天然气管道泄漏爆炸后果评价模型对比分析(精)由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“天然气爆炸分析模型”。
第１７卷第８期２００７年８月 中国安全科学学报 Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｊ０ｕｍａｌ Ｖｄ．１ ７№．８
Ａｕｇ．２００７
天然气管道泄漏爆炸后果评价模型对比分析’ 梁瑞副教授张春燕姜峰王贵仁
（兰州理王大学石油化工学院，兰州７３００５０）学科分类与代码：锄．舶加
中图分类号：／０３７文献标识码：Ａ
基金项目：甘肃省自然科学基金资助（ｚｓ０２１一Ａ２５—０１６一Ｇ。ＺＳ０２２一ＡＺ５一ｏｏｓ）。
【摘要】天然气管道失效可能导致多种严重后果，爆炸灾害给周围的人员和建筑物造成重大的危害，对其爆蚱危害范围的评价进行研究具有重要现实意义。笔者综合分析蒸气云爆炸（ＶＣＥ）定量评价模型和ＡＰＩｐｕｂ５８１后果评价模型；并以某输气管道为实例对爆炸后果进行了定量模拟评价；得到死亡区域与泄漏
时间的关系，确定了其爆炸事故的伤害范围；对两种模型的评价结果进行了对比分析。爆炸后果评价模型的研究与其对比探讨，为今后输气管线的定量风险后果评价模型选取
提供参考依据。
【关键词】天然气管道；泄漏；爆炸；后果；模型
ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥｖａｌｕａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｓｆｏｒＥｘｐｌｏｓｉｏｎＣｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ
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Ｒｕｉ．ＡｓＭ．Ｐｒ札ＺＩｔＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｙａｈ ＪＩＡＮＧＦｅｎｇ ＷＡＮＧ Ｇｕｌ－ｒｅｎ
（ＣｏＨｅｇｅｏｆＰｅｈ＇ｏｅｈｅｍｉｃＭＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆａｉｌｕｒｅｏｆｎａｔｕｒａｌｇａｓｐｉｐｅｌｉｎｅｓｃ￥ｆｆｌ
ＣＲＵＳｅｖａｒｉｏｕｓ∞ｖｃｒｅｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ，ａｍｏｎｇｗｈｉｃｈｔｈｅｍｏｓｔ
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ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｌｅａｋａｇｅ；ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ；ｍｏｄｅｌ
０引言
天然气的主要成分是甲烷（约９５％以上），其爆炸极限很低，仅为５％一１５％，属甲类化学危险品。输气管道在运行过程中会受到多种内外因素的影响，例如：内外腐蚀、材料缺陷、第三方破坏等，使管道发生泄漏。泄漏的气体很容易与空气混合形成爆
炸性混合气体，当某区域气云浓度高于爆炸下限
