??? 隨著我國燃?xì)馐聵I(yè)的快速發(fā)展，燃?xì)夤芫W(wǎng)的管理水平亟待提高。導(dǎo)致事故的原因和事故后果的定量分析對(duì)于降低管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義[1]。世界上的現(xiàn)代化大都市的城市燃?xì)鈳缀醵冀?jīng)歷了從人工煤氣到天然氣這一發(fā)展過程。2006年，北京市結(jié)束了近50年人工煤氣的歷史，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)全天然氣化。北京燃?xì)馐聵I(yè)經(jīng)過50年的發(fā)展歷程，特別是1997年陜甘寧天然氣進(jìn)京后，城市燃?xì)庖丫哂邢喈?dāng)大的規(guī)模，現(xiàn)有360×104戶用戶、約11000km管網(wǎng)、55×108m3/a供應(yīng)量、5級(jí)壓力級(jí)制。表1為北京市天然氣管網(wǎng)管長與壓力概況。本文結(jié)合北京市的管網(wǎng)特點(diǎn)和所發(fā)生的管道事故開展火災(zāi)危險(xiǎn)預(yù)測(cè)，對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行定量化研究，為管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考。
??? 管道風(fēng)險(xiǎn)是事故發(fā)生概率和事故后果的函數(shù)
[2、3]，火災(zāi)危險(xiǎn)預(yù)測(cè)應(yīng)當(dāng)首先分析導(dǎo)致事故的原因。根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2007年北京市燃?xì)馔话l(fā)事故約102起。其原因分類見表2
[4]。從表2可知，造成城市燃?xì)馐鹿实闹饕蚴峭饬ζ茐摹?/div>
表2 2007年北京市燃?xì)馐鹿试蚍诸惤y(tǒng)計(jì)[4]??? 起
?
事故原因 | 一季度 | 二季度 | 三季度 | 四季度 | 合計(jì) |
管道腐蝕 | 6 | 4 | 2 | 17 | 29 |
外力破壞 | 6 | 10 | 17 | 7 | 40 |
施工質(zhì)量 | 6 | 6 | 7 | 6 | 25 |
自然因素 | 1 | l | 0 | 0 | 2 |
管道堵塞 | 3 | 2 | 1 | 0 | 6 |
?????? 3? 泄漏后果
??? 美國和歐洲的安全工程師利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法對(duì)天然氣管道泄漏事故后果做了大量定量分析和統(tǒng)計(jì)，形成了具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的參考數(shù)據(jù)。根據(jù)燃?xì)庑孤┖蟮母鞣N表現(xiàn)形式，可以確定出具有普遍性的危險(xiǎn)發(fā)生模式。下面以燃?xì)庑孤┖蟮母鞣N表現(xiàn)形式為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)危害發(fā)生機(jī)理建立相應(yīng)的事故后果計(jì)算關(guān)系式。
3.1 燃?xì)庑孤┖蟮母鞣N表現(xiàn)形式
???美國石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute)的相關(guān)資料提供了燃?xì)獍l(fā)生泄漏后各種表現(xiàn)形式的概率[5]，研究者可以根據(jù)不同情況對(duì)其進(jìn)行一定的修正。燃?xì)獬掷m(xù)性泄漏后發(fā)生安全排放、噴射火焰、閃火、蒸氣云爆炸的概率分別為0.8、0.1、0.06、0.04[5]。
??? 噴射火焰(Jet Fire)是指氣體從裂口噴出后立即燃燒，如同火焰噴射器。閃火(Flash Fire)是指泄漏的可燃?xì)怏w在空氣中擴(kuò)散后發(fā)生的滯后燃燒，不產(chǎn)生沖擊波破壞[6]。蒸氣云爆炸是指蒸氣云團(tuán)的可燃混合氣體遇火源突然燃燒，是在無限空間中的氣體爆炸。
