２
第１８卷第１期００８年１月
中
Ｓａｆｅｔｙ
全科学
Ｓｃｉｅｎｃｅ
学报
Ｊｏｕｒｎａｌ
Ｖ０１．１８Ｎｏ．１
Ｃｈｉｎａ
Ｊａｎ．２００８
天然气输送管道泄漏事故危害定量分析＋
徐亚博钱新明教授
刘振翼
（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京１０００８１）
学科分类与代码：６２０．５０３０
中图分类号：Ｘ９３７文献标识码：Ａ
【摘要】
针对某天然气工程中高压输送管道可能发生的天然气泄漏的爆炸危险性进行分析。利
用质量流速模型计算出泄漏流量。根据泄漏流量和天然气的燃烧下限浓度，通过高斯扩散模式定量计算在大气为中性，风速为５ｍ／ｓ，且位于市区的条件下，天然气在大气中的轴向、径向和切向的扩散距离，从而计算该天然气一空气混合云团的体积。对该体积预混云团的爆炸危害进行评估，计算形成蒸气云爆炸的参数，并应用Ｍａｔｌａｂ软件计算出该管道泄漏引起蒸气云爆炸事故的个人风险曲线，其结果可为新管线的规划、建设及现有管线的调整提供决策依据。
安全管理
【关键词】天然气；管道；个人风险；社会风险；
Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ
（Ｓｔａｔｅ
ＲｉｓｋＡｎａｌｙｓｉｓ
ｏｎ
ｔｈｅＬｅａｋａｇｅｏｆＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄＮａｔｕｒａｌＧａｓＰｉｐｅｌｉｎｅ
ＸＵＹａ－ｂｏ
ＱＩＡＮＸｉｎ－ｍｉｎｇ，Ｐｒｏｆ，ＬＩＵ
１０００８
Ｚｈｅｎ－ｙｉ
ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｘｐｌｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１，Ｃｈｉｎａ）
Ｂｅｉｊｉｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｌｅａｋａｇｅｅｘｐｌｏｓｉｏｎｒｉｓｋｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｎａｔｕｒａｌｉｓ
ｇａｓ（ＣＮＧ）ｐｉｐｅｌｉｎｅ
ｕｎｄｅｒｈｉｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｌｅａｋａｇｅ
ｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｕｒｂａｎ
ｏｎ
ｆｌｏｗｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｍａｓｓｆｌｏｗｍｏｄｅｌ．ＢｙｕｓｉｎｇＧａｕｓｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ
ｍａｘｉｍｕｍｄｉｆｆｕｓｉｏｎｒａｎｇｅｓｉｎｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｎｅｕｒａｌｓｔｅａｄｙａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｗｉｔｈ５ｍ／
Ｓ
ａｒｅ
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ｃａｎ
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ｌａｔｅｄｂａｓｅｄ
