天然氣站場(chǎng)放空風(fēng)險(xiǎn)分析與建議

王董祥，章友明，嚴(yán)冬輝

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)浙江省天然氣管網(wǎng)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

我國(guó)是僅次于美國(guó)和俄羅斯的第三大天然氣消費(fèi)國(guó)，2022年天然氣消耗量為3.663×1011m3，天然氣長(zhǎng)輸管線總里程超過(guò)11萬(wàn)千米。

當(dāng)管道因事故、施工需要進(jìn)行維修、擴(kuò)建等動(dòng)火作業(yè)時(shí)，需要將管道內(nèi)的天然氣進(jìn)行放空處理。根據(jù)放空時(shí)是否產(chǎn)生火炬，可以將放空過(guò)程分為冷放空和熱放空，前者是指通過(guò)放空立管將天然氣直接排入大氣中；后者是指通過(guò)放空火炬燒掉需要放空的天然氣。冷放空的優(yōu)點(diǎn)是立管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要額外的設(shè)備，缺點(diǎn)是放空后立管周?chē)鷷?huì)形成一個(gè)可燃性云團(tuán)，一旦遇到火花就可能發(fā)生閃燃或者爆炸事故，因此雷雨天氣嚴(yán)禁開(kāi)展冷放空作業(yè)；熱放空的優(yōu)點(diǎn)是燃燒產(chǎn)物危害性低，但火炬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，天然氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱輻射對(duì)周?chē)O(shè)備、人員、環(huán)境會(huì)產(chǎn)生不良影響，因此在火炬所處地勢(shì)低洼、草木茂密的山區(qū)嚴(yán)禁熱放空作業(yè)。

由于放空立管往往設(shè)置在天然氣站場(chǎng)附近(甚至是在站場(chǎng)內(nèi)部)，因此開(kāi)展放空作業(yè)安全評(píng)估對(duì)于保持站場(chǎng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 放空系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 放空系統(tǒng)組成

站場(chǎng)內(nèi)常見(jiàn)放空系統(tǒng)由管道、立管以及管道上的閥門(mén)等設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 放空系統(tǒng)組成

正常輸氣時(shí)，放空管路上的旋塞閥呈關(guān)閉狀態(tài)，天然氣經(jīng)過(guò)氣液聯(lián)動(dòng)閥直接輸往下游的天然氣管道；當(dāng)上游天然氣管段需要進(jìn)行維修或者改造時(shí)，該管段兩側(cè)站場(chǎng)/閥室的氣液聯(lián)動(dòng)閥會(huì)立刻關(guān)閉，旋塞閥會(huì)逐步開(kāi)啟，天然氣經(jīng)過(guò)放空管路到達(dá)火炬/立管進(jìn)行放空處理。

1.2 放空管路流體特征

與長(zhǎng)輸管道相比，放空系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)有以下特點(diǎn)：(1)起點(diǎn)和終點(diǎn)壓差較大，立管內(nèi)氣體流速快速增加(亞音速流動(dòng))；(2)氣體參數(shù)(壓力、流速等)參數(shù)(如溫度、流速等)會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生較大的變化，屬于非定常流動(dòng)；(3)根據(jù)放空時(shí)壓力與大氣壓力的比值變化，可能存在幾種不同氣體狀態(tài)：壅塞流狀態(tài)、臨界流狀態(tài)、亞音速流狀態(tài)[1]。

2 放空危險(xiǎn)性分析

英國(guó)石油公司(BP)曾對(duì)石油行業(yè)檢維修操作中出現(xiàn)的安全事故進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為導(dǎo)致事故頻發(fā)的原因有三點(diǎn)：(1)對(duì)作業(yè)過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)以及危險(xiǎn)源缺乏準(zhǔn)確、清晰的認(rèn)識(shí)；(2)未正確估計(jì)作業(yè)自身與周?chē)h(huán)境、設(shè)備的相互影響，未能采取有效的安全隔離措施；(3)作業(yè)規(guī)范性較差，先作業(yè)后補(bǔ)作業(yè)票的情況經(jīng)常出現(xiàn)。

由于國(guó)內(nèi)管道公司對(duì)天然氣放空都有一套完整的作業(yè)規(guī)程，幾乎不存在先作業(yè)后補(bǔ)票的情況，因此主要針對(duì)放空系統(tǒng)自身風(fēng)險(xiǎn)和放空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

