；15時(shí)30分，加油站火災(zāi)被撲滅；7月3日完成封堵；2個(gè)月后恢復(fù)供油。

表1 情景描述

5 應(yīng)急任務(wù)

5.1 預(yù)防

加強(qiáng)管道運(yùn)行監(jiān)控，提高管道泄漏診斷能力；定期開展演練，針對(duì)管道泄漏封堵、油品回收等開展經(jīng)常性演練，不斷提高應(yīng)急水平；對(duì)應(yīng)急搶險(xiǎn)物資和車輛進(jìn)行保養(yǎng)，補(bǔ)充完善；加強(qiáng)與地方公安、消防、環(huán)保、水利等部門的聯(lián)系。

5.2 監(jiān)測(cè)與預(yù)警

對(duì)連續(xù)降雨等可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的惡劣天氣提前進(jìn)行預(yù)警；可燃?xì)怏w探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)或外管道壓力陡然下降可判斷為泄漏；對(duì)可能發(fā)生事故的嚴(yán)重程度初步判斷，分級(jí)啟動(dòng)預(yù)警。

5.3 信息報(bào)告

事故發(fā)現(xiàn)人第一時(shí)間報(bào)火警，并向輸油站報(bào)告；輸油站向調(diào)控中心、油庫、管理處和區(qū)應(yīng)急辦報(bào)告；管理處公司值班室和市應(yīng)急辦匯報(bào)，并通知各應(yīng)急小組組長；公司值班室向公司分管HSSE、生產(chǎn)和搶險(xiǎn)的領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，并將事故信息上報(bào)集團(tuán)公司應(yīng)急指揮中心。

5.4 應(yīng)急響應(yīng)

啟動(dòng)輸油站級(jí)應(yīng)急預(yù)案，站長任現(xiàn)場(chǎng)總指揮，指定消防和疏散方案，并在管理處領(lǐng)導(dǎo)到達(dá)后移交指揮權(quán)；啟動(dòng)管理處級(jí)預(yù)案，各科室進(jìn)行響應(yīng)，成立現(xiàn)場(chǎng)指揮部，聯(lián)系搶修隊(duì)，并在公司領(lǐng)導(dǎo)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后移交指揮權(quán)；調(diào)控中心指令對(duì)工藝進(jìn)行應(yīng)急處理，關(guān)閉上游閥室。

5.5 疏散與救護(hù)

疏散雞冠石小學(xué)和婁家莊的人員；對(duì)事故點(diǎn)附近進(jìn)行交通管制和車輛疏導(dǎo)，引導(dǎo)消防車和救護(hù)車進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)；派出船只對(duì)傷亡人員進(jìn)行搜救；劃定警戒區(qū)，對(duì)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)人員做好防火防毒；事故段長江禁止船只通行。

5.6 應(yīng)急搶險(xiǎn)

第一時(shí)間關(guān)閉上下游閥室；在下游2 km處設(shè)置圍油設(shè)施、噴灑消油劑，阻擋漏油進(jìn)一步擴(kuò)散；在下游做好江中污染物收集打撈工作；組織水上和路上的消防力量對(duì)火災(zāi)進(jìn)行撲救控制；做好搶險(xiǎn)過程中的安全檢查、監(jiān)護(hù)、作業(yè)安全條件確認(rèn)工作。

5.7 后期處置

待火災(zāi)被撲滅后，對(duì)泄漏管段進(jìn)行搶修；檢測(cè)大氣和水中的污染物濃度，制定環(huán)境恢復(fù)方案；組織油罐車對(duì)下游泄漏的柴油進(jìn)行回收；對(duì)收集的污染物進(jìn)行無害化處理；做好受災(zāi)群眾安撫工作。

5.8 應(yīng)急終止

現(xiàn)場(chǎng)指揮部確認(rèn)滿足公司相應(yīng)專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案終止條件時(shí)，向公司應(yīng)急指揮中心分管副總指揮報(bào)告。由應(yīng)急指揮中心下達(dá)應(yīng)急終止指令。

