长距离输气管道周围安全距离的研究

ａｔｉｏｎ ｉｎ ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｆｉｌｌｅｄ ｖｅｓｓｅｌｓ ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ， １９９２， （２８）：１７５－ １８５．
作 者 简 介 ： 王 菊 芬 （ １９７５－ ） ， 女 ， 浙 江 温 岭 人 ， 工 程 师 ， ２００６ 年毕业于重庆后勤工程学院油气储运工程专业， 博士， 主要研究方向为油流流动带电现象。 收稿日期： ２００６－ １０－ １８； 修回日期： ２００７－ １０－ ３１
最不利的气象条件下， 管道断裂时引起的火灾造成
室外个体暴露在热辐射下 ３０ ｓ 内死亡概率为 １％所
对应的人员离失效点的最小距离， 导致人员死亡概
率为 １％所对应的热辐射强度阈值， 同时也是造成
财 产 损 失 所 需 的 最 小 热 辐 射 强 度 值 （ １５ ｋＷ／ｍ２） 。
确定安全距离的目的是为了最大限度地避免或减轻
Ｉｃ— ——临界热辐射强度值／（ ｋＷ／ｍ２） ；
Ｑｐ— ——管道完全破裂时的泄漏率／（ ｋｇ／ｓ） 。
文 献 ［２］ 认 为 安 全 范 围 与 失 效 点 离 输 配 起 点
的距离有关， 该文首先推导出个体离火焰中心的临
界距离， 然后加上火焰长度的一半作为安全距离。
该方法在计算临界距离时采用的临界热辐射强度值
摘 要： 输气管道的失效会对管道周围的人员和建筑设施造成严重的威胁。为了尽量避免和减少 管道失效造成的生命和财产损失， 文章对长距离管道周围最佳安全范围的确定方法展开了研究。 以射流火灾的热辐射阈值为基础， 给出了安全距离的定义和计算公式。实例分析表明， 安全距离 与管道内径、操作压力、失效点离输配起点的距离直接相关。随着失效点离输配起点距离的增 加， 安全距离呈逐渐减小的趋势； 而随着操作压力或管径的增加， 安全距离明显增大， 相对而 言， 管道内径的变化对安全距离大小的影响更大。 关键词： 长输管道； 射流火焰； 安全距离 中图分类号： ＴＥ９７３．１ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００１－ ２２０６ （ ２００７） ０６－ ０００５－ ０３
为点燃木材所需最小热辐射强度阈值， 为 １５ ｋＷ／ｍ２，
可见该计算公式过低估计了射流火灾的危害。本文
结合式 （ ２） 和式 （ ３） ， 并参照射流火焰与目标位
置几何关系图 （ 图 １） ， 推导出个体或建筑物的安
全距离计算公式：
ｒｓｆ ＝
ＲＬ ２
ｓｉｎθ＋
２
#１
２
（ ＲＬｓｉｎθ） ２－
４（
ＲＬ ４
［２］ Ｊｏ Ｙ Ｄ， Ａｈｎ Ｂ Ｊ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈａｚａｒｄ ａｒｅａｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ － ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ ［Ｊ］． Ｊ Ｌｏｓｓ Ｐｒｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｄ， ２００２， １５： １７９－ １８８．
［３］ Ｓｋｌａｖｏｕｎｏｓ Ｓ， Ｒｉｇａｓ Ｆ． Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｖｉｃｉｎｉｔｙ ｏｆ ｆｕｅｌ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ［Ｊ］． Ｊ Ｌｏｓｓ Ｐｒｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｄ， ２００６， １９： ２４－ ３１．
