外力破壞作用下燃?xì)夤艿劳话l(fā)性破損泄漏擴(kuò)散及風(fēng)險(xiǎn)分析

周 雄，方麗萍，陳 雄，梁金祿

（北部灣大學(xué) 石油與化工學(xué)院，廣西欽州 535000）

隨著當(dāng)前城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，導(dǎo)致城市人口密度的迅速增加，天然氣消費(fèi)量也是與日俱增，越來越多的城市燃?xì)夤艿缽V泛地分布在人口稠密和建筑物密集的地區(qū)，形成一個(gè)復(fù)雜的、網(wǎng)絡(luò)化城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)，成為人們生活必不可缺公共設(shè)施，被喻為城市的生命線。近些年來，由于歷史、技術(shù)和建設(shè)等諸多原因，特別是城鎮(zhèn)發(fā)展建設(shè)活動(dòng)對(duì)天然氣管道的侵?jǐn)_，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)燃爆事故時(shí)有發(fā)生，使得城市燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏、中毒或爆炸等危險(xiǎn)事故的發(fā)生幾率不斷增加[1]。其中以第三方的施工和破壞（機(jī)械撞擊、地面施工開挖等）造成燃爆事故的影響最為突出，其特點(diǎn)是燃?xì)夤艿榔茡p事發(fā)突然，管道破損面積大，燃?xì)庑孤┝看螅谌丝诿芗瘏^(qū)或人流量大的區(qū)域，極易誘發(fā)火災(zāi)、爆炸或中毒事故，造成重大人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。

由于第三方外力破壞作用下燃?xì)夤艿佬孤┰斐扇急鹿暑l繁，就迫使人們不得不對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)突發(fā)事件的研究給予充分的重視。因此，本文將根據(jù)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)第三方外力破壞造成管道燃?xì)庑孤┖蛿U(kuò)散模型進(jìn)行研究，分析泄漏燃?xì)庠诘孛鏀U(kuò)散的特征，預(yù)測(cè)燃?xì)鈹U(kuò)散所形成的危險(xiǎn)區(qū)域，明確燃?xì)夤艿佬孤┦鹿实奈：Π霃?，為第三方外力破壞作用燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生后的預(yù)警、疏散和應(yīng)急救援等危險(xiǎn)防控提供重要參考依據(jù)。

1 外力破壞作用下城市燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿式y(tǒng)計(jì)

城市燃?xì)鈿庠粗饕ㄒ夯蜌?、天然氣、人工煤氣。隨著城市化進(jìn)程加速，低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的社會(huì)需求不斷擴(kuò)大，目前我國(guó)人工煤氣供氣總量呈下降趨勢(shì)[2]，對(duì)于清潔能源天然氣的需求和使用在不斷加大，但燃?xì)馐鹿蕝s頻繁發(fā)生，其中以城市燃?xì)夤艿佬孤┍ㄗ顬橥怀?，具有突發(fā)性、嚴(yán)重性、復(fù)雜性、較大的危險(xiǎn)性等特點(diǎn)。本文根據(jù)燃?xì)獗ㄎ⑿殴娖脚_(tái)，收集了2016—2020年國(guó)內(nèi)城市燃?xì)夤艿佬孤┦鹿拾咐灿?jì)3 591起，平均每天約有2起燃?xì)獗ㄊ鹿?，見圖1所示。

