王小完，馬 驥，駱正山

(西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055)

陸上長(zhǎng)輸天然氣管線泄漏，因泄漏量大，持續(xù)泄漏與空氣混合形成蒸汽云，蒸汽云在密閉空間或無(wú)風(fēng)低洼地帶聚集，遇火源會(huì)發(fā)生閃爆引發(fā)爆炸災(zāi)害，造成惡性事故。因此，研究天然氣泄漏蒸汽云爆炸危害對(duì)保護(hù)人民的財(cái)產(chǎn)、生命安全，或在蒸汽云爆炸危害發(fā)生后對(duì)其危害后果進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估具有重要意義。國(guó)內(nèi)外研究人員在該領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的研究，但主要集中在對(duì)密閉容器內(nèi)的可燃?xì)怏w的燃燒、爆炸過(guò)程分析，如楊國(guó)剛在密閉鋼管內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w爆炸的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬［1］;陳長(zhǎng)坤等基于粗糙集的城市燃?xì)夤艿榔茐臑?zāi)害演化誘發(fā)機(jī)制分［2］;析林伯泉等研究了方形鋼管中障礙物對(duì)氣體燃燒的加速作用［3－4］;付小方等對(duì)高壓天然氣管線的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了分析［5］;梁瑞等對(duì)天然氣管線泄漏混合氣體爆炸后果評(píng)價(jià)進(jìn)行了探討［6］。上述研究主要集中在固體障礙物對(duì)火焰的加速以及超壓生成的影響等方面。本文通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，研究天然氣管線泄漏形成的蒸汽云爆炸危害機(jī)理和破壞規(guī)律，對(duì)其造成的危害范圍及危害后果進(jìn)行定量研究，對(duì)蒸汽云爆炸危害的預(yù)防以及爆炸發(fā)生后造成的后果進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評(píng)估提供指導(dǎo)。

1 天然氣管線泄漏擴(kuò)散

陸上天然氣管線泄漏后，根據(jù)泄漏模式以及空間位置、大氣條件形成蒸汽云發(fā)生爆炸，造成相應(yīng)的危害。

1.1 氣體擴(kuò)散模型

天然氣管線瞬時(shí)泄漏，擴(kuò)散使泄漏孔處氣體濃度減小，降低爆炸危險(xiǎn);同時(shí)擴(kuò)散使毒害氣體向外擴(kuò)散，使危害范圍擴(kuò)大。根據(jù)天然氣泄漏特性，可將其作為零高度點(diǎn)源氣體擴(kuò)散處理。經(jīng)多次數(shù)據(jù)驗(yàn)證，用Pasquil-Gifford［7］模型進(jìn)行擴(kuò)散過(guò)程的模擬分析與實(shí)際吻合的很好。本研究采用該模型進(jìn)行分析，天然氣排放濃度按式(1)和式(2)計(jì)算［8］。

連續(xù)排放:

式中:c(x，y，z)為連續(xù)排放時(shí)，形成穩(wěn)定的流場(chǎng)后，給定地點(diǎn)(x，y，z)的污染物濃度(kg/m3);Q為連續(xù)排放的物料質(zhì)量流量(kg/s);μ為風(fēng)速(m/s);x，y，z為分別為下風(fēng)向、橫風(fēng)向和離地面的距離(m);σy，σz分別為橫風(fēng)向和垂直風(fēng)向的擴(kuò)散參數(shù)。

瞬時(shí)排放:

式中:c(x，y，z，t)為瞬時(shí)排放時(shí)，給定地點(diǎn)(x，y，z)和時(shí)間t的污染物的濃度(kg/m3);Q*為瞬時(shí)排放時(shí)的物料質(zhì)量(kg);σx為x方向擴(kuò)散參數(shù)。

在模型中，將大氣穩(wěn)定類型分為6種 (從A到F)。本文根據(jù)我國(guó)的實(shí)際對(duì)模型進(jìn)行修正，A到D類為不穩(wěn)定類型(D最具代表性)，E和F類為穩(wěn)定類型(F最具代表性)。氣體擴(kuò)散參數(shù)采用GB3840－91中《環(huán)境大氣質(zhì)量預(yù)評(píng)價(jià)中有關(guān)參數(shù)和公式的選取原則》確定［9］。計(jì)算公式為:

式中:γ1，γ2分別為橫向和垂直方向擴(kuò)散參數(shù)回歸指數(shù);α1，α2分別為橫向和垂直方向擴(kuò)散參數(shù)回歸系數(shù)。

瞬時(shí)排放時(shí)，考慮實(shí)際泄漏時(shí)間修正擴(kuò)散參數(shù)，其計(jì)算式為:

