天然氣管道高后果區(qū)泄漏爆炸應急處置研究

馬新文

(中國石化中原油田消防支隊，河南濮陽 457001)

我國目前有西氣東輸、川氣東送等多條天然氣長輸管道，途經(jīng)地貌多樣，地質(zhì)結構復雜，沿線常穿越地震、泥石流、滑坡、塌陷等災害多發(fā)的高后果區(qū)，可能導致管道內(nèi)天然氣大量泄漏，一旦遇到明火，易造成著火爆炸等事故。因此，制定應急處置措施具有重要意義[1]。

1 基本概況

1.1 管道概況

選擇某公司一段長輸管線作為研究對象，該管線位于天水市秦州區(qū)華岐鄉(xiāng)姚宋村轄區(qū)內(nèi)，管線長129 km，高后果區(qū)20處，總長度20.5 km，外管徑1 016 mm，管道壁厚15.3 mm，工作壓力8.52 MPa，管道兩側(cè)200 m范圍內(nèi)有住戶30戶、150人，屬II級高后果區(qū)，且交通不便。

1.2 救援隊伍

該公司搶險救援力量主要依托天水市消防支隊，一旦發(fā)生事故，天水消防支隊能夠快速行動，在最短時間內(nèi)集結救援力量趕赴現(xiàn)場進行處置，搶險力量見表1。

表1 天水市消防支隊力量 t

1.3 維搶修隊伍

該公司管道維搶修力量主要有天水維搶修隊、成縣維搶修隊，負責天水分公司所轄管線、工藝站場和截斷閥室的搶修搶險工作，維搶修設備見表2。

表2 維搶修設備

2 風險分析及情景假設

2.1 風險辨識

第三方施工損傷、管道腐蝕穿孔和地質(zhì)災害(如：滑坡泥石流、地震等)均有可能引起管道泄漏。天然氣輸送管道壓力大，密度小，泄漏后容易形成爆炸性蒸氣云團，高壓氣體泄漏也會產(chǎn)生靜電摩擦，極易引起爆炸、火災，天然氣輸送管道泄漏位置一旦發(fā)生在人口密度較大的高后果區(qū)，將對當?shù)厝罕娚敭a(chǎn)造成巨大破壞[2]。

2.2 事故情景構建

設置情景為天然氣長輸管線，在高后果區(qū)內(nèi)的天水輸氣站與18號閥室之間位置，因泥石流導致管道撕裂發(fā)生泄漏，并形成蒸氣云團，遇明火產(chǎn)生爆炸、著火，附近房屋有不同程度損壞，且有人員受傷，風向為東南風，風速2 m/s。模擬泄漏位置見圖1。

圖1 模擬泄漏點

2.3 泄漏爆炸模型

根據(jù)情景假設和常年主導風向，建立泄漏爆炸模型。設泄漏點位于天水輸氣站與18號閥室之間，兩截止閥之間管道長為20.5 km，管道外直徑為1 016 mm，管道壁厚為15.3 mm，工作壓力為8.52 MPa，管道內(nèi)天然氣溫度為15.2 ℃，相對空氣密度為0.55，爆炸極限為5%～15%。

空氣密度通常取20 ℃時的值，即1.205 kg/m3。假設管道全斷裂，斷裂孔徑約為0.985 m(即管道內(nèi)徑)，斷裂面積為：3.14×0.4932=0.763 m2。管道內(nèi)天然氣密度為：0.55×1.205×85.2×20/15.2=74.3 kg/m3。管道內(nèi)天然氣總量為：20.5×1 000×0.763×74.3=1 162 164 kg。假設環(huán)境風速為2 m/s。

2.3.1爆炸超壓計算

根據(jù)美國環(huán)保署有毒有害氣體泄漏擴散區(qū)域模擬計算軟件ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)和高斯模型[3]對泄漏擴散影響范圍和熱輻射影響范圍進行計算，可以得到結果。

分別對泄漏30，60，90，120 s時的爆炸影響范圍進行模擬計算，結果如圖2所示。

圖2 泄漏不同時長模擬結果

根據(jù)模擬計算結果，泄漏30，60，90，120 s時的爆炸影響范圍如表3所示。

表3 不同泄漏時間的爆炸超壓影響距離模擬計算結果對比 m

結果表明，中貴天然氣輸送干線姚宋村管段(18號閥室—天水輸氣站)，發(fā)生全管徑斷裂情況下，泄漏發(fā)生90 s時爆炸，超壓影響相對較大，但爆炸超壓不應超過20 kPa，否則會對人體產(chǎn)生傷害。

2.3.2泄漏時間計算

(1)

(2)

式中：Q0——氣體泄漏率，kg/s；

Cd——氣體泄漏系數(shù)；

A——泄漏面積，m2；

p——泄漏氣體壓力，Pa；

M——氣體摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

k——氣體常數(shù)；

gc——重力常數(shù)；

T——氣體溫度，K；

p0——外界壓力，Pa；

R——氣體狀態(tài)常數(shù)，其值為8.314 Pa·m3/kg·mol·K。

根據(jù)管道實際數(shù)據(jù)，按照FLACS公司經(jīng)驗公式：

(3)

