天然气管道泄漏爆炸后果的定量分析

天然气管道泄漏爆炸后果的定量分析

张冀东

(包头市经纬安全技术咨询有限责任公司,内蒙古包头　014010)

摘　要:天然气管道泄露可能引发多种事故,其中爆炸可能引起人员伤亡,设备财产损失,后果严重。以蒸气云爆炸模型,对某段天然气管道泄漏发生爆炸的后果进行模拟,为天然气管道定性定量评价提供参考依据。

关键词:天然气管道;泄漏;蒸气云爆炸模型

中图分类号:T E973.9+

9 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)14—0066—02 随着天然气的广泛应用,管道工业的发展如火如荼,近几年“西气东输”等重大工程,更是凸显了天然气管道的重要性。与此同时,由于管龄增长、管道本质缺陷、管线腐蚀、管线附近违章施工等原因导致天然气管道破裂、泄漏事故时有发生,不仅造成资源浪费、环境污染,还可能造成引发火灾、爆炸等重大事故。本文以某段天然气管道为例以蒸气云爆炸事故模拟分析天然气管道泄漏后事故后果。

某段天然气管道管道长500km,直径为450mm,设计压力6.4MPa,工作压力4MPa,日输送量约为360万立方米。1　泄漏量计算

当管道发生泄漏的开口事规则的,而且裂口尺寸及泄漏物质的有关热力学、物理化学性质及参数已知时,可根据流体力学中油罐方程式计算泄漏量。当裂口不规则时,可采取等效尺寸代替。当遇到泄漏过程中压力变化等情况时,往往采用经营公式计算。根据管道泄漏模型,由于气体从裂口泄漏速度与其流动状态有关,因此计算泄漏量时首先要判断泄漏时气体流动属于音速还是亚音速,前者称为临界流,后者称为次临界流。

p o p [2k+1]k k-1

(1)p o p >[2k+1]

k k-1(2)

p ——管道内介质设计压力,Pa ;p =4MPa p 0——环境压力,Pa;p 0=0.101MPa

——气体的绝热指数,即比定压热容与比定容热容之比;=。

当式(1)成立时,气体流动属音速流动;式(2)成立时,气体流动属亚音速流动。

P 0

P

=0.1014=0.02525<[2

k+1

] 1.41.4-1=[

21.4+1

] 1.

4

1.4-1=0.528

因此管道中天然气泄漏时的气体流动属于音速

流动,气体泄漏速度为:

Q 0

=C d Ap

Mk RT [2k+1

]k+

1k-1

(3)

Q 0——泄漏速度,kg /s 。Cd ——气体泄漏系数,当裂口形状圆形时取1.00,三角形时取0.95,长方形时取0.90。

M ——天然气平均分子量;M=16.769——气体密度,kg/m 3

;标=0.717g/L =0.

717kg /m 3(标准状况下)

R ——气体常数,J/(mol ·K);R=8.315T ——气体温度,K;气体温度按常温度计算,取T =25℃=298K;

A ——裂口面积,m 2

;

泄漏事故规模通常划分为小型、中型、大型及特大型几个等级。本项目只考虑小型、中型和大型泄漏事故作为评价对象。

(1)小型泄漏事故:管路系统出现孔径为30mm 的泄漏孔,连续泄漏;

(2)中型泄漏事故:管路系统出现孔径为90mm 的泄漏孔,连续泄漏;

(3)大型泄露事故管路系统出现孔径为5的泄漏孔,连续泄漏;

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内蒙古石油化工 2012年第14期　

收稿日期k cp cv k 1.4:10mm :2012-04-22

因是圆孔泄漏,故气体泄漏系数Cd =1.00。2　蒸气云爆炸模型定量计算

蒸气云爆炸(Vapor Cloud Explosion,简称VCE)是一类经常发生、且后果十分严重的爆炸事故。采用T NT 当量法估计蒸气云爆炸的严重度,使用T NT 当量来描述事故爆炸的威力比较方便。如果某次事故造成的破坏状况与一定量TNT 爆炸造成的破坏状况相当,则称此次爆炸的威力为x kgT NT 当量。

用T NT 当量法来预测蒸气云爆炸严重度的原理:假定一定百分比的蒸气云参与了爆炸,对形成冲击波有实际贡献,并以TNT 当量来表示蒸气云爆炸的威力。用下式来估计蒸气云爆炸的T NT 当量WT NT 。

2.1　T NT 当量的计算

假设泄漏时间为10分钟,泄露出来的天然气全部参与了爆炸。

首先估算蒸气云爆炸的T NT 当量WT NT ,公式为:

W TNT =aW f Q f /Q TN T

a ——蒸气云的T NT 当量系数,取0.04;W f ——天然气爆炸燃烧掉的总质量,kg ;Wf =Q0t,t=10min=600s

Q f ——天然气的燃烧热,kJ /kg ;天然气的燃烧热值取889.5kJ/mol,即53044kJ/kg 。Q TNT ——TNT 的爆热,4520kJ/kg;

W TNT ——蒸气云的T NT 当量,kg 。2.2　爆炸的伤害分区

爆炸的伤害区域即为人员的伤害区域。为了估计爆炸所造成的人员死亡情况,一种简单但较为合理的预测程序是将危险源周围划分为死亡区、重伤区、轻伤区和安全区。根据人员因爆炸而伤亡概率的不同,将爆炸危险源周围由里向外依次划分。2.2.1　死亡区

死亡区内的人员如缺少防护,则被认为将无例外地蒙受严重伤害或死亡。其内径为零,外径记为R 0.5,表示外圆周处人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5,它与爆炸量间的关系按超压-冲量准则计算,由以下公式确定。

R 5=36×〔W T NT 〕

3　重伤区

重伤区内的人员如缺少防护,则绝大多数将遭受严重伤害,极少数人可能死亡或受轻伤。其内径九

十死亡半径R 0.5,外径记为Rd 0.5,表示该处人员因

冲击波作用耳膜破裂的概率为0.5,它要求的冲击波峰值超压为44000Pa 。这里应用超压准则,冲击波超压P 可按下式计算:

P =0.137Z -3+0.119Z -2+0.269Z -1

-0.019

其中:Z =R 〔p 0E

〕

1/3

R 为目标到爆源的水平距离,m ;p 0为环境压力,Pa 。2.2.3　轻伤区

轻伤区内的人员如缺少防护,则绝大多数人员将遭受轻微伤害,少数人将受重伤或平安无事,死亡的可能性极小。其内径为重伤区的外径R 0.5,外径为R0.01,它要求的冲击波峰值超压为17000Pa 。这里应用超压准则,计算公式同重伤区计算公式。2.2.4安全区

安全区内人员即使无防护,绝大多数人也不会受伤,死亡的概率几乎为零。安全区的内径为轻伤区的外径R0.01,外径为无穷大。2.3　计算结果

经计算后,结果见下表:

小型泄漏

中型泄漏大型泄漏泄漏速度Q 0(kg /s ) 1.03×10-3

9.31×10-3

2.59×10

-2

蒸气云的TNT 当量W TNT (kg)

0.29k g 2.6kg 0.73死亡区外径R 0.5(m )0.67 1.50 2.91重伤区外径R d 0.5(m ) 2.58 5.369.74轻伤区外径R 0.01(m )

4.60

9.56

17.35

3　结论

通过蒸气云爆炸模型对天然气管道不同开口泄漏情况进行模拟,可推算出不同情况下人员的伤亡半径。由于天然气管道出现泄漏后情况较为复杂,针对实际情况还应考虑风速等问题进行全面评估。

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　2012年第14期 张冀东　天然气管道泄漏爆炸后果的定量分析

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