天然气管道高后果区泄漏爆炸应急处置研究

2019-10-23马新文

安全、健康和环境 2019年9期

马新文

(中国石化中原油田消防支队，河南濮阳 457001)

我国目前有西气东输、川气东送等多条天然气长输管道，途经地貌多样，地质结构复杂，沿线常穿越地震、泥石流、滑坡、塌陷等灾害多发的高后果区，可能导致管道内天然气大量泄漏，一旦遇到明火，易造成着火爆炸等事故。因此，制定应急处置措施具有重要意义[1]。

1 基本概况

1.1 管道概况

选择某公司一段长输管线作为研究对象，该管线位于天水市秦州区华岐乡姚宋村辖区内，管线长129 km，高后果区20处，总长度20.5 km，外管径1 016 mm，管道壁厚15.3 mm，工作压力8.52 MPa，管道两侧200 m范围内有住户30户、150人，属II级高后果区，且交通不便。

1.2 救援队伍

该公司抢险救援力量主要依托天水市消防支队，一旦发生事故，天水消防支队能够快速行动，在最短时间内集结救援力量赶赴现场进行处置，抢险力量见表1。

表1 天水市消防支队力量 t

1.3 维抢修队伍

该公司管道维抢修力量主要有天水维抢修队、成县维抢修队，负责天水分公司所辖管线、工艺站场和截断阀室的抢修抢险工作，维抢修设备见表2。

表2 维抢修设备

2 风险分析及情景假设

2.1 风险辨识

第三方施工损伤、管道腐蚀穿孔和地质灾害(如：滑坡泥石流、地震等)均有可能引起管道泄漏。天然气输送管道压力大，密度小，泄漏后容易形成爆炸性蒸气云团，高压气体泄漏也会产生静电摩擦，极易引起爆炸、火灾，天然气输送管道泄漏位置一旦发生在人口密度较大的高后果区，将对当地群众生命财产造成巨大破坏[2]。

2.2 事故情景构建

设置情景为天然气长输管线，在高后果区内的天水输气站与18号阀室之间位置，因泥石流导致管道撕裂发生泄漏，并形成蒸气云团，遇明火产生爆炸、着火，附近房屋有不同程度损坏，且有人员受伤，风向为东南风，风速2 m/s。模拟泄漏位置见图1。

图1 模拟泄漏点

2.3 泄漏爆炸模型

根据情景假设和常年主导风向，建立泄漏爆炸模型。设泄漏点位于天水输气站与18号阀室之间，两截止阀之间管道长为20.5 km，管道外直径为1 016 mm，管道壁厚为15.3 mm，工作压力为8.52 MPa，管道内天然气温度为15.2 ℃，相对空气密度为0.55，爆炸极限为5%～15%。

空气密度通常取20 ℃时的值，即1.205 kg/m3。假设管道全断裂，断裂孔径约为0.985 m(即管道内径)，断裂面积为：3.14×0.4932=0.763 m2。管道内天然气密度为：0.55×1.205×85.2×20/15.2=74.3 kg/m3。管道内天然气总量为：20.5×1 000×0.763×74.3=1 162 164 kg。假设环境风速为2 m/s。

2.3.1爆炸超压计算

根据美国环保署有毒有害气体泄漏扩散区域模拟计算软件ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)和高斯模型[3]对泄漏扩散影响范围和热辐射影响范围进行计算，可以得到结果。

分别对泄漏30，60，90，120 s时的爆炸影响范围进行模拟计算，结果如图2所示。

图2 泄漏不同时长模拟结果

根据模拟计算结果，泄漏30，60，90，120 s时的爆炸影响范围如表3所示。

表3 不同泄漏时间的爆炸超压影响距离模拟计算结果对比 m

结果表明，中贵天然气输送干线姚宋村管段(18号阀室—天水输气站)，发生全管径断裂情况下，泄漏发生90 s时爆炸，超压影响相对较大，但爆炸超压不应超过20 kPa，否则会对人体产生伤害。

2.3.2泄漏时间计算

(1)

(2)

式中：Q0——气体泄漏率，kg/s；

Cd——气体泄漏系数；

A——泄漏面积，m2；

p——泄漏气体压力，Pa；

M——气体摩尔质量，kg/kmol；

k——气体常数；

gc——重力常数；

T——气体温度，K；

p0——外界压力，Pa；

R——气体状态常数，其值为8.314 Pa·m3/kg·mol·K。

根据管道实际数据，按照FLACS公司经验公式：

(3)

式中:mg——气体瞬时泄漏率， kg/s；

mog——初始泄漏率，kg/s；

w——管道内部初始气体质量，kg；

t——泄漏时间，s。

计算得最大泄漏速率为6 977 kg/s,泄漏速率变化结果见图3。

图3 泄漏速率变化情况

从图3中可以看出：泄漏速率从6 977 kg/s下降到0.1 kg/s大约需要30 min左右。

2.3.3热辐射影响计算

通过计算，当风速为2 m/s时，火焰最大长度111 m，最大热辐射强度影响范围见图4。

图4 最大热辐射强度影响范围

从图4的模拟计算结果可以看出：①热辐射不小于37.5 kW/m2，最大影响区域半径146 m；②热辐射不小于25 kW/m2，最大影响区域半径189 m；③热辐射不小于12.5 kW/m2，最大影响区域半径277 m；④热辐射不小于4 kW/m2，最大影响区域半径490 m。

不同辐射程度的危害参考表4。

根据模拟计算结果和表4表明，20 s后感觉疼痛的热辐射(4 kW/m2)最大影响半径为490 m，因此，指挥区、集结区、临时安置区应设置在这个范围以外。

3 现场处置及战斗编程

根据计算结果，可得到应急救援、搜救、维抢修所需力量，确定任务及战斗力量编程。

3.1 消防车数量计算

按照热辐射影响范围，在东南风风速为2 m/s的情况下，整个姚宋村在热辐射(≥4 kW/m2)影响半径490 m范围内的距离大约为:3.14×490×2×0.25≈769 m。

表4 热辐射的不同入射通量所造成的损失

按照每辆消防车负责100 m范围考虑，大约需要消防车数量为：769÷60≈8辆。

3.2 处置力量

埋地天然气长输管道发生泄漏后，如果没形成受限空间，遇火源可能会发生闪爆，当泄漏90 s时发生闪爆，爆炸超压影响较大，一般会低于20 kPa，但在2 m/s的风速下，闪爆后持续燃烧产生热辐射(≥4 kW/m2)影响半径将达到490 m。

发生爆炸事故后，管道内压力较大，气体会持续外泄并参与燃烧，作战主要任务为控制火势蔓延，对周边人群进行疏散、搜救，因此，救援力量应以消防、搜救、管道维抢修为主。

3.2.1战斗力量

考虑东南风情况下，姚宋村的主要区域将受辐射热的影响，村民需要疏散，并由消防车掩护，整个姚宋村在热辐射(≥4 kW/m2)影响半径490 m,影响范围边界跨度大约为769 m，见图5。按照每辆消防车负责100 m范围考虑，需消防车8辆。由于现场缺少可用水源，需调集载水量较大的消防车，主要选择载水量≥8 t的车辆，详细信息见表5。