化工廠天然氣管道泄漏火災(zāi)研究*

張曉蕾，張潔

(1. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院職業(yè)安全健康信息與培訓(xùn)中心，北京 100012；2. 福州京東方光電科技有限公司，福建福清 350300)

化工廠天然氣管道錯(cuò)綜復(fù)雜，其安全成為廣大研究者所關(guān)注的重要問題之一。天然氣在管道輸送過程中，由于操作不當(dāng)或管道運(yùn)行時(shí)間較長后有些管道因腐蝕生銹變薄，從而導(dǎo)致管道發(fā)生泄漏。天然氣管線泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，同時(shí)極易引發(fā)火災(zāi)，危害人們的生命安全。

為了減少天然氣噴射火產(chǎn)生的災(zāi)害，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了研究。Delichatsios[1]提出可通過弗勞德數(shù)來計(jì)算火焰的抬升高度，分析了動(dòng)量-浮力控制湍流射流擴(kuò)散火焰的過渡特性。Mc-Caffrey[2]提出的火焰溫度分布的羽流三段模型，并在弗勞德數(shù)限制下，研究了合理的大尺度亞音速甲烷擴(kuò)散火焰。黃有波等[3]通過火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS研究了泄漏孔形狀對(duì)天然氣管道噴射火特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)天然氣噴射火的火焰幾何尺寸、火焰影響范圍與泄漏孔形狀有關(guān)。Huang等[4]研究了矩形噴射口和噴口速率對(duì)火焰幾何形狀的影響。Tong等[5]采用MATLAB軟件對(duì)天然氣管道噴射火事故進(jìn)行了定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并通過軟件對(duì)噴射火造成的設(shè)備損傷范圍和人員傷害范圍進(jìn)行了展示。Studer等[6]基于甲烷和氫氣的噴射火試驗(yàn)建立了用于預(yù)測火焰長度、吹熄速率和輻射通量的模型。通常由于高壓氣體泄漏導(dǎo)致的噴射火焰能在短時(shí)間到達(dá)很高的強(qiáng)度，因此噴射火的危害主要有2個(gè)：①火焰對(duì)人員或設(shè)備的沖擊；②在較短距離內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度的熱輻射通量，可能導(dǎo)致周圍設(shè)備受到輻射損壞和機(jī)械故障[7]。如果管道或儲(chǔ)存容器暴露在噴射范圍之內(nèi)，噴射火可使設(shè)備內(nèi)的流體溫度升高，導(dǎo)致壓力的意外增加，引起多米諾效應(yīng)產(chǎn)生額外的事故。

針對(duì)以上情況，筆者以某化工廠天然氣管道為研究對(duì)象，討論不同風(fēng)速以及泄漏孔徑條件下，該天然氣管道發(fā)生泄漏之后產(chǎn)生的噴射火對(duì)周圍建筑物及人員的影響規(guī)律。

1 模型可靠性驗(yàn)證

根據(jù)1985年美國標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布的大尺寸噴射火試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)報(bào)告[8]，結(jié)合參考文獻(xiàn)[9]并分析該報(bào)告，整理得到大尺寸噴射火的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)中的噴射火燃料為天然氣，噴射火焰周圍布置了5個(gè)熱輻射計(jì)(距離：m)。試驗(yàn)裝置布置如圖1所示，試驗(yàn)工況以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和表2。

圖1 試驗(yàn)裝置布置示意

表1 試驗(yàn)工況情況

表2 熱輻射值試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù) 單位：kW·m-2

采用PHAST軟件對(duì)上述試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，可得到不同輻射計(jì)處噴射火焰熱輻射數(shù)值，如圖2所示。

圖2 熱輻射的試驗(yàn)值與數(shù)值模擬值對(duì)比

由圖2可見：采用PHAST軟件模擬火焰熱輻射結(jié)果的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果大體一致，最大相對(duì)誤差為18%。因此，基于PHAST軟件的數(shù)值模擬具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。

