??? 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于降低管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險，保證人民生命財產(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級壓力級制。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)危險預(yù)測，對火災(zāi)危險進(jìn)行定量化研究，為管網(wǎng)風(fēng)險評價提供參考。
??? 管道風(fēng)險是事故發(fā)生概率和事故后果的函數(shù)
[2、3]，火災(zāi)危險預(yù)測應(yīng)當(dāng)首先分析導(dǎo)致事故的原因。根據(jù)初步統(tǒng)計，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[4]??? 起
?
事故原因 | 一季度 | 二季度 | 三季度 | 四季度 | 合計 |
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)險評價的方法對天然氣管道泄漏事故后果做了大量定量分析和統(tǒng)計，形成了具有統(tǒng)計學(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(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?，氣云的浮力起主?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)生的熱輻射會對在場人員造成傷害[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)役管道的安全評價，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)量流量與其流動狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)滿足式(1)的條件時，氣體流動屬于聲速流動，燃?xì)獾男孤┧俾?以質(zhì)量流量計)用式(2)計算[9]。
?
式中p0——環(huán)境絕對壓力，Pa
??? p——容器內(nèi)介質(zhì)絕對壓力，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，氣體流動屬于亞聲速流動，燃?xì)庑孤┧俾视檬?4)計算[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熱輻射對人員的傷害[10]。在場人員暴露在熱輻射之下受到傷害的概率與暴露時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，D=1%；P=5.00時，D=50%；P=8.06時，D=99.9%
[11、13]。
長輸燃?xì)夤艿赖陌踩Ｗo(hù)距離