圖1 2016—2020年國(guó)內(nèi)城市燃?xì)夤艿佬孤┦鹿蕯?shù)據(jù)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)情況來看，2016—2020年近五年時(shí)間引發(fā)燃?xì)馐鹿实闹饕L(fēng)險(xiǎn)是室內(nèi)燃?xì)庑孤┖屯饬ζ茐膶?dǎo)致管網(wǎng)燃?xì)庑孤渲型饬p壞燃?xì)夤艿拦灿?91起為，第三方施工破壞造成的事故仍然處于高發(fā)，占了所有事故的19%。由此看出外力破壞是造成管道燃?xì)庑孤┑闹饕ｋU(xiǎn)因素，主要表現(xiàn)為人為因素破壞，即不在管道單位的的巡查及監(jiān)督管理下，施工單位同時(shí)又對(duì)地下管道的類別、方位、分布、介質(zhì)等完全不了解，進(jìn)行野蠻施工挖破管道、沿線違章壓管道、運(yùn)移土堆，造成管道暴露及懸空等機(jī)械施工，致使輸氣管道破裂及燃?xì)庑孤饕袨橛写驑?、挖掘、打地質(zhì)探井、定向鉆、大開挖等。由于外力破壞造成燃?xì)夤艿榔屏研孤┝看?，極易誘發(fā)燃燒或爆炸危險(xiǎn)，最容易導(dǎo)致重大人員傷亡，因此，研究外力破壞燃?xì)夤艿榔屏训男孤U(kuò)散特征和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，對(duì)燃?xì)庑孤?yīng)急救援和決策指揮具有重要的意義。

2 外力破壞作用下燃?xì)夤艿佬孤┖蛿U(kuò)散模型

燃?xì)庑孤┝看笮∮绊懼鴶U(kuò)散濃度的大小以及擴(kuò)散范圍，是決定火災(zāi)、爆炸等事故隱患的首要因素。經(jīng)過學(xué)者大量分析研究，根據(jù)泄漏孔徑的大小，通常將管道泄漏模型分為小孔模型（泄漏孔徑比＜0.2）、大孔模型（泄漏孔徑比0.2～0.8）、管道模型（泄漏孔徑比0.8～0.1）等三種類型[3]。而外力機(jī)械破壞造成燃?xì)夤艿榔屏衙娣e一般比較大，泄漏孔周長(zhǎng)為管徑的 20%～100%，屬于大孔泄漏或管道斷裂泄漏類型。在實(shí)際工程運(yùn)用中，燃?xì)夤艿篱_始泄漏瞬間以及泄漏管道上游的閥門被關(guān)閉后，燃?xì)饬鲃?dòng)是非穩(wěn)定的，但是從氣體泄漏到切斷氣源需要一定的時(shí)間，切斷氣源前，氣體流動(dòng)可以看作是穩(wěn)態(tài)的，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管道泄漏事故應(yīng)急搶險(xiǎn)過程中，比較關(guān)心的往往是這種燃?xì)夤艿莱掷m(xù)泄漏的情況。

2.1 大孔泄漏模型

泄漏孔口處泄漏率的大小取決于泄漏孔處的流動(dòng)狀態(tài)，其判別標(biāo)準(zhǔn)由臨界壓力比CPR值來確定，即：

式中：Pα為大氣環(huán)境的壓力，Pa（絕）；Pc為泄漏處中心點(diǎn)的臨界壓力，Pa；k為燃?xì)獾牡褥刂笖?shù)，天然氣一般取1.3。

式中：Q為氣體泄漏率，kg/s；C0為孔口流量系數(shù)，與泄漏口的形狀有關(guān)；Ah為泄漏孔口面積，m2；M為氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol；Z為壓縮因子；R為理想氣體常數(shù)，為 8.314J/（mol·K）；T2為泄漏口處對(duì)應(yīng)管道中心點(diǎn)氣體溫度，K；P2為泄漏口處對(duì)應(yīng)管道中心點(diǎn)壓力，Pa。

2.2 管道破裂泄漏模型

由于外力干擾或超壓導(dǎo)致管道破裂，出現(xiàn)大面積泄漏，泄漏口面積通常為管道截面積的80%～100%。管道整個(gè)截面發(fā)生斷裂或泄漏孔徑近似等于管徑時(shí)，泄漏口處的燃?xì)鈮毫椭車髿鈮合嗖畈淮?，這時(shí)得到聲速和非聲速情況下管道泄漏模型的泄漏率[9]為：

式中：T3、T4為泄漏點(diǎn)處、泄漏點(diǎn)距離上游L處管道內(nèi)燃?xì)鉁囟?，K；P3、P4為泄漏點(diǎn)處、泄漏點(diǎn)距離上游L處管道內(nèi)燃?xì)鉁囟?，K。