ｌｅａｋａｇｅｆｌｏｗａｎｄｆｌａｍｍａｂｌｅｌｏｗｌｉｍｉｔｏｆｄｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｖａｐｏｒｃｌｏｕｄｅｘｐｌｏｓｉｏｎ
（ＶＣＥ）ａｒｅ
ｒｉｓｋｏｆ
ｃｕｒｖｅ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｅｖａｌｕａｔｉｎｇｔｈｅｅｘｐｌｏｓｉｏｎｈａｚａｒｄｏｆｔｈｅｍｉｘｅｄｃｌｏｕｄ．Ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ，ｔｈｅｉｎｄｉｖｉ
ｄｕａｌ
ｃａｕｓｅｄｂｙＶＣＥｄｕｅｔｏｐｉｐｅｈｎｅｌｅａｋａｇｅｉｓｅｓｔｉｍａｔｅｄｗｉｔｈＭａｔ
ｌａｂｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ
ｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄ
ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ
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ａｎｄ
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ｓｏｃｉｅｔａｌｒｉｓｋ；
ｓａｆｅｔｙ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：
ｎａｔｕｒａｌｇａｓ；ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｒｉｓｋ；ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
成天然气一空气预混气云，达到燃烧爆炸下限，如遇
０
引言
火源就可能发生火灾或爆轰，导致人员伤亡和严重
的财产损失¨一】。例如：１９７１年５月，四川威（远）
随着经济发展和人民生活水平的提高，城市和
工业用燃气日益广泛。天然气主要依靠管道系统输
一成（都）天然气管道由于腐蚀破裂而导致爆炸燃烧，造成２４人伤亡。１９８９年前苏联乌拉尔山发生的一次输气管道爆裂事故，损失非常惨重，造成了
１
送，管道在运行过程中可能受到多种因素侵扰，例如：内外腐蚀、机械撞击、第三方活动等，使得管线发生破裂。一旦发生泄漏时，天然气和空气混合将形
０２４人伤亡。
｝文章编号：１００３－３０３３（２００８）Ｏｌ一０１４６—０４；收稿１３期；２００７一１０—１６；修稿１３期：２００７—１２—３１
万方数据
第１期徐亚博等：天然气输送管道泄漏事故危害定量分析
・１４７・
泄漏的天然气，由于密度小于空气，不能在地在该基础上仅得到了由喷射火的热辐射引起的个人风险和社会风险值，对受限蒸气云爆炸的后果并未深入研究。迄今为止，未见管道失效引发受限蒸汽云爆炸所造成的风险情况的科技报道，鉴于发生蒸气云爆炸的严重后果，笔者在以往工作的基础上，对该问题作了初步研究。
面形成持续的蒸气云，所以发生闪火的可能性很小，非受限蒸气云爆炸所产生的超压可忽略不计，所以燃气管线的失效后果通常指喷射火的热辐射及
受限蒸气云爆炸所带来的伤害”ｏ（见图１）。韩国学者Ｙｏｕｎｇ—ＤｏＪｏ【６１在假设管内气体做一维稳态绝热流动的基础上，提出高压管道的简化泄漏率模型，并
图１天然气管道泄漏后果事故分析图
１管线的定量分析
１．１管线的失效概率
卜管道长度，ｍ。
１．２．２扩散范围计算
