高压输气管道泄漏燃烧后果对比分析.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：094046 高压输气管道泄漏燃烧爆炸后果对比分析 冯文兴，王兆芹 （中国石油管道研究中心，河北 廊坊 065000） （Tel：0316-2174120，E-mail:wxfeng@） 摘要：高压长输天然气管道泄漏分析了喷射火、火球和蒸气云爆炸等3种灾害模式。按照大孔泄漏导致50%人员致死率的损伤标准，对三者的伤害半径进行比较分析。结果表明，火球和喷射火的死亡半径远大于蒸气云爆炸，火球和喷射火的死亡半径相近。因为管道泄漏喷射火发生的概率较大，认为管道风险评价时重点喷射火的情况。 关键字：管道泄漏、喷射火、火球、蒸气云爆炸、死亡半径 引言 高压天然气管道泄漏危害后果的确定是风险评价的基础，国内外对天然气管道泄漏危害区域的研究较多，如秦岭、张鹏[1]等人认为气体泄漏造成的主要后果为火球和喷射火和闪火；向启贵、熊军[2]等人认为管道泄漏造成的后果为喷射火、蒸气云爆炸、H2S中毒和地面物体弹射危害；翁永基[3]则认为管道失效后，会造成燃烧和爆炸两种危害。这些研究计算了相应后果的危险半径，但都没有进行比较分析。在风险评价等应用中，需要根据各种危害形式的大小针对后果做出工程判断。本文研究了喷射火、火球、蒸气云爆炸的危害半径，并对其进行了比较分析，分析出危害较大的后果模式。 1 泄漏后果模式 管道失效后，从管道内泄漏的易燃易爆气体可能产生各种不同的失效后果，其类型与管道的运行状态、失效模式、气体的泄漏方式（垂直泄漏或倾斜泄漏）、点燃时间（立即点燃或延迟点燃）、是否是有阻碍泄漏等因素有关。图1所示为本文所依据的天然气管道失效事件树。发生泄漏时，如果立即被点燃，则产生喷射火；如果没有立即被点燃，则经过扩散，形成气云或气团，此时如果被点燃，则可能发生火球或蒸气云爆炸；如果在扩散的过程中没有点火源，则在风的流动作用下，不断地被稀释而使其低于燃烧爆炸下限而安全扩散。 据统计，大孔泄漏在管道事故中占有很大的比例（29%）[2]，而且后果严重，因此本文以大孔泄漏作为研究对象。 2 分析计算模型 2.1 伤害准则 喷射火和火球的伤害形式为热辐射，而蒸气云爆炸的伤害形式为冲击波。热辐射的伤害准则有热通量准则、热剂量准则和热通量—热剂量准则。冲击波的伤害准则有超压准则、冲量准则、超压—冲量准则。对于喷射火的热辐射伤害，假定其为稳定火灾，采用热通量准则；对于火球的热辐射伤害，假定其为瞬时火灾，采用热通量-时间准则；对于蒸气云爆炸，根据试验，采用超压—冲量准则。 由于热辐射和冲击波的伤害机理不一致，难以直接比较，本文为了比较的方便，采用50%致死率作为统一基准。 图1 天然气管道失效事件树 Figure 1 Natural Gas Pipeline Failure Event Tree 2.2 伤害半径计算方法 2.2 喷射火的热辐射计算见式（1）。 （1） 式中，Tjet为辐射率系数；Hc为天然气的燃烧热，kJ/kg；Q为天然气的泄漏流量，kg/s；η为效率因子；r为距失效点的距离，m；R1为火焰长度，m，计算公式见文献[4]。 按照标准SY/T 6621-2005《输气管道系统完整性管理》[5]（AMSE B31.8S：2001,IDT[6]），暴露时间为30s时，由于喷射火热辐射造成人员50%致死率对应的热辐射通量为25.24kW/m2。 2.2 火球的热辐射的计算见式（2）。 （2） 式中，I为目标所接受的热辐射强度，kW/m2；为大气透射率，；c7等于2.02，（N/m）-0.09；为环境温度Ta下水的分压力，Pa，；RH为相对湿度（0-1），干燥晴朗的天气条件下取1；为环境温度Ta下水的饱和蒸气压，Pa，；d为目标到火球的距离，m，；r为火球中心的地面投影与目标的距离，m；R为火球半径，m；计算公式见文献[7]；为火球的几何视角因子，；E为火球表面热辐射通量，kW/m2，；m为天然气的总质量，kg；α为参与火球燃烧的质量系数，一般来说，发生危害的可燃气云分为两部分：发生混合燃烧形成火球的体积为90%~100%；不超过10%的部分发生气相爆轰。因此，一般取90%的气云作为火球燃烧计算[8]。 这样，火球导致50%致死率所对应的热辐射强度计算见式（3）[9]。 （3） 式中：I为人体接受的热通量，kW/m2；t为火球持续时间，s；Pr是伤害几