依據(jù)不同管道壓力和泄漏孔徑可以計(jì)算泄漏量，由于泄漏燃?xì)庀鄬?duì)密度小于或接近1，第三方外力破壞下管道大面積穿孔的泄漏擴(kuò)散模式多為地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散，燃?xì)庑孤┖髸?huì)在泄漏源附近形成氣團(tuán)，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的是根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論建立起來的假設(shè)煙羽濃度為正態(tài)分布的高斯煙羽模型。對(duì)于埋地管道在外力破壞下的泄漏可以當(dāng)作零高度連續(xù)，即從地面點(diǎn)源氣體擴(kuò)散，對(duì)于平均風(fēng)速大于1m/s 時(shí)，持續(xù)泄漏氣體在地面（x，y）處擴(kuò)散的濃度為：

式中：C（x，y）為擴(kuò)散氣體在地面點(diǎn)（x，y）處的濃度，kg/m3；x為下風(fēng)方向上擴(kuò)散距離，m/s；y為側(cè)風(fēng)方向上擴(kuò)散距離，m/s；Q為氣體泄漏率，kg/s；u為平均風(fēng)速，m/s；σy為側(cè)風(fēng)方向上擴(kuò)散系數(shù)，m；σz為垂直高度方向擴(kuò)散系數(shù)，m。

在燃?xì)鈹U(kuò)散模型中，氣體擴(kuò)散參數(shù)具有不確定性，與大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速及太陽輻射等級(jí)等有關(guān)。在大氣穩(wěn)定度確定的條件下，擴(kuò)散系數(shù)的確定有多種方法，如P-G擴(kuò)散曲線、Briggs 擴(kuò)散曲線、TVI擴(kuò)散曲線等，這些擴(kuò)散曲線具有不同的適應(yīng)性。對(duì)于城市地區(qū)，本文擴(kuò)散系數(shù)采用Briggs擴(kuò)散系數(shù) （城市）計(jì)算公式，如表1所示。

表1 城市地區(qū)Briggs擴(kuò)散系數(shù) （城市）

3 危險(xiǎn)濃度區(qū)域的劃分

可燃?xì)怏w泄漏的危險(xiǎn)區(qū)域一般指的是可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸或者火災(zāi)的事故影響區(qū)域，如果在實(shí)際情況中發(fā)生真實(shí)爆炸或火災(zāi)事故，則會(huì)造成極其嚴(yán)重的危害和損失。通常情況下，城市燃?xì)夤艿罋怏w主要為甲烷，甲烷泄漏后與空氣混合，產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)的濃度范圍為 5%～15%，由甲烷的分子量和密度可以求出對(duì)應(yīng)的爆炸質(zhì)量濃度范圍是 0.0349～0.1138kg/m3，利用高斯煙羽模型模擬結(jié)果，將此濃度范圍定義為爆炸危險(xiǎn)濃度區(qū)域。在該區(qū)域，氣團(tuán)遇熱源或者火源會(huì)被點(diǎn)燃發(fā)生燃燒或者爆炸危險(xiǎn)，位于此區(qū)域的人員應(yīng)迅速撤離。

盡管甲烷屬于可燃?xì)怏w，并沒有毒性，但是泄漏氣體與空氣混合時(shí)濃度過高，會(huì)造成人體呼吸困難，會(huì)使人體心跳加快、呼吸急促，進(jìn)而讓人惡心、嘔吐、虛脫、失去理智和知覺、造成不可逆轉(zhuǎn)的腦神經(jīng)損傷，嚴(yán)重時(shí)直接造成呼吸停止。目前在我國(guó)并沒有對(duì)職業(yè)接觸甲烷濃度極限值作出規(guī)定，參考空氣中二氧化碳進(jìn)行分析，當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到1 000×10-6（1%），人體將會(huì)產(chǎn)生昏昏欲睡等身體不適的生理反應(yīng)。參考瑞士甲烷職業(yè)接觸極限值標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)人體接觸甲烷濃度超過 0.0067kg/m3（0.94%）時(shí)，進(jìn)入該濃度范圍區(qū)域的搶險(xiǎn)人員必須佩戴專業(yè)的防護(hù)用具，同時(shí)應(yīng)將該區(qū)域的人員進(jìn)行疏散，因此將甲烷濃度為 0.0067kg/m3以上的區(qū)域劃定對(duì)人體產(chǎn)生不適癥狀的危害區(qū)域。

