城市污水管网气体爆炸风险评估*

范小花　丁允超

(1.重庆科技学院安全工程学院　重庆 401331；　2.重庆大学化学化工学院　重庆 400030；3.重庆工程学院　重庆 400056)



城市污水管网气体爆炸风险评估*

范小花1,2丁允超3

(1.重庆科技学院安全工程学院重庆 401331；2.重庆大学化学化工学院重庆 400030；3.重庆工程学院重庆 400056)

针对城市污水管网发生气体爆炸事故的危害性，分析了影响城市污水管网发生气体爆炸事故的因素，建立了基于模糊综合评价法的污水管网气体爆炸风险评估模型。拟定了各因素风险级别(Ri)及其判断依据，根据两两比较法确定了各影响因素的相对权重(Wi)。最后将该模型运用于某小区污水管道气体爆炸风险评估，结果验证了该模型的合理性，并提出了相应的管理对策。

污水管道气体爆炸风险评估模糊综合法

0　引言

随着我国城镇化发展的加快，城市人口越来越密集，所产生的生活污水也越来越多。因此，人们对污水管网的安全运行越来越依赖。然而，近年来有关城市污水管网气体爆炸事故却时有发生[1]，造成了严重的人身伤亡和财产损失，特别是节假日。据统计，全国每年春节期间发生的下水道爆炸事故就有数百起[2]。可见，污水管网已然成为城市居民身边的“隐形炸弹”， 它几乎无处不在，又随时可能发生爆炸。因此，对城市污水管网发生气体爆炸事故的风险进行评估分析，是保证其安全运行的重要手段，可为相关管理机构提供决策参考。

1　城市污水管网气体爆炸事故的影响因素

1.1甲烷含量

城市污水管网内的气体主要是甲烷，其体积分数有时甚至高达90%以上[3]，污水管网发生的气体爆炸事故主要就是由甲烷引起的。甲烷是一种易燃易爆的气体，爆炸极限范围为5%～15%。甲烷浓度达到爆炸极限范围时，遇到火源即可发生爆炸，其浓度越高，发生爆炸风险就越大。城市污水管网(尤其是化粪池)中的甲烷浓度常在爆炸极限点上下徘徊，因此频繁地在各大城市引爆。一般甲烷检测仪的报警值设有两个等级，低报警值设在爆炸下限的10%～25%之间，即甲烷体积分数为0.5%～1.25%，高报警值设在爆炸下限的50%，即甲烷体积分数2.5%，超过高报警值时人员必须马上撤离。

1.2硫化氢、氨气和一氧化碳含量

除甲烷外，污水管网里产生的易燃气体还有硫化氢、氨气和一氧化碳，其体积分数相对甲烷很少，尤其是氨气和一氧化碳的体积分数几乎可以忽略[3]。但是由于其有毒，低浓度时即可危及人的生命，因此其对污水管网的安全性也有极大的影响。硫化氢是一种神经毒剂，低浓度时有恶臭，高浓度时由于人的嗅觉系统被麻痹而闻不到恶臭。因此不能依靠嗅觉来判断有无硫化氢。硫化氢的产生主要是由于下水道管壁的粘泥中会产生硫酸盐还原菌，它是一种厌氧菌，在厌氧条件下催化还原污水中的硫酸盐有机物，生成硫化氢[3]。硫化氢的浓度越高，发生爆炸和中毒的风险越大。

1.3二氧化碳、二氧化硫含量

污水管网中也会产生二氧化碳和二氧化硫等不燃气体，相对而言二氧化硫浓度很小，可忽略不计，主要考虑二氧化碳。二氧化碳是伴随着污水厌氧发酵产生甲烷而产生的[3]，是一种惰性气体，对甲烷混合气体的爆炸极限有较大影响，因为其隔离了甲烷分子和氧分子。使甲烷混合气体的爆炸极限范围缩小，甚至为零。因此，二氧化碳浓度越大，污水管网发生气体爆炸的风险越小。但是，由于二氧化碳是窒息性气体，高浓度时会排挤空气中的氧气，使人供氧不足，窒息死亡。因此，二氧化碳也是污水管网的危险因素之一。

1.4温度

温度会影响可燃气体的爆炸极限。初始温度越高，可燃气体的爆炸极限范围越宽，爆炸危险性增加。此外，温度对甲烷、二氧化碳和硫化氢的产生以及产生量也有很大的影响。较高温度下，产甲烷菌处于较高的产甲烷状态，较低温度下，产甲烷的能力相对较弱。产硫化氢的硫酸盐还原菌属于中温菌，30 ℃时代谢最旺盛，产硫化氢的速度也最快；温度小于20 ℃时难于生存，几乎没有硫化氢生成[3]。因此，当温度升高时，甲烷、硫化氢的浓度都随之升高，发生气体爆炸的风险更大。