2 化工廠天然氣管道泄漏噴射火熱輻射特性

以某化工廠天然氣管道為例，天然氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)為98.6%，環(huán)境溫度20 ℃，大氣穩(wěn)定度D，管道直徑為500 mm，泄漏速率為30 m/s，泄漏孔徑分為小孔泄漏(0.03～0.3 kg/s)、中孔泄漏(0.3～3 kg/s)以及大孔泄漏(3～30 kg/s)，在不同泄漏孔徑類型下分別取最大泄漏流量，風(fēng)速分別為2，6，10 m/s。計(jì)算場景為天然氣管道泄漏著火，研究不同風(fēng)速和不同泄漏孔徑對(duì)管道周圍熱輻射值變化規(guī)律的影響。其中熱輻射值傷害準(zhǔn)則是判定設(shè)備以及人員受傷害程度的標(biāo)準(zhǔn)，傷害準(zhǔn)則如表3所示[10]。

表3 熱輻射值傷害準(zhǔn)則

2.1 風(fēng)速影響

2.1.1 風(fēng)速對(duì)管道噴射火下風(fēng)向的影響

表4為3種風(fēng)速下熱輻射強(qiáng)度隨下風(fēng)向距離的變化曲線。一般認(rèn)為，在穩(wěn)態(tài)火災(zāi)燃燒的影響下，能夠?qū)е氯藛T在1 min中內(nèi)死亡概率為100%的臨界熱輻射值為37.5 kW/m2，而人體在20 s內(nèi)感到疼痛的臨界熱輻射值為4 kW/m2，設(shè)備結(jié)構(gòu)明顯變形的臨界熱輻射值是25 kW/m2。

表4 不同風(fēng)速下大孔泄漏對(duì)管道周圍熱輻射的影響規(guī)律

由表4可見：在高度為1.5 m，距離泄漏點(diǎn)8.16 m，風(fēng)速為2 m/s時(shí)，熱輻射值為12.31 kW/m2，致死率為5.88%；當(dāng)風(fēng)速為6 m/s時(shí)，熱輻射值為30.48 kW/m2，致死率為93.70%；當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，熱輻射值為64.81 kW/m2，致死率為99.78%。相對(duì)于風(fēng)速為2 m/s時(shí)，風(fēng)速為10 m/s時(shí)熱輻射值增加了148%，且致死率水平接近100%。熱輻射值隨距離的變化規(guī)律見圖3。

圖3 熱輻射值隨距離的變化規(guī)律

由圖3可見：當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，熱輻射值隨距離的增加先升高而后逐漸降低。在不同風(fēng)速下，熱輻射的最高值均在下風(fēng)向距離泄漏中心8.2 m附近。同時(shí)，在距離泄漏中心較遠(yuǎn)的區(qū)域，即距離50 m以上，風(fēng)速對(duì)熱輻射強(qiáng)度的影響明顯減弱。

2.1.2 風(fēng)速對(duì)管道噴射火平面的影響

采用PHAST軟件對(duì)天然氣管道發(fā)生噴射火時(shí)的影響情況進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)定孔徑為大孔泄漏，熱輻射值為4 kW/m2，模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見：俯視圖的影響區(qū)域近似為圓形，噴射火平面輻射范圍受到風(fēng)速的影響向下風(fēng)向偏移，風(fēng)速越大，偏移越明顯。當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時(shí)，X方向的影響范圍為143 m，Y方向的影響范圍為140 m。

2.2 孔徑影響

2.2.1 孔徑對(duì)管道噴射火下風(fēng)向的影響

在風(fēng)速為10 m/s時(shí)，3種泄漏孔徑下熱輻射強(qiáng)度隨下風(fēng)向距離的變化曲線見表5。

圖4 熱輻射影響的俯視圖

表5 不同泄漏孔徑對(duì)管道周圍熱輻射的影響規(guī)律

由表5可見：隨著泄漏孔徑的增大，熱輻射影響的范圍越大，致死率水平越高。在下風(fēng)向距離為8.16 m時(shí)，熱輻射值達(dá)到最大，且致死率接近100%。當(dāng)距離地面高度為1.5 m，當(dāng)處于小孔泄漏時(shí)，傷害距離為16 m；當(dāng)處于中孔泄漏時(shí)，傷害距離為40 m；當(dāng)處于大孔泄漏時(shí)，傷害距離為90 m。