（ＬｇＬ）且低于爆炸上限（ＵＥＬ）时，遇热源和明火将会引发火灾爆炸事故，给其周围的人员和建筑物造成重大的危害，对国民经济造成巨大的损失“ｑ１。如１９９４年川南宋牟线ｑ）｜１２０ｍｍ集气管线发生爆破和１９９９年某天然气管线接口处突然爆裂，事故都造成了巨大的经济损失‘＋“。
・文章编号：１００３－３０３３（２ｆ１０７）０６—０１３１—０５；收稿日期：９．００７—０３—１１；磬稿日期：２００７—０７—０６
１３２・
盖ｉ。尸鑫≯彘妻气耋 第１７卷 ２００７妊
因此，对天然气管道泄漏事故危害范围评价模型进行比较研究，对于输气管线定量风险后果评价和风险管理具有重要现实意义，并为准确制定天然气管道的安全运行和提出应急预案提供决策依据。
天然气管道失效后果和灾害类型有火灾和爆
炸，火灾的影响模式为热辐射，而爆炸通过冲击波以及超压对建筑和人造成破坏与伤害㈨（见图１）。爆炸有各种破坏效应。如热辐射、有毒气体产物的致命效应等，但最危险、破坏力最强、破坏区域最大的还是冲击波的破坏效应…３。
喊三三甲 ｝臣巫叵卜＠
１爆炸后果评价模型分析
田１夭然气管道泄漏后果分析示意圈
爆炸分为物理爆炸和化学爆炸两大类。锅炉爆炸、压缩气体和液化气体钢瓶爆炸是典型的物理爆炸，物理爆炸影响范围较小，一般不作为重大危险进行后果分析。化学爆炸包括不稳定固体或气体的爆炸、受限空间内可燃气体爆炸和开放空间的气体蒸气云爆炸等，作为重大事故后果分析，最重要的是可燃气体泄漏引起的开
放空间蒸气云爆炸”Ｊ。对于事故爆炸后果的评定，该研究对蒸气云爆炸（ＶＣＥ）定量评价模型及规范ＡＰＩＰ１１ｂ
５８１中提出的定量后
果评价模型进行了分析。１．１泄漏率的计算
管道中气体泄漏质量流量与其流动状态有关，对于天然气管道，一般属于音速流动。泄漏率采用式（１）计算”１：
Ｑ＝巳ＡＰ√ＫＲＭｒ、Ｋ２“（１）
式中，口＿质量流量，ｋｓ／５ ５
Ｇ——泄漏系数。对气体取０．８５—１，圆形裂口取１： Ａ——孔Ｅｌ截面积。ｍ２；Ｐ＿—一管道内介质压力，Ｐａ； 卜气体绝热指数，天然气取１．３； ＿；ｌｆ—分子量，天然气取０．０１７ ｋｓ／ｔｏｏｌ；
△——气体相对密度，取０．７；Ｒ——气体常数，８．３１Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）；
卜气体温度，Ｋ。
管线泄漏的气体泄漏率随时间变化。在失效的 几秒钟内。泄漏率下降到最初最大值的一部分，当管
线巡视人员发现管线泄漏后会关闭上游的截断阀门，管内压力逐渐降低，此外加上管内摩擦力的作用，泄漏率随时间逐渐降低，如图２所示。当量泄漏率Ｑ井是最大泄漏率的一部分。管道断裂的失效事故导致介质从两端泄漏。当量泄漏率可由式（２）计算”Ｊ：
Ｑ口＝２ＡＱ（２）
式中，＾——泄漏率延迟因子；系数２表示气体从断 裂管道两端同时泄漏。圈２泄漏率延迟【，ｌ
１．２蒸气云爆炸（ＶＣＥ）定量评价模型 蒸气云爆炸（ＶＣＥ）是一类经常发生且后果 十分严重的爆炸事故。采用聊当量法估计蒸气 云爆炸的严重程度。１．２．１ ＴＮＴ当量的计算
用州Ｔ当量法预测蒸气云爆炸严重度的原理：
假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸，对形成冲击波有实际贡献，并以ＴＮＴ当量来表示蒸气云爆炸的第８期
粱瑞等：天然气管道泄捅爆炸后果评价模型对比分析
１３３
威力。用式（３）来估计蒸气云爆炸的当量Ｗｒｒｆｒ‘“： ‰＝等 Ｔ耵
为０．ｏｌ，它要求的冲击波峰值超压为”０００Ｐａ。计算Ｒｄａ。，仍用式（５）和式（６）计算…１。