式中:σz與連續(xù)擴(kuò)散時(shí)的值一樣。

1.2 計(jì)算實(shí)例模擬

某天然氣管線發(fā)生斷裂泄漏，氣溫25℃，根據(jù)泄漏率分別計(jì)算四種情況下的濃度擴(kuò)散范圍。天然氣的爆炸下限為5.1%，上限為15.36%。風(fēng)速為0.3 m/s(代表靜風(fēng)狀況)和5.0 m/s(有風(fēng)狀況)兩種情況。圖1為輸出的等濃度圖，曲線L1、L2分別為爆炸上限和爆炸下限。

從圖1可看出，泄漏點(diǎn)周圍的風(fēng)速以及大氣的穩(wěn)定性對(duì)泄漏氣體的影響較大，風(fēng)速越大，毒性氣體的危害范圍越小;在風(fēng)速相同條件下，大氣的穩(wěn)定性越好，其危害范圍越大，反之越小。圖中L1、L2為兩個(gè)爆炸極限濃度面，爆炸濃度區(qū)Z為L(zhǎng)1≤Z≤L2。實(shí)驗(yàn)表明:Z與天然氣管線泄漏孔徑、氣體爆炸極限濃度、泄漏速度有關(guān)。泄漏孔徑越大，L1越小，L1等濃度面范圍就越大。當(dāng)天然氣泄漏速度小于臨界速度，隨著泄漏速度增大也隨之增大;當(dāng)泄漏速度大于或等于臨界速度時(shí)，爆炸濃度區(qū)域不再隨速度變化而變化。

由此可知，陸上天然氣管線一旦泄漏，必然存在L1、L2兩個(gè)爆炸極限濃度面，形成爆炸區(qū)Z，即使達(dá)不到爆炸濃度，遇火源也將造成局部爆炸。因此，在實(shí)際中還應(yīng)該注意天然氣管線泄漏的局部爆炸問(wèn)題。

2 蒸汽云爆炸模型

陸上天然氣管道泄漏形成彌漫空間的云狀可燃性氣體混合物，燃燒后遇障礙物或受到局部約束，引起局部紊流使膨脹流加劇，可達(dá)層流燃燒的十幾倍乃至幾十倍，發(fā)生爆炸反應(yīng)。本文對(duì)蒸氣云爆炸研究采用TNT當(dāng)量法，計(jì)算模型如下:

式中:WTNT為蒸氣云的TNT當(dāng)量(kg);A為蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù)，取值范圍是［0.000 2，0.149 0］;Wf為蒸氣云燃料的總質(zhì)量(kg);Hc為燃料的燃燒值(kJ/kg);Hc=5.56×107(J/kg);QTNT為TNT的爆熱，QTNT∈［4.12 × 103，4.69 × 103］(kJ/kg)。

根據(jù)爆炸生成的爆轟波特性，爆轟波形成的災(zāi)害區(qū)域也就是人員被傷害區(qū)域。由爆轟波危害的嚴(yán)重程度，將泄漏爆炸點(diǎn)周圍環(huán)形危害區(qū)由內(nèi)向外依次劃分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和安全區(qū)。

則死亡區(qū)的范圍可由下式計(jì)算［10］:

圖1 氣體擴(kuò)散范圍

式中:R0.5為造成死亡概率為0.5的半徑(m)。若人員出在該區(qū)域，因爆轟波作用致死的概率為0.5。

重傷區(qū)即在爆轟波作用下極少出現(xiàn)死亡或受輕傷區(qū)域，但絕大多數(shù)人員將受重傷，其內(nèi)半徑為R0.5，外半徑記為Rd0.5。Rd0.5表示人員處于該區(qū)域時(shí)，爆轟波致使耳膜破裂的概率為0.5，此時(shí)爆轟波超壓將達(dá)到44 kPa。爆轟波超壓計(jì)算模型為:

式中:Z1=R(Pa/E)1/3;R為目標(biāo)距爆炸源的距離(m);Pa為大氣壓(MPa);E為爆炸源的總能量(kJ)。

輕傷區(qū)即在爆轟波作用下人員極少出現(xiàn)重傷或平安無(wú)事的區(qū)域，但在該區(qū)域幾乎所有人員將遭受輕微傷害。該區(qū)域內(nèi)半徑為 Rd0.5，外半徑為Rd0.01。Rd0.01即人員處于該區(qū)域時(shí)，爆轟波致使耳膜破裂的概率為0.01，此時(shí)爆轟波超壓將達(dá)到17 kPa。