式中:mg——氣體瞬時泄漏率， kg/s；

mog——初始泄漏率，kg/s；

w——管道內(nèi)部初始氣體質(zhì)量，kg；

t——泄漏時間，s。

計算得最大泄漏速率為6 977 kg/s,泄漏速率變化結果見圖3。

圖3 泄漏速率變化情況

從圖3中可以看出：泄漏速率從6 977 kg/s下降到0.1 kg/s大約需要30 min左右。

2.3.3熱輻射影響計算

通過計算，當風速為2 m/s時，火焰最大長度111 m，最大熱輻射強度影響范圍見圖4。

圖4 最大熱輻射強度影響范圍

從圖4的模擬計算結果可以看出：①熱輻射不小于37.5 kW/m2，最大影響區(qū)域半徑146 m；②熱輻射不小于25 kW/m2，最大影響區(qū)域半徑189 m；③熱輻射不小于12.5 kW/m2，最大影響區(qū)域半徑277 m；④熱輻射不小于4 kW/m2，最大影響區(qū)域半徑490 m。

不同輻射程度的危害參考表4。

根據(jù)模擬計算結果和表4表明，20 s后感覺疼痛的熱輻射(4 kW/m2)最大影響半徑為490 m，因此，指揮區(qū)、集結區(qū)、臨時安置區(qū)應設置在這個范圍以外。

3 現(xiàn)場處置及戰(zhàn)斗編程

根據(jù)計算結果，可得到應急救援、搜救、維搶修所需力量，確定任務及戰(zhàn)斗力量編程。

3.1 消防車數(shù)量計算

按照熱輻射影響范圍，在東南風風速為2 m/s的情況下，整個姚宋村在熱輻射(≥4 kW/m2)影響半徑490 m范圍內(nèi)的距離大約為:3.14×490×2×0.25≈769 m。

表4 熱輻射的不同入射通量所造成的損失

按照每輛消防車負責100 m范圍考慮，大約需要消防車數(shù)量為：769÷60≈8輛。

3.2 處置力量

埋地天然氣長輸管道發(fā)生泄漏后，如果沒形成受限空間，遇火源可能會發(fā)生閃爆，當泄漏90 s時發(fā)生閃爆，爆炸超壓影響較大，一般會低于20 kPa，但在2 m/s的風速下，閃爆后持續(xù)燃燒產(chǎn)生熱輻射(≥4 kW/m2)影響半徑將達到490 m。

發(fā)生爆炸事故后，管道內(nèi)壓力較大，氣體會持續(xù)外泄并參與燃燒，作戰(zhàn)主要任務為控制火勢蔓延，對周邊人群進行疏散、搜救，因此，救援力量應以消防、搜救、管道維搶修為主。

3.2.1戰(zhàn)斗力量

考慮東南風情況下，姚宋村的主要區(qū)域?qū)⑹茌椛錈岬挠绊?，村民需要疏散，并由消防車掩護，整個姚宋村在熱輻射(≥4 kW/m2)影響半徑490 m,影響范圍邊界跨度大約為769 m，見圖5。按照每輛消防車負責100 m范圍考慮，需消防車8輛。由于現(xiàn)場缺少可用水源，需調(diào)集載水量較大的消防車，主要選擇載水量≥8 t的車輛，詳細信息見表5。

表5 主要戰(zhàn)斗力量(載水量≥8 t)

3.2.2搜救力量

事故發(fā)生后，可能造成建筑物坍塌，導致居民被困，應調(diào)派具有多功能搶險救援器材的搶險車輛，見表6。

3.2.3維搶修力量

根據(jù)事故情景假設，管道因泥石流沖擊被撕裂，發(fā)生泄漏，需挖掘、吊裝、焊接等各類維搶修設備，見表7。

表6 搜救力量

表7 維搶修力量

3.3 處置任務

①消防車：控制火勢蔓延，掩護人員搜救及人群疏散；②搜救車：進入村莊進行人員搜救及疏散；③工程搶險車、挖掘、裝載、吊車：進行道路清障、照明、管道維搶修。

3.4 應急功能區(qū)設置

在泄漏區(qū)域的上風向或側(cè)風方向設置指揮區(qū)和集結區(qū)，并保持適當距離。

3.5 戰(zhàn)斗編程

按照以人為本，減少傷害為處置原則，在采取關斷等工藝有效措施后，首先對受災區(qū)域人群進行疏散保護，對事故區(qū)域內(nèi)可能引發(fā)二次破壞的重點單位進行保護，對發(fā)生火災區(qū)域進行處置，防止火災蔓延，并監(jiān)護維搶修人員進行維修處置，詳見表8。

表8 戰(zhàn)斗編程

續(xù)表8

4 結語

通過對管道高后果區(qū)泄漏模擬分析，得到最不利條件下的模擬，定量分析可能產(chǎn)生的爆炸危害，可以得到救援力量、搜救力量、維搶修力量的最佳處置方案，最大限度高效處置險情，并能節(jié)約大量人力、物力資源。此類管道高后果區(qū)泄漏爆炸應急處置方式，能夠為國內(nèi)長輸天然氣管道險情處置提供參照依據(jù)。