［４］ 王大庆， 高惠临．天然气管线 泄 漏 射 流 火 焰 分 析［Ｊ］． 天 然 气 工 业， ２００６， ２６（１）： １３４－ １３７．
［５］ 董 玉 华 ， 周 敬 恩 ， 高 惠 临 ， 等． 长 输 管 道 稳 态 气 体 泄 漏 率 的 计 算 ［Ｊ］． 油气储运， ２００２， ２１（ ８） ： １１－ １５．
第 ３３ 卷第 ６ 期
王大庆等： 长距离输气管道周围安全距离的研究
参数， 然后利用式 （ ３） 和式 （ ４） 计算不同条件下 人员和建筑设施的安全距离。由此得到安全距离与 管内操作压力 Ｐ１、管道内径 Ｄ 以 及 失 效 点 离 输 配 起点距离 Ｌｅ 的关系， 如图 ２ 和图 ３ 所示。
○ Ｄ ＝ ０．１ ｍ ※ Ｄ ＝ ０．２ ｍ
############################################
［４］ Ｐａｚｄａ Ｒ Ｊ， Ｊｏｎｅｓ Ｔ Ｂ， Ｍａｔｓｕｂａｒａ Ｙ． Ｇｅｎｅｒａｌ ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ
［６］ Ｗ． 哈克布思． 多重网格方法［Ｍ］． 北京： 科学出版社， １９８８．
０ 引言 长距离输气管道作为一种经济、有效、环保的
运输手段已成为继铁路、公路、水路、航空运输以 后的第五大运输工具。但近些年世界各国输气管道 泄漏造成的火灾与爆炸事故也时有发生， 引起了公 众对工业建筑设施、居住区与管道之间的安全距离 问题的密切关注。为了尽可能地预防和减轻管道失 效后造成的影响， 世界各国投入了大量的精力。英 国健康与安全委员会曾制定了一系列政策法规， 用 于管道附近的土地规划、新设备的修建， 并提出了 安全距离的概念， 这一概念是根据管道失效时所产 生的后果分析得到的， 即在安全允许范围内， 人员 或建筑物距管道的最小距离。欧洲理事会指令 ９６／ ８２／ＥＥＣ 规定了危险性物质存储区与公共设施或居 民区之间应该保留适当的距离， 以减少潜在危险事 故对人员和财产造成的损失。而在荷兰， 每一个新 的土地使用计划， 如炼油厂、ＬＰＧ 存储设备、油气
安全距离与管径、操作压力的关系如图 ４ 所 示。当操作压力范围为 １ ～７ ＭＰａ 时， 管道内径为 ７００ ｍｍ 对应的安全距离变化范围最大 （ 即为 ３００ ～ ８３０ ｍ） ， 变化幅度为 ５３０ ｍ； 而管道内径由 １００ ｍｍ 增加到 ７２０ ｍｍ 时， 操作压力 ７ ＭＰａ 时对应的安全 距离变化范围达到最大， 由 ６５ ｍ 变化到 ８３０ ｍ， 变
输 送 管 道 的 铺 设 等 ， 都 必 须 根 据 ＳＥＶＥＳＯ 法 规 确 定该计划是否对附近的居民造成高的个体风险和社 会风险， 并规定这些土地的使用范围离居民区应该 保持一个最小的安全距离［１］。 １ 安全距离的定义
输气管道因某种原因发生失效泄漏， 若建筑物 离失效点较近， 喷射泄漏的天然气飘移到建筑物里 遇火源将引发蒸汽云爆炸现象； 若喷射泄漏的气体 未受阻碍并被立即点燃， 将形成持续的射流火灾。 因此， 爆炸的破坏作用和射流火灾的热辐射作用是 管 道 周 围 的 人 和 建 筑 设 施 的 主 要 危 害 来 源 ［２］。 雅 典 科技大学学者 Ｒｉｇａｓ 分别以泄漏气体的燃烧下限和 射流火灾热辐射阈值为基础得到二者在各自最不利 的气象条件 （风速、风向、大气稳定类别等） 下的 安全距离与泄漏孔径的关系曲线， 分析表明射流火 灾的安全距离在大气稳定类别为 Ａ 级时达到最大， 而根据气体燃烧极限下限得到的安全距离在大气稳