天然气从管道中泄漏时，可以当作零高度连续地面点源气体扩散。根据高斯扩散模型设泄漏点为坐标原点，取平均风速的顺风方向为搿轴正方向，Ｙ轴为侧风方向，垂直向上方向为彳轴正方向。则有
浓度分布公式【９］：
管线的失效概率妒定义为每年每单位长度管线
的失效次数，它随着环境而发生变化，欧洲数据评
估的管线失效率介于２．１×１０“与７．７×１０一之间ｏ７｜。管线应根据其本身的特点及周围环境不同而
划分为不同区段。管线失效概率通常由历史数据的估算得到，由于对因素的统计数据并不充分，所以它们对管线失效概率的影响很难定量。文中对于管
线失效概率取为５．７５Ｘ１０。４次／（年千米）。１．２管线的失效后果
出以加卫＂ｌ＇ｒＯ＇ｒＧｒ，ｕｅｘｐ（一ｚ二ｔｒ；茜）（２）式中，ｌｒ风速，ｍ／ｓ；
、
ｚ盯，，
盯，，吒１方向和的彳方向扩散参数；
菇，Ｙ，卜离开泄漏源的距离，ｍ。
笔者选用Ｐａｓｑｕｉｌｌ—Ｇｉｆｆｏｒｄ模型扩散系数方程¨０｜，在风速为５ｍ／ｓ，大气稳定条件为中性时，且位于市区时，Ｏ＇ｙ＝０．１６ｘ（１＋０．０００４ｘ）－０．５。Ｏ＂ｚ＝０．１４ｘ（１＋Ｏ．０００３ｘ）－０．５。
已知甲烷的燃烧下限浓度为５％（体积比），使
要计算天然气泄漏后，可燃气云造成的爆轰危
害，首先应算出其泄漏流量并根据天然气的燃烧下
限浓度用高斯扩散模型算出其扩散范围，从而确定发生危害的可燃气云的体积，进而计算出蒸气云中
对爆炸冲击波有实际贡献的燃料质量。１．２．１有效释放速率模型
用ｍａｔｌａｂ软件对燃气泄漏后的扩散模式进行模拟计算得到扩散体积秽。１．２．３蒸气云模型
蒸气云爆炸的能量常用ｒＩ＇ＮＴ当量描述，即将参
假定：①气体在管道内做一维稳态绝热流动（忽略气体与管道间的热交换）；②管道内天然气服从理想气体运动规律。当管道发生破裂时，认为有效泄
漏孔径等于管道直径，其质量流速为哺１
Ｑ＝ｏ．ｏ
１９９
与爆炸的可燃气体释放的能量折合为能释放相同能量的ＴＮｒＩ’炸药的量，以便于利用有关ＴＮＴ爆炸效应
的实验数据预测蒸气云爆炸效应。
ＸＰｏ×ｄ２ד瓦
（１）
式中，Ｑ——质量流量，ｋｇ／ｍ３；
Ｐ０——管道内运行压力；Ｐａ；
可燃气体的爆炸总能量Ｅ。冲击波超压△ｐ、伤
害几率Ｐ，和伤害百分数ｌ，的计算公式为
卜管道直径，ｍ；
万方数据
Ｅ。＝１．８ａＴＮＴ牡
（３）
中全科学学报
・１４８・
Ｃｈｉｎａ
Ｓａｆｅｔｙ
Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
第１８卷２００８年
△ｐ＝｛０．１３７［Ｒ（爱）们】－３＋ｏ．ｍ【尺（爱）∽】－２＋ｏ．２６９㈨［ｐ。ｏ，／们】－－１。舢）ｐ０
Ｐ，＝－６１．２＋６．９１Ｉｎ（△ｐ）
（４）
（５）２实例计算
ｙ＝去厂≯ｄｕ
（６）
式中，１．８——地面爆炸系数；
ａＴＮＴ——蒸气云的ＴＮＴ当量系数，一般取值为４％；
鸠—一蒸气云中对爆炸冲击波有实际贡献的
燃料质量，ｋｇ；
皿——燃料的燃烧热，Ｊ／ｋｇ。
Ｅ。——爆炸能量，Ｊ；
尺——目标到爆源的水平距离，ｍ；
卜无量纲距离；
△ｐ——目标处的超压值，Ｐａ；ｐｏ——环境压力，１０５Ｐａ；
ｙ．－一伤害百分数；
Ｐ，——伤害几率。
发生危害的可燃气云可分为两部分考虑【１１｜：①发生混合燃烧，形成火球体积为９０％一１００％；②不超过１０％的部分发生气相爆轰。通常把参加
爆轰的体积所占整个气云体积的百分数称为ＴＮＴ收率。由于爆轰的危害远大于混合燃烧，根据危害最大化原则，取ＴＮＴ收率为１０％进行危害评价。
取天然气的密度Ｐ＝０．６８ｋｇ／ｍ３，利用上步计算
出的扩散体积ｔ，（ｍ３），蒸气云中对爆炸冲击波有实
际贡献的燃料质量Ｍｙ＝０．１×０．０５×ｔ，×Ｐ＝０．００３４ｖ（ｋｇ）。