2.1 放空系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題

根據(jù)QSY 65.3—2010《油氣管道安全生產(chǎn)檢查規(guī)范第3部分：天然氣管道》對(duì)天然氣放空及點(diǎn)火系統(tǒng)的要求，分析放空時(shí)常見(jiàn)故障及原因，如表1所示。

表1 放空常見(jiàn)故障及原因

可以看出，閥門(mén)故障、點(diǎn)火器失效、管道堵塞/泄漏均可能導(dǎo)致放空失敗，因此管道公司在日常維護(hù)過(guò)程中要重點(diǎn)關(guān)注這些設(shè)備的完備情況。

2.2 放空作業(yè)危險(xiǎn)分析

2.1中分析了導(dǎo)致放空作業(yè)失敗的常見(jiàn)故障，本章將重點(diǎn)介紹正常放空時(shí)出現(xiàn)的幾種危險(xiǎn)因素，分析放空作業(yè)對(duì)周?chē)h(huán)境、設(shè)備的影響，以采用合適的保護(hù)或者隔離措施。

2.2.1 放空閥處低溫

放空前，為了減少天然氣排放量，一般會(huì)進(jìn)行降壓操作，但是氣體仍然具有較高的壓力，仍然需要使用閥門(mén)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步節(jié)流、降壓。為了控制放空時(shí)的天然氣流量，放空時(shí)放空閥門(mén)的初始開(kāi)度不會(huì)超過(guò)30%，天然氣經(jīng)過(guò)閥門(mén)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的壓降，導(dǎo)致閥門(mén)后氣體溫度會(huì)明顯降低、甚至出現(xiàn)“起霜”現(xiàn)象，人們把這種現(xiàn)象稱(chēng)為“焦耳-湯姆遜效應(yīng)”或“節(jié)流效應(yīng)”[2]。由于熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體轉(zhuǎn)移至低溫物體，隨著放空時(shí)間的推移，放空閥前溫度也會(huì)逐漸降低。圖2為放空初始?jí)毫Ψ謩e為4 MPa和8 MPa時(shí)不同初始溫度下壓降對(duì)溫度的影響。

圖2 壓降對(duì)天然氣溫度的影響

從圖中可以看出，初始?jí)毫?、壓降相同時(shí)，低溫氣體溫降更為明顯，說(shuō)明低溫氣體節(jié)流效應(yīng)比高溫流體更為明顯；初始溫度、壓力相同時(shí)，溫降與壓降之比和后者同步變化，如圖2(a)所示，壓力從4 MPa降為3 MPa、2 MPa、1 MPa時(shí)，產(chǎn)生的溫降值分別為5.279 ℃、10.87 ℃、16.77 ℃，可以看出溫降值有少許增加；總起來(lái)說(shuō)，壓力每降低1 MPa，天然氣溫度值下降約5 ℃。

2.2.2 放空管路振動(dòng)

天然氣在放空管路中流動(dòng)時(shí)，氣體流動(dòng)方向會(huì)發(fā)生幾次明顯的變化，在流向變化過(guò)程中不斷與立內(nèi)壁面發(fā)生摩擦、碰撞，使得放空立管發(fā)生振動(dòng)，這種振動(dòng)被稱(chēng)為流致振動(dòng)[3]。也有學(xué)者認(rèn)為，氣體在流向變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流，這些渦流具有一定的激振頻率，當(dāng)激振頻率與放空立管的固有頻率滿足某種數(shù)值關(guān)系時(shí)，就會(huì)加劇放空立管的振動(dòng)幅度，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為共振。振動(dòng)幅度隨氣體流量、壓力增加而增大，長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)容易使立管焊縫處發(fā)生疲勞、甚至開(kāi)裂的情況，造成天然氣泄漏，嚴(yán)重威脅站場(chǎng)的安全運(yùn)行。

2.2.3 放空噪聲

放空氣體從立管?chē)娙氪髿鈺r(shí)，會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪聲，這是由于高速帶壓氣流沖入大氣時(shí)，會(huì)與周?chē)鄬?duì)靜止的空氣產(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)引起氣體劇烈擾動(dòng)而產(chǎn)生的，人們將這類(lèi)噪聲稱(chēng)為空氣動(dòng)力性噪音[4]。圖3為利用仿真軟件模擬的不同放空速率下噪聲分貝值隨距離的變化情況?？梢钥闯?，當(dāng)放空氣體速率達(dá)到20×104m3/h時(shí)，即使站在距離放空管40 m外的地方，噪聲仍然達(dá)到120 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了GB 12348—2008《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》中70 dB的噪聲上限。