（３）１．３
ＡＰＩｐｕｂ５８１定量后果评价模型 式中，形哪——蒸气云的ＴＮＴ当量，ｋｇ； ＾——蒸气云的硎Ｔ当量系数，取值范围 ０．０２％一１４．９％，取４％： Ｗ厂—蒜气云中燃料的总质量，ｋｇ； 仉——燃料的燃烧热，Ｕ／ｋｓ；
口１＇ｌ，——哪爆炸热，Ｅｌ／ｋｇ，其值为４．１２—４．６９ ×１０ｊ
ｋＪ／ｋｓ，取４．５２×１０，ｌ∥ｋｇ。
已知蒸气云爆炸的州Ｔ当量，可用以下方法估计其严重程度。在估计死亡区半径时，使用超压一冲量准则；在估计重伤区和轻伤区半径时，使用超压准则。
１．２．２死亡区半径
该区内的人员如缺少防护，则被认为将无例外地蒙受严重伤害或死亡。其内径为零，外径记为Ｒ，表示外圆周处人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为０．５，它与爆炸量问的关系由式（４）确定‘”１：
面
％５＝１３，６（羔）”（４）
１．２．３重伤区半径
该区内的人员如缺少防护，则绝大多数将遭受严重伤害，极少数人可能死亡或受轻伤。其内径为死亡半径月。，外径记为Ｐ，Ａｏ．，表示该处人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为０．５，它要求的冲击波峰值超压为４４
０００
Ｐａ。应用超压准则，冲击波超压 ＡＪＤ可按式（５）计算”“：
Ａｐ：０．１３７Ｚ。３＋Ｏ．１１９Ｚ一２＋０．２６７Ｚ～一０．０１９（５）ｚ＝‰，㈦３（６）
式中，蹁，——目标到爆源的水平距离，即重伤区 半径，ｍ；
ｐ。——环境压力，Ｐａ； Ｂ一爆炸总能量ｏ“，Ｊ。Ｅ＝伊斋Ｑ。（７）
１．２．４轻伤区半径
该区内的人员如缺少防护，则绝大多数人员将遭受轻微伤害，少数人将受重伤或平安无事，死亡的可能性极小。其内径为重伤区的外径Ｒｄｏ．，外径为Ｒｄｏ．ｏ．，表示外边界处耳膜因冲击波作用破裂的概率
采用美国石油协会标准ＡＰＩ ｐｕｂ５８１（基于风
险检测的基本源文件）中定量后果评价模型”２１对天然气管道泄漏爆炸后果危害范围进行评价。
１）确定代表性流体及其性质：对于天然气管道，其代表性流体是ＲＢＩ基本资源文件中模拟的物
质Ｃ．一ｃ２。
２）确定代表性流体的最后相态：流体泄放后的扩散特性主要取决于环境中流体的相态（即液体或气体）。如果当流体从稳态工况转换到稳态环境条件时没有相变，则流体的最终相态与初始相态相同。在此确定最后相态为气体。
３）选择泄漏孔尺寸：ＡＰＩ ｐｕｂ
５８１中管道４个
泄漏范围的孔尺寸的代表值分别为６．３ １１１１１１，２５．４ｍｍ，１０１．６ ｍｍ及管径。
４）确定气体泄漏量：泄漏率采用式（１）计算。５）确定泄放类型：瞬时释放及连续释放可用不同的方法评价。选择不同的释放类型计算结果差异很大。因此，正确地确定泄放类型是很重要的。对于小孔（６．３１１１１１１）模拟为持续泄放。对于其他类型孔尺寸，当泄放４５４０ｋ耗时不足３ｒａｉｎ时，通过给定孔尺寸的泄放为瞬时泄放。对于较低泄漏率模拟为持续型泄放。
６）确定泄放潜在影响区：ＡＰｌ５８１中，泄放后果的表达式如下： Ａ＝“５（８）
式中，Ａ——结果区；
ｏ、６——与物质和后果相关的常数；ｇ——总泄放量（ｋ）或泄漏率（ｋｒ／ｓ）。对于天然气管道泄漏只考虑非自动点火情况，结合具体泄放类型选出具体的计算公式如表ｌ所示。
表１天然气管道泄漏后果影响区方程持续泄放后果方程瞬时泄放后果方程ｃｌ—ｃ２
（＃为泄漏率，ｋ∥ｓ）
（＊总泄放量，ｋｇ）设备破坏面积ｍ２ Ａ＝８６７，”