4 案例及風(fēng)險(xiǎn)分析

城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)系統(tǒng)中，管道多為中低壓類型。根據(jù)外力破壞作用下管徑損壞尺寸20%～100%兩種情況，取管道直徑100mm，已知燃?xì)庑孤┛拙嗌嫌谓財(cái)嚅y間距為 2km，管道氣體溫度為 25℃，管道內(nèi)徑為 100mm，輸送氣體摩爾質(zhì)量為 17g/mol，動(dòng)力黏度為 1.0395×10-5Pa·s，估算燃?xì)夤艿涝诖胃邏?、中壓及低壓狀態(tài)下在不同的管徑破損模式下的天然氣泄漏流量，如圖2所示。

圖2 城市燃?xì)夤艿涝诓煌钠茡p孔徑比的燃?xì)庑孤┝髁?/p>

從圖2可以看出，在同一壓力下，管道燃?xì)庑孤┝侩S破損孔徑增大而增加，在低壓狀態(tài)下的燃?xì)庑孤┝恳黠@小于中壓和次高壓管道；在上述三個(gè)壓力等級(jí)下，泄漏量近似隨著壓力等級(jí)增加呈現(xiàn)等比例增大，說明壓力對(duì)泄漏量的影響很大。所以在管道燃?xì)庑孤┦鹿手校瑝毫Φ燃?jí)越大的管道發(fā)生事故造成的危害也越大，這就要求對(duì)壓力等級(jí)較大的燃?xì)夤艿栏攸c(diǎn)加強(qiáng)管理和保護(hù)，以防惡性泄漏事故的發(fā)生。

以我國(guó)某沿海城市為例，其大氣穩(wěn)定度為常值，年平均風(fēng)速為 3m/s，取中壓B管道（壓力0.15MPa、管徑200mm）在不同的孔徑破損下（20%～100%）的擴(kuò)散濃度進(jìn)行計(jì)算，以此為基礎(chǔ)得到下風(fēng)向區(qū)域進(jìn)行危害程度評(píng)價(jià)，如圖3所示。

圖3顯示了燃?xì)庠谙嘛L(fēng)方向上泄漏擴(kuò)散分為4個(gè)區(qū)域，黑色區(qū)域表示燃?xì)飧邼舛葏^(qū)域（大于15%），深灰色區(qū)域代表燃?xì)馓幱诒舛确秶?%～15%），淺灰色區(qū)域表示燃?xì)鉂舛葘?duì)人體產(chǎn)生不適癥狀的區(qū)域（0.94%～5%），其他白色區(qū)域表示為安全濃度區(qū)域（＜0.94%）。由圖3可知，外力破壞造成的破損孔徑越大，下風(fēng)方向上等濃度天然氣形成的燃爆和對(duì)人體產(chǎn)生不適癥狀濃度區(qū)域面積就越大。例如中壓B管道，在破損孔徑比為20%、60%和100%時(shí)，對(duì)應(yīng)燃爆區(qū)域的最大擴(kuò)散距離分別為10.7m、32.2m和53.9m，對(duì)應(yīng)人體產(chǎn)生不適癥狀的危害區(qū)域最大擴(kuò)散距離分別為24.8m、75m和126.1m，對(duì)應(yīng)燃爆濃度區(qū)域面積為23m2、207.9m2和579.8m2，對(duì)人體產(chǎn)生不適癥狀區(qū)域面積為123m2、207.9m2、3 128.3m2。因此當(dāng)出現(xiàn)外力破壞造成燃?xì)夤艿佬孤r(shí)，根據(jù)等濃度線劃定的區(qū)域，在淺灰色區(qū)域的作業(yè)或搶險(xiǎn)人員將出現(xiàn)頭痛、頭暈、呼吸困難等癥狀，應(yīng)迅速采取防護(hù)措施；位于深灰色區(qū)域的人員將面臨爆炸的危險(xiǎn)，應(yīng)迅速撤離。