圖3 放空速率、距離對(duì)噪聲分貝值的影響

2.2.4 氣體積聚與爆燃

冷放空時(shí)，由于放空管出口遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面，放空氣體會(huì)高速?zèng)_入大氣，向四周快速膨脹，形成一個(gè)云團(tuán)然后逐漸消散，一般不會(huì)在地表處發(fā)生積聚現(xiàn)象[5]。但是，當(dāng)放空立管下風(fēng)向附近存在高大的障礙物，比如樹(shù)林、山坡、建筑時(shí)，由于它們會(huì)阻礙氣體向周?chē)鷶U(kuò)散，天然氣極有可能在這些區(qū)域發(fā)生聚集。當(dāng)天然氣達(dá)到5%～15%的爆炸極限范圍時(shí)，就可能發(fā)生閃燃或者爆炸，對(duì)人員、設(shè)備、環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。

2.2.5 熱輻射

熱放空時(shí)，立管口天然氣與空氣邊混合邊燃燒，屬于擴(kuò)散燃燒，火焰位于天然氣噴射形成的擴(kuò)散層外側(cè)，其影響范圍以燃燒火焰為中心向外擴(kuò)散[6]。熱輻射會(huì)對(duì)立管周?chē)藛T安全造成一定的威脅，根據(jù)SH：3009—2010《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，人體安全熱輻射強(qiáng)度為1.5 kW/m2(包括太陽(yáng)熱輻射強(qiáng)度)；當(dāng)輻射強(qiáng)度達(dá)到4.7 kW/m2時(shí)僅允許進(jìn)行短時(shí)間無(wú)防護(hù)工作。

3 建議

3.1 日常檢查

由于放空不是日常作業(yè)，放空系統(tǒng)常年處于非工作狀態(tài)，因此一定要對(duì)其進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括：

(1)檢查閥門(mén)開(kāi)關(guān)作業(yè)是否正常；

(2)放空管是否失效，內(nèi)部是否存在積水等，是否嚴(yán)密性完好，是否發(fā)生堵塞；

(3)檢查儀表、儀器(如氣體濃度探測(cè)器、通訊裝置)是否正常工作，壓力表零位是否正常，保護(hù)裝置是否失效；

(4)檢查氣體流向改變處焊縫是否存在缺陷，如彎管、匯管、管道連接處等。

3.2 防止低溫

節(jié)流效應(yīng)產(chǎn)生的低溫不僅可能損壞閥門(mén)結(jié)構(gòu)，還可能生成天然氣水合物，造成放空管路發(fā)生堵塞，因此放空時(shí)一定要注意閥門(mén)開(kāi)度，避免產(chǎn)生過(guò)大的壓降。

3.3 做好防護(hù)措施

放空作業(yè)充滿了危險(xiǎn)性，必須采取足夠的安全保障措施，防止出現(xiàn)事故，包括：(1)根據(jù)放空立管周?chē)h(huán)境、天氣情況、放空氣量等因素選擇合適的放空措施，制定嚴(yán)密的放空方案；(2)放空前采用仿真等手段，分析放空作業(yè)的影響區(qū)域；(3)設(shè)置放空隔離區(qū)域，隔離區(qū)域嚴(yán)格禁火；(4)嚴(yán)格檢查潛在火源，比如可能出現(xiàn)泄漏的部位、氣體可能積聚的區(qū)域以及內(nèi)部有電流通過(guò)的設(shè)備等；(5)在放空管周?chē)O(shè)置濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備，特別是放空閥門(mén)處、放空管周?chē)^為高大的障礙物附近以及低洼處等氣體可能聚集的區(qū)域；(6)做好消防工作，準(zhǔn)備足夠的消防器材；(7)做好人員防護(hù)，使用防爆設(shè)備、衣物，佩戴耳塞等隔噪設(shè)備。

4 結(jié)語(yǔ)

放空是天然氣管道改建、維修、擴(kuò)容等作業(yè)前的一項(xiàng)重要操作，準(zhǔn)確識(shí)別可能引起放空失敗的原因、放空作業(yè)過(guò)程中的危險(xiǎn)并采取針對(duì)性的措施對(duì)于保障放空作業(yè)正常進(jìn)行具有重要的意義。