安全區(qū)即在爆轟波作用下不會(huì)出現(xiàn)人員死亡的區(qū)域，該區(qū)域上下限為［Rd0.01，∞］。

3 蒸汽云爆炸危害模型

天然氣泄漏形成的蒸汽云爆炸危害有沖擊波危害和毒性氣體危害。

表2 建筑物破壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.1 沖擊波危害

沖擊波是由爆炸點(diǎn)周圍空氣突然受到?jīng)_擊而發(fā)生擾動(dòng)，使空氣壓力、密度和溫度發(fā)生突躍變化在空氣中的傳播形成的，也是蒸汽云爆炸的主要危害源，它開始生成時(shí)產(chǎn)生的最大正壓力就是沖擊波陣面上的超壓［11］Δp，絕大多數(shù)情況下，沖擊波的危害是由超壓引起，其危害程度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

爆炸沖擊波的沖量值大小決定爆炸點(diǎn)周圍建筑物的破壞程度，依據(jù)超壓 －沖量準(zhǔn)則，對(duì)爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，得到磚木結(jié)構(gòu)房屋的沖擊波破壞參數(shù)方程:

式中:Ps為沖擊波入射超壓(Pα);is為比沖量(Pα·s)。

以上所用的破壞等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3.2 毒性氣體危害

天然氣的主要成分為甲烷，乙烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等。泄漏后在特定空間燃燒、爆炸產(chǎn)生有毒氣云，在空氣中漂移、擴(kuò)散，直接影響現(xiàn)場(chǎng)人員并可能波及居民區(qū)人員傷亡和環(huán)境污染。在后果分析中，一般不考慮泄漏現(xiàn)場(chǎng)情況，主要考慮毒氣氣團(tuán)在空氣中擴(kuò)散的范圍和濃度以及生命體接觸毒物的時(shí)間等。常見的毒性物質(zhì)危險(xiǎn)濃度如表3所示。

當(dāng)毒性氣體的危險(xiǎn)濃度給定，即可求出該濃度下有毒空氣體積。例如當(dāng)空氣中 H2S的濃度為0.08% 時(shí)，普通人員吸入該毒性氣體5～10 min致死，則含有Vg立方該毒性氣體致人死亡的有毒氣體的空氣體積可由下面公式計(jì)算:

假設(shè)氣體以半球狀向周圍擴(kuò)散，則毒氣體擴(kuò)散半徑為:

式中:R為毒性氣體擴(kuò)散半徑(m);Vg為毒性介質(zhì)的蒸氣體積(m3);C為毒性氣體在空氣中的危險(xiǎn)濃度值(%)。

表3 一些有毒物質(zhì)的危險(xiǎn)濃度［12］

4 結(jié)語(yǔ)

文章基于氣體擴(kuò)散模型，綜合考慮風(fēng)速和大氣穩(wěn)定性建立了天然氣管線泄漏蒸汽云爆炸危害模型，通過(guò)實(shí)證分析得出以下結(jié)論:

(1)天然氣泄漏蒸汽云爆炸受泄漏點(diǎn)周圍的風(fēng)速、大氣穩(wěn)定性、泄漏孔徑、爆炸極限濃度、泄漏速度等多因素影響。風(fēng)速越大、大氣越不穩(wěn)定，擴(kuò)散越快，危害范圍越小。大氣越穩(wěn)定，風(fēng)速越低，形成的爆炸區(qū)范圍越大，距泄漏點(diǎn)的距離也越近，在人口密集區(qū)和工業(yè)區(qū)爆炸產(chǎn)生的危害就越大。另外，爆炸極限濃度面范圍也與泄漏孔徑、爆炸極限濃度、泄漏速度等有關(guān):泄漏孔直徑越大，爆炸下限越小，爆炸下限等濃度面范圍就越大;在泄漏速度小于臨界速度時(shí)，速度越大，著火爆炸濃度區(qū)的范圍就越大，而在泄漏速度達(dá)到臨界速度時(shí)，速度對(duì)爆炸濃度區(qū)的范圍無(wú)影響。

(2)蒸氣云爆炸主要危害源自沖擊波，沖擊波對(duì)人體和建筑物的破壞作用取決于沖擊波陣面上的超壓Δp值，Δp值越大，其危害程度越大;而危害范圍內(nèi)毒性氣體的危害濃度，可由3.2節(jié)中的模型求出。如H2S在空氣中的濃度達(dá)到0.08% 時(shí)，人吸入5～10 min即致死，CO濃度達(dá)到0.15% 時(shí)，人吸入5～10 min即可致死。

由上述分析可知，天然氣泄漏時(shí)必定形成一個(gè)局部著火爆炸區(qū)，即使整個(gè)環(huán)境空間達(dá)不到爆炸濃度范圍，遇火源也將造成局部爆炸和毒氣中毒。因此，當(dāng)泄漏量達(dá)到一定程度時(shí)，不僅要注意整個(gè)環(huán)境是否達(dá)到爆炸范圍，同時(shí)也要注意局部爆炸和毒氣中毒問(wèn)題，當(dāng)然爆炸發(fā)生后仍然要注意有害氣體中毒問(wèn)題。

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