圖3 不同壓力和泄漏孔徑下的管道燃?xì)庑孤┪ｋU(xiǎn)濃度區(qū)域

根據(jù)公式（5）可以得到風(fēng)速和泄漏流量影響下的燃?xì)鈹U(kuò)散警戒距離，如圖4所示，在無法預(yù)估風(fēng)向的情況下，可以采用下風(fēng)向的最遠(yuǎn)燃?xì)鈹U(kuò)散距離作為警戒距離。可以看出，在相同的泄漏量下，環(huán)境大氣風(fēng)速越大，爆燃濃度區(qū)域和人體危害濃度區(qū)域下對(duì)應(yīng)的最小安全距離也就越小，說明環(huán)境風(fēng)速越大，越有利于燃?xì)庠诖髿庵械臄U(kuò)散和稀釋，產(chǎn)生危害區(qū)域的面積也就越小。在靜風(fēng)條件下（u=1m/s）氣體擴(kuò)散最慢，燃?xì)庑孤┊a(chǎn)生危害相對(duì)更嚴(yán)重，表明最大危害程度通常在風(fēng)力微弱的氣象條件下出現(xiàn)，且此種情況下人員受到危害的風(fēng)險(xiǎn)最為嚴(yán)重。通過對(duì)上述結(jié)果分析可知，燃?xì)鈹U(kuò)散危害范圍與管道壓力、泄漏孔徑、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度等因素密切相關(guān)，根據(jù)泄漏擴(kuò)散天然氣的濃度分布可進(jìn)行人體危害區(qū)域劃分，并劃定安全警戒范圍，對(duì)于第三方外力破壞造成燃?xì)夤艿佬孤┦鹿暑A(yù)警、疏散、搶修和應(yīng)急處理等危險(xiǎn)防控具有重要的現(xiàn)實(shí)作用和意義。

圖4 不同風(fēng)速和泄漏量條件下燃?xì)鈹U(kuò)散警戒距離

5 結(jié)論

1）根據(jù)2016—2020年近五年時(shí)間燃?xì)馐鹿式y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，燃?xì)獗ㄊ鹿暑l繁發(fā)生，引發(fā)燃?xì)獗ㄊ鹿实闹饕L(fēng)險(xiǎn)是室內(nèi)燃?xì)庑孤┖屯饬ζ茐膶?dǎo)致管網(wǎng)燃?xì)庑孤?，其中，第三方施工和外力破壞管道泄漏事故處于高發(fā)，占了所有事故的19%，外力破壞造成管道燃?xì)庑孤┦鹿市枰鹬匾暫椭攸c(diǎn)管控。

2）由于外力破壞造成燃?xì)夤艿榔屏研孤┝看螅话阈孤┛字荛L(zhǎng)為管徑的 20%～100%，屬于大孔泄漏或管道泄漏類型，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和管道事故應(yīng)急搶險(xiǎn)過程中，出于安全的考慮，當(dāng)事故發(fā)生初期無法馬上判斷破損孔徑時(shí)，估算預(yù)警泄漏流量時(shí)，應(yīng)本著災(zāi)害最大化原則進(jìn)行后果預(yù)測(cè)，進(jìn)行警戒范圍劃定。

3）基于泄漏源強(qiáng)度和高斯擴(kuò)散模型，對(duì)危險(xiǎn)濃度區(qū)域進(jìn)行了定義劃分，得到了燃爆濃度區(qū)域和對(duì)人體產(chǎn)生不適癥狀的危害濃度區(qū)域；燃?xì)鈹U(kuò)散危害范圍與管道壓力、泄漏孔徑、風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度等因素密切相關(guān)，泄漏孔徑越大，管道壓力越大，風(fēng)力越微弱，對(duì)人體產(chǎn)生危害的區(qū)域面積越大，由此可以劃定安全警戒范圍，對(duì)于第三方外力破壞造成燃?xì)夤艿佬孤┦鹿暑A(yù)警、人員疏散和應(yīng)急處理等起到重要參考作用。