1.5气流速度

气体流速对可燃气体爆炸的影响较大。当管道内的可燃气体已经发生爆炸时，由于气流速度会加剧火焰传播速度，因而气流速度越快会加剧爆炸的剧烈程度，从而造成更严重的破坏。但是，当污水管网内的可燃气体只是燃烧，还未发生爆炸时，由于气体流速加快了热量的传递过程，气体流速越大，热量传递越快，导致管道内温度下降越快，火焰越容易熄灭，管道内可燃气体也就越不容易发生爆炸；反之，气流速度越小，热量的传递越慢，能量越集中, 可燃气体的燃烧反应会不断地进行下去，使得管道内温度不断升高，越容易形成爆炸。此外，气流速度越高，可燃气体爆炸下限上升，爆炸上限降低，即可燃气体的爆炸极限范围缩小。有研究表明[4]，当气体流动速度大于0.85 m/s时，甲烷爆炸下限和爆炸上限将重合，此时的气流速度称为临界流速，任何大于此临界流速的可燃混合气体在同等条件下都不可能发生爆炸。因此，可以通过提高混合气体的流动速度来预防城市污水管网的爆炸问题。

1.6污水管网结构

污水管网直径越小，火焰传播速度越慢，可燃气体的爆炸极限范围越窄[5]；当污水管网内径足够小时，火焰便不能在管道内传播，此时可燃气体的爆炸极限范围变为零。此时的管网直径称为临界直径，小于临界直径的管网发生可燃气体爆炸的风险为零。因此可通过合理设计管网结构尺寸来降低发生可燃气体爆炸的风险。

2　模糊综合评价

2.1建立风险因素集

由前述对风险因素的分析，可建立影响城市污水管网发生气体爆炸事故的因素集：U={U1，U2，U3，U4，U5，U6}={甲烷，硫化氢等其他可燃气体，二氧化碳等不燃气体，温度，气流速度，污水管网结构}。

2.2确定各风险因素的等级

根据第1部分中各因素对城市污水管网气体爆炸风险的影响分析，可拟定出各因素风险级别(Ri)及判断依据，结果见表1。

2.3确定各风险因素的权重

根据两两比较法，将因素集U中各因素进行两两比较[6]，比较结果用Uij表示因素Ui对Uj的重要程度，由此可建立一个关于Uij的判断矩阵A=(Uij)n×n，结果见表2。

表1　各因素风险等级及判断依据

表2　两两因素判断表

根据已建立的判断矩阵A=(Uij)n×n，运用“方根法”求取各因素的相对权重。首先计算权重向量近似值(即将A矩阵各行相乘并开n次方)：

(1)

为了检验所建立的判断矩阵的合理性，运用一致性检验判别式CR=CI/RI进行检验，其中CI为一致性指标。

(2)

(3)

2.4污水管网气体爆炸的模糊综合风险评估等级

城市污水管网发生气体爆炸事故的风险等级RT可根据式(4)得出：

(4)

评估等级为0，表示无影响，1为轻微影响，2为小影响，3为中等影响，4为大影响，5为重大影响。

3　实例验证

运用以上模型对某小区污水管道发生气体爆炸的风险程度进行评估。经测定，该小区的污水管道中，甲烷、硫化氢、二氧化碳的质量分数分别为2.85%，0.000 2%，1.55%，温度为24.6 ℃，气流速度为0.32 m/s，管道直径为600 mm。对照各因素风险等级判断表1，得各因素的风险等级为Ri=(4,1,4,3,4,4)。

4　结语

(1)影响城市污水管网发生气体爆炸风险的因素有甲烷、硫化氢等其他可燃气体、二氧化碳等不燃气体、温度、气流速度、污水管网结构。

(2)甲烷的浓度对污水管网发生气体爆炸的风险影响最大，其次是硫化氢等其他可燃气体的浓度和温度，其它3个影响因素的权重相对较小。

(3)针对某小区污水管道的具体情况，运用所建立的风险评估模型，评价结果证明所建立的风险评估模型是合理的。可推广应用于其他污水管网的气体爆炸风险评估中。

[1]郭芳.排除城市地下“隐形炸弹”——重庆成功试点污水管网安全监控预警示范工程[J].中国经济周刊，2013(9)：71-74.

[2]包亮.城市下水道及化粪池可燃气体监控预警系统研制与应用[D].重庆:重庆大学，2009.

[3]彭述娟.山地城市污水管道气体爆炸风险评估及预警研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[4]刘仁龙，邱德彬，范兴，等.城市下水道内可燃气体爆炸安全阈值的研究[J].安全与环境学报，2013，13(1):220-223.

[5]杨泗霖.防灭火与防爆技术[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[6]张峤，邓贵仕.煤矿作业人员安全心理特性模糊综合评价方法研究[J].工业安全与环保，2015,41(6):69-72.

Risk Assessment of Gas Explosion in the Urban Sewer

FAN Xiaohua1,2DING Yunchao3

(1.SafetyEngineeringInstitute,ChongqingUniversityofScienceandTechnologyChongqing401331)

The risk of gas explosion in urban sewer is very large, so in this paper, the factors affecting the gas explosion in urban sewer are analyzed and the risk assessment model based on the fuzzy comprehensive evaluation method is established. The risk level (Ri) and its judgment of each factor are worked out, and the relative weight (Wi) of each factor is determined according to the two comparison method. Finally, the model is applied in the risk assessment of the gas explosion in a residential district sewage pipe, the result shows that the model is reasonable and the corresponding management strategies are put forward.

urban sewergas explosionrisk assessmentfuzzy comprehensive method

国家安全生产重大事故防治关键技术科技项目(2016GJ-C1-040)，重庆科技学院校内基金资助项目(ck2014z17)。

范小花，女，博士，主要从事企业安全评价及风险控制方面的研究。

2015-10-21)