（ ２）
２
式中 Ｉ— ——火焰热辐射强度／（ ｋＷｒ— ——气体泄漏率／（ ｋｇ／ｓ） ； Ｈｃ— ——燃料燃烧热／（ ｋＪ／ｋｇ） ； τ— ——大气传导率；
ｄ— ——目标离焰心的距离／ｍ；
ＲＬ— ——火焰锥体长度／ｍ； θ— ——火焰倾斜角／（ °） ；
ψ— ——目标与管道的夹角／（ °） ；
［１］ Ｌａｈｅｊｉ Ｇ Ｍ Ｈ， Ｐｏｓｔ Ｊ Ｇ， Ａｌｅ Ｂ Ｊ Ｍ． Ｓｔａｎｄａｒｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｌａｎｄ－ ｕｓｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｓｏｃｉａｌ ｒｉｓｋ ［Ｊ］． Ｊ Ｈａｚａｒｄ Ｍａｔｅｒ， ２０００， ７１： ２６９－ ２８２．
压力 ７ ＭＰａ， 现 最 大 运 行 压 力 为 ５．５ ＭＰａ， 起 点 温 度为 ３００ Ｋ， 管道规格为 Ｄ７２０ ｍｍ ×８ ｍｍ。假定人 员 位 于 下 风 向 方 向 ， 高 度 为 １．５ ｍ。 根 据 文 献 ［５］ 提供的方法计算管道在断裂时气体的泄漏率， 采用 文 献 ［４］ 给 出 的 相 关 公 式 来 计 算 射 流 火 焰 的 几 何
ｒ— ——目标离失效点的距离／ｍ；
ｈ— ——目标高度／ｍ。
根据安全距离的定义， 为保守估计， 假定大气
传导率为 １， 射流火灾热辐射造成个体一度烧伤概
率为 １％ （ 暴露时间 ６０ ｓ） 时， 个体离焰心的距离
可由式 （ １） 推导得：
# ｄ′＝ ｆ Ｈｃ Ｑｐ ４πＩｃ
（ ３）
式中 ｄ′— ——目标离焰心的临界距离／ｍ；
操作压力 Ｐ１ ／ ＭＰａ 图 ４ 安全距离与管径、操作压力的关系
化的幅度达到 ７６５ ｍ。因此可以认为， 与管内操作 压力相比， 管道内径的变化对安全距离大小的影响 更大一些。 ４ 结论
通过对高压输气管道周围安全距离的研究， 给 出了安全距离的定义和计算公式。实例分析表明， 安全距离与管道内径、操作压力、失效点离输配起 点的距离直接相关。随着离输配起点距离的增加， 安全距离呈逐渐减小的趋势； 而随着操作压力或 管径的增加， 安全距离明显增大， 相对而言， 管道 内径的变化对安全距离大小的影响更大。根据上 述研究结果即可确定输气管道周围的个体和建筑 物的最佳距离， 从而确保人身安全， 避免和减少财 产损失。 参考文献：
管道事故造成的人员和财产的损失， 结合危险距离
的概念， 将安全距离定义为： 管道破裂时， 射流火
灾造成室外个体 暴 露 在 热 辐 射 下 ６０ ｓ 内 一 度 烧 伤
概率为 １％ （ 相应的临界热辐射强度为 １．５ ｋＷ／ｍ２）
所对应的个体或建筑设施离失效点的最佳距离。
２ 安全距离的计算
天然气管道泄漏形成的射流火焰可看作是稳态
７
Ｄ ＝ ０．３ ｍ
由图 ２ 可知， 安全距离随操作压力的增加而增 大。当离输配起点距离 ３０ ｋｍ 时， 输气压力 ５．５ ＭＰａ 对应的安全距离约为 ３８２ ｍ； 压力 Ｐ１ 增加到 ７．５ ＭＰａ 时， 安全距离也增加到 ４５０ ｍ。由图 ３ 可知， 随着 管径的增加， 安全距离呈明显增大的趋势， 例如在 Ｌｅ ＝ ２ ｋｍ， 管径为 ３００ ｍｍ 时， 安全距离约为２３８ｍ； 而管径为 ７００ ｍｍ 时， 安全距离达到了 ７０４ ｍ。此外， 由图 ２ 和图 ３ 均可发现， 随着失效点离输配起点距 离的增加， 安全距离呈减小的趋势， 先降低较快， 然后逐渐趋于平缓， 其原因在于管内压力减少的量 随着离输配起点距离的增加而逐渐减小。