2.2.2 孔徑對(duì)管道噴射火平面的影響

圖5 小孔泄漏條件下熱輻射的影響范圍

圖6 中孔泄漏條件下熱輻射的影響范圍

圖7 大孔泄漏條件下熱輻射的影響范圍

在風(fēng)速為10 m/s條件下，化工廠天然氣管道發(fā)生噴射火時(shí)，模擬3個(gè)不同泄漏孔徑對(duì)周圍的影響情況，結(jié)果如圖5～圖7所示。值為4 kW/m2，X方向的影響距離為10 m，Y方向的影響距離為5 m；當(dāng)熱輻射值為12.5 kW/m2，X方向的影響距離為12 m，Y方向的影響距離為11 m；當(dāng)熱輻射值為37.5 kW/m2，X方向的影響距離為16 m，Y方向的影響距離為20 m。因此，由熱輻射傷害準(zhǔn)則可以得到，對(duì)于小孔泄漏，危害半徑為9.5 m時(shí)，設(shè)備全部損壞，人在1 min內(nèi)致死率100%。

由圖6可見：在中孔泄漏的條件下，當(dāng)熱輻射值為4 kW/m2，X方向的影響距離為22 m，Y方向的影響距離為19 m；當(dāng)熱輻射值為12.5 kW/m2，X方向的影響距離為30 m，Y方向的影響距離為32 m；當(dāng)熱輻射值為37.5 kW/m2，X方向的影響距離為48 m，Y方向的影響距離為55 m。因此，對(duì)于中孔泄漏，危害半徑為10.1 m時(shí)，設(shè)備全部損壞，人在1 min內(nèi)致死率100%。

由圖7可見：在大孔泄漏的條件下，當(dāng)熱輻射值為4 kW/m2，X方向的影響距離為38 m，Y方向的影響距離為40 m；當(dāng)熱輻射值為12.5 kW/m2，X方向的影響距離為70 m，Y方向的影響距離為80 m；當(dāng)熱輻射值為37.5 kW/m2，X方向的影響距離為125 m，Y方向的影響距離為140 m。因此，對(duì)于大孔泄漏，危害半徑為74.5 m時(shí)，設(shè)備全部損壞，人在1 min內(nèi)致死率100%。

3 結(jié)論

火災(zāi)的燃燒與發(fā)展是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，外界因素發(fā)生變化，火災(zāi)場的各種變量也隨之改變。通過試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，借助PHAST模擬軟件，研究了不同工況下風(fēng)速以及泄漏孔徑的大小對(duì)周圍建筑物及人員的熱輻射影響。

1)相比試驗(yàn)結(jié)果，采用數(shù)值模擬得到的噴射火的熱輻射值偏高，但是其分布規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，最大相對(duì)誤差為18%，因此可采用PHAST軟件模擬大尺寸噴射火產(chǎn)生的事故危害。

2)風(fēng)速對(duì)噴射火有較大的影響，風(fēng)速越大，熱輻射影響的范圍越大。相對(duì)于風(fēng)速為2 m/s時(shí)的熱輻射，風(fēng)速提高至10 m/s時(shí)熱輻射增加了148%，且致死率水平接近100%。

3)熱輻射隨距離的增加先增加后逐漸降低，但在距離泄漏中心較遠(yuǎn)的區(qū)域，即距離50 m以上，風(fēng)速對(duì)熱輻射強(qiáng)度的影響明顯減弱。

4)泄漏孔徑對(duì)火焰熱輻射的影響范圍較大，泄漏孔徑越大，熱輻射影響的距離越遠(yuǎn)，以設(shè)備全部損壞為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于大孔泄漏來說，熱輻射影響的危害半徑為74.5 m。