???天然氣發(fā)生泄漏后，如果立即點(diǎn)燃，此時(shí)天然氣還沒有和空氣充分混合，點(diǎn)燃發(fā)生在外層，而內(nèi)層的燃?xì)庖驗(yàn)闈舛忍卟荒鼙稽c(diǎn)燃。因?yàn)樘烊粴獾拿芏刃∮诳諝猓瑲庠频母×ζ鹬鲗?dǎo)作用，所以燃燒的氣云向上抬升并變成球形，進(jìn)而促進(jìn)天然氣與空氣混合形成持續(xù)的火災(zāi)。短時(shí)間上升和膨脹的火球最后發(fā)展為穩(wěn)定的噴射火焰，其產(chǎn)生的熱輻射會(huì)對(duì)在場(chǎng)人員造成傷害[7]。
3.2 管道破損面積
??? 美國、歐洲和加拿大的研究機(jī)構(gòu)建立了相應(yīng)的管道事故數(shù)據(jù)庫，以進(jìn)行現(xiàn)役管道的安全評(píng)價(jià)，減少事故發(fā)生的可能性。歐洲燃?xì)夤艿朗鹿蕯?shù)據(jù)庫(European Gas pipeline Incident Data Group，EGIG)的統(tǒng)計(jì)方法是根據(jù)以下泄漏的尺寸將管道破損進(jìn)行分類記錄[8]：
??? ① 微孔(或裂紋)：缺陷直徑≤2cm。
??? ② 孔洞：2cm＜缺陷直徑≤管道直徑。
??? ③ 斷裂：缺陷直徑＞管道直徑。
??? 歐洲燃?xì)夤艿?970年—2007年間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，第三方破壞造成的各種破損形式的比例分別為：微孔或裂紋(Pinhole/crack)27%，孔洞(Hole)55%，斷裂(Rupture)18%。第三方破壞造成的管道破損以孔洞為主。
3.3 泄漏速率
天然氣泄漏導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)與泄漏速率密切相關(guān)，氣態(tài)燃?xì)庑孤┝靠蓮牟匠掏茖?dǎo)得到，燃?xì)庑孤┑馁|(zhì)量流量與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)滿足式(1)的條件時(shí)，氣體流動(dòng)屬于聲速流動(dòng)，燃?xì)獾男孤┧俾?以質(zhì)量流量計(jì))用式(2)計(jì)算[9]。
?
式中p0——環(huán)境絕對(duì)壓力，Pa
??? p——容器內(nèi)介質(zhì)絕對(duì)壓力，Pa
??? κ——燃?xì)獾褥刂笖?shù)，甲烷取1.29
??? qm——燃?xì)庑孤┧俾?質(zhì)量流量)，kg/s
??? Cdg——?dú)怏w泄漏系數(shù)，與泄漏口形狀有關(guān)，見表3
??? A——泄漏口的面積，m2
??? M——燃?xì)獾哪栙|(zhì)量，甲烷為0.016kg/mol
??? R——摩爾氣體常數(shù)，取8.314J/(mol·K)
??? T——?dú)怏w溫度，K，取288K
??? 當(dāng)滿足式(3)時(shí)，氣體流動(dòng)屬于亞聲速流動(dòng)，燃?xì)庑孤┧俾视檬?4)計(jì)算[9]。
?
表3 氣體泄漏系數(shù)取值[9]
?
泄漏口形狀 | 圓形 | 三角形 | 長方形 | 漸縮孔 | 漸擴(kuò)孔 | 管道完全斷裂 |
Cdg | 1.0 | 0.9 | 0.9 | 0.9～1.0 | 0.6～0.9 | 1.0 |
3.4 熱輻射對(duì)人員的傷害
??? 燃?xì)馊紵^程中火焰表面在高溫下向外部空間發(fā)射輻射能。彼德森(Pietersen)提出用以下模型來觀測(cè)熱輻射對(duì)人員的傷害[10]。在場(chǎng)人員暴露在熱輻射之下受到傷害的概率與暴露時(shí)間和熱輻射通量有關(guān)。
???① 彼德森模型[10]
?
式中P——人員傷害概率
??? t——人員暴露時(shí)間，s
??? q——人體接收到的熱輻射通量，W/m2
人員傷害概率與死亡百分?jǐn)?shù)的關(guān)系為[11、12]：
?
式中D——死亡百分?jǐn)?shù)
??? u——積分變量
??? 死亡百分?jǐn)?shù)D通過式(6)與個(gè)體受到傷害的概率P關(guān)聯(lián)
[11]。式(6)表示概率密度與概率分布函數(shù)的關(guān)系，個(gè)體受到傷害的概率P是死亡百分?jǐn)?shù)D的度量，它們的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系可以方便地利用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表查得。當(dāng)P=2.67時(shí)，D=1%；P=5.00時(shí)，D=50%；P=8.06時(shí)，D=99.9%
[11、13]。