5.9 善后處置

完成封堵，對(duì)斷裂管道進(jìn)行修復(fù)；召開新聞發(fā)布會(huì)，做好信息通報(bào)工作；設(shè)立警戒線，做好事故現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)工作；在上風(fēng)向?qū)M(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的人員和裝備進(jìn)行洗消；對(duì)受災(zāi)人員進(jìn)行集中妥善安置；對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行加固施工；經(jīng)評(píng)估消除地質(zhì)災(zāi)害隱患以后，恢復(fù)供油；針對(duì)受災(zāi)群眾和企業(yè)損失進(jìn)行賠償。

6 能力分析與提升規(guī)劃

a)在所設(shè)計(jì)的情景中，當(dāng)成品油泄漏演化成火災(zāi)爆炸事故時(shí)，周圍居民的疏散以及消防力量和醫(yī)療救護(hù)力量的支援必然會(huì)在第一時(shí)間同時(shí)進(jìn)行，而事故點(diǎn)周圍多為村級(jí)公路，路面較窄且部分路段還設(shè)有限高限寬，一旦缺乏有序組織，會(huì)造成混亂擁堵，建議：對(duì)疏散支援路線進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化，可參考matlab蟻群算法[19]，使應(yīng)急救援工作科學(xué)有序展開；撤銷關(guān)鍵路段的限高限寬設(shè)施。

b)事故發(fā)生點(diǎn)緊鄰江邊，距離最近的彈廣路150 m，且存在約40°的坡度，中間為覆蓋植被的原生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重影響消防力量從陸上進(jìn)行救援，且一旦火災(zāi)蔓延為森林大火，搶險(xiǎn)和人員搜救的難度會(huì)進(jìn)一步提升，建議：從水陸兩個(gè)方向?qū)馂?zāi)進(jìn)行控制，目前該企業(yè)水上力量主要以溢油回收為主，應(yīng)增加消防物資配備，力求第一時(shí)間對(duì)脆弱點(diǎn)——加油站的柴油儲(chǔ)罐進(jìn)行控制，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

c)本文情景中，汽油的閃爆火災(zāi)和柴油的流淌火會(huì)嚴(yán)重影響江上船只和船員的安全，一旦發(fā)生泄漏事故，應(yīng)第一時(shí)間對(duì)事故段江面進(jìn)行禁航，防止船只引爆油氣造成人員傷亡，具體要求企業(yè)要與政府海事局加強(qiáng)聯(lián)系，保證能夠第一時(shí)間對(duì)航行船只進(jìn)行事故信息的傳達(dá)，遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)。

d)該段長距離臨江淺層直埋的管道存在嚴(yán)重的本質(zhì)安全問題，附近地理環(huán)境存在地質(zhì)滑坡危險(xiǎn)，可能在多處對(duì)管道造成沖擊形成大口徑泄漏，事故后果嚴(yán)重，針對(duì)這一問題應(yīng)考慮將這一段直埋改為定向鉆，平均深度在10 m以下，可以有效減少外力對(duì)管道的沖擊。

e)由模擬計(jì)算可知，在汛期，江水流速較快，在泄漏發(fā)生20 min后就會(huì)擴(kuò)散到下游約2 km。目前該企業(yè)預(yù)案中只規(guī)劃了周邊各搶修隊(duì)到事故點(diǎn)的路線，針對(duì)可能發(fā)生的最壞場(chǎng)景，預(yù)案中應(yīng)考慮加入分區(qū)域處置的內(nèi)容，即對(duì)事故點(diǎn)和下游分別展開漏油回收，同時(shí)，當(dāng)?shù)卣€應(yīng)按區(qū)域建立溢油應(yīng)急設(shè)備庫[20]，提升溢油回收能力，從而更有效地減少油品對(duì)環(huán)境的污染。