Ａ＝６．４６≯”人员致死面积ｍ２ ＾：２１ ８３严“
Ａ＝１２．４６扩“ ２模拟评价实例
某天然气输气管道在近郊处因施工误操作造成管段断裂｛Ｉ！｝漏并发生爆炸事故。该输气管道，其管
中国安全科学学报 第１７卷・１３４－ Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｅｉｅｎｃｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ２００７年
输压力为６ＭＰａ，管径为９１４ｍｍ，温度为２０％，天然气燃烧热Ｑ，＝５×１０４ｋＪ／ｋｇ。应用上述模型对其爆炸后果进行定量模拟评价，确定其爆炸事故的伤害范围。
分别取泄漏时间为１
ｓ，５Ｂ，１０８，２０ｓ，３０ Ｂ，加ｓ，５０ｅ，６０
ｓ，应用上述两种爆炸模型对输气管道发生
断裂泄漏并爆炸的情况进行模拟评价，得到死亡区面积随泄漏时间变化关系的曲线图（见图３）。
置 氍 ＿县 凶Ｕ赋
豳３死亡区面积与泄漏时间的关系
当泄漏时间为３０８时，由式（１）计算得气体泄漏率Ｑ＝６９４１ｋｇ／８，由图２，＾取０．３代人式（２）得当量泄漏率Ｑ打＝４
１６４．６
ｋｇ／ｓ，则泄漏气体总质量
Ｅ＝１２４９３８ｋｇ，代人式（３）可得孵Ｍ＝５５２８２．３ｌ【ｇ。式（５）中当ＡＰ＝４４０００／ｐｏ时，应用Ｍａｔｌａｂ软件求解得Ｚ＝１．０８９１；当ＡＰ＝１７０００／ｐｏ时，Ｚ＝１．９５６９。采用ＡＰＩｐｕｂ５８１模型评价的流程图 如图４所示。两种模型的评价结果见如表２所示。圈４ Ａｎ
ｐｕｂ
５８１模型评价的流程图 衰２爆炸模型模拟评价结果 死亡半径凡，（Ｉｔｌ）重伤半径础。，（ｍ）轻伤半径Ｒｉｏ．ｍ（１１３）燕气云爆炸（ＶＣＥ）６００ １４７２ ２６４４ 定量评价模型
死亡区面积（ｉ＇１１２）重伤区面积（ｍ２）轻伤区面积（ｍ２）１１３Ｌ０ ６８ ０７２ ２１９６２０
ＡＰＩｐｕｂ５８１定量后果 人员致死面积（ｍｓ）
设备破坏面积（ｍ２）评价模型 ３２３８２ １６７８９ ３结论
１）从图３可以看出，由ＡＰＩ ｐｕｂ
５８１评价模型
得到的死亡区域面积远大于ＶＣＥ评价模型得到的，并且其随泄漏时间的变化曲率也较大。
２）从危害区域评价结果可以看到，由ＡＰＩ ｐｕｂ
５８１评价模型得到的死亡区域大于由蒸气云爆炸模 型得到的。这是由于ＡＰＩ ｐｕｂ
５８１模型的评价结果
是事故的潜在后果区，不只针对爆炸后果，还包括各 种火灾后果，因此，评价结果较为保守。３）蒸气云爆炸（ＶＣＥ）评价模型的后果区域划
分细致；ＡＨ ｐｕｂ
５８１模型的推荐后果分析步骤十分
系统，且适用领域广，可以针对不同失效后果计算人员死亡面积和设备损失面积。
４）天然气管道失效后果有多种（见图１），火灾与爆炸可能混合发生，具有较高的复杂性。笔者仅对爆炸后果进行了分析，今后将致力于对火灾与爆炸混合发生的情况进行模拟研究。
第８期粱瑞等：天然气管道泄漏爆炸后果评价模型对比分析 １３５ 参考文献
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Ｅｄｉｔｉｏｎ。Ｍａｙ２００２
』Ｍ』＇矗』＇．ａ４０ｔ』Ｌａ．ａ４０ｔ彻．４』ｔｄＬ』ｔ∥ｌ胡』ｔ∥Ｌ。爿ｚｔｆＬ月ｋ１．ａ五ｚＭ五』ｔａ．Ａ．ａ．爿臼ｚＬｄｋｌｚｔ∥Ｉ彳Ｉ．ａ
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