１．３个人风险
个人风险可通过求管线的失效概率与失效对特定地点造成的致死概率的乘积得到。由于失效位置和失效率的不确定性，评估管道的个人风险是非常复杂的。通过对可能影响特定点的管道的失效率与其产生后果的乘积进行积分得到，其公式为№１
厶
ＩＲ＝ｆｇｏＹｄＬ
（７）
１一
式中，妒——管道的失效率；
Ｌ一加压站到泄漏点的管道长度；
卜事故在特定点处引起个人死亡的概率
（在文中仅考虑死亡的情况，不考虑受
伤、财产损失环境的破坏）；
ｚ。——对特定点有影响的管道区域。
万
方数据列举一些假设的基本参数，进行实例计算，并对各步骤进行说明。２．１基本参数和假设
某高压天然气管道的参数为：内压５ＭＰａ，大气
压力０．１ＭＰａ；管道内径１
０００
ｍｌｎ。计算中作如下
假设：管道开裂导致天然气泄漏，裂口为圆形，直径为管径的直径；周围风速５ｍ／ｓ，大气稳定条件为中性；天然气一空气预混气的ＴＮＴ收率为１０％。２．２个人风险曲线
取天然气的燃烧热为５．５６×１０７Ｊ／ｋｇ，代入
只＝一６１．２＋６．９・ｈ（竿＋竿＋竿一・９００）
扪肼领２静到：
（８）
当伤害百分数ｌ，分别为９９％，５０％和１％，代入式（６）求得对应的伤害几率Ｐｒ分别为７．３３，５和２．６７，将结果代入式（８）计算出对应的Ｒ：
Ｒ９９＝５．９１
Ｒ５０＝７．３７
Ｒｌ＝９．２９
令ｉ＝｛兰，计算出对应９９％．１００％，５０％～
ｑＭ｜
９９％和１％一５０％伤害百分数的管道长度：
ｌ。∞一孵＝２河∥丽ｌ鲫一卯＝２洱【、厉万ｒ二矿一石百酮
ｌ卯一．＝２澜扫忑ｒ万一∥了闻
扣一０．９９７＼Ｙａ五５；争ａ
＼Ｙｄ哀０．９９３５；
ｓ
ａ夏
＼ａｉ
｝一０．４３９
．ｆｙｄ元
２
＼ａ夏
ＩＲ＝ＪｇｏＹｄＬ＝（０。９９７５×ｚｌ∞一妇＋０．９９３
５×
ｔ
ｋ一蜘＋０．４３９２×１５０一１）ｇｏ
第１期
徐亚博等：天然气输送管道泄漏事故危害定量分析
・１４９・
利用Ｍａｔｌａｂ软件计算并画出个人风险曲线的流程图如图２所示。
图２个人风险计算流程图
当所求点距管道的距离ｈ为５０
ｍ，７５
ｍ或
１００
ｍ时，利用上述流程图计算得到的个人风险曲线
如图３所示。
图３个人风险曲线
３结论
天然气管线泄漏发生蒸气云爆炸的后果非常严
重，定量风险分析对于控制燃气管线的风险非常重
要。通过上述计算，得到以下结论：
万
方数据１）当管线长度为１０
０００
ｍ时，距管线５０ｍ处
的个人风险值仍大于ｌ×１０。６次／年；当管线长度为
４５００
ｍ时，距管线７５ｍ处的的个人风险值小于
１×１０“次／年；当管线长度为１
４００
ｍ时，距管线
１００
ｍ处的的个人风险值小于于１×１０“次／年。
２）当采用１×１０。６次／年为可接受的个人风险标准时，应对不同的管线长度设置不同的安全距离。
当管线长度小于ｌ４００ｍ时，安全距离应大于１００ｍ；当管线长度大于４
５００
ｍ时，安全距离应大于７５
ｍ。
因此，管线的定量风险分析可为新管线的规划和建设及现有管线的调整提供决策支持。
３）天然气管道失效后果有多种，火灾与爆炸可能混合发生，具有较高的复杂性。笔者仅对爆炸所造成风险进行定量分析，今后将致力于对火灾与爆炸混合发生的情况进行定量分析。
参考文献
ｍ］
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嘲］
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ｗｉｔｌＩ
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