基于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的長(zhǎng)油氣管道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究

1、基于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的長(zhǎng)油氣管道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究摘要隨著城市建設(shè)的發(fā)展和行業(yè)的需要，越來(lái)越多的長(zhǎng)距離油氣管道在我國(guó)建成并投入使用。由于運(yùn)輸期間的內(nèi)在和外在因素，會(huì)發(fā)生油氣的泄漏。如果油氣與空氣混合后的濃度達(dá)到了燃燒或爆炸的極限，一旦周邊存在點(diǎn)火源，就可能出現(xiàn)導(dǎo)致災(zāi)難或嚴(yán)重財(cái)產(chǎn)損失的火災(zāi)爆炸事故。因此，近些年油氣管道風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估的相關(guān)研究是安全工程領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。所以有必要進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究評(píng)估來(lái)保證長(zhǎng)距離油氣管道安全。本文中，首先分析長(zhǎng)距離油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)特征，然后基于定量風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行長(zhǎng)距離油氣管道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究。以天然氣管道為例，基于CASSTQRA軟件繪制火災(zāi)影響區(qū)域（死亡半徑）和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線。對(duì)于

2、天然氣管道，死亡半徑是148.42米，3×10-7和1×10-6的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線所涵蓋的區(qū)域不是高密度的居民區(qū)、高密度或高敏感區(qū)域的公眾聚集場(chǎng)所、重要目標(biāo)和特殊高密度場(chǎng)所。天然氣管道的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的。最后，本文提出了保證運(yùn)輸安全的響應(yīng)預(yù)防控制措施。研究結(jié)果對(duì)于長(zhǎng)距離油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全管理具有現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：火災(zāi)；長(zhǎng)距離管道；個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)；定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)術(shù)語(yǔ)D0泄漏直徑（m）0泄漏氣體密度（Kg/m3）環(huán)境氣體密度（Kg/m3）C(x)氣體濃度（Kg/m3）b2分布參數(shù)y所選點(diǎn)到泄漏軸的距離（m）Q0泄漏氣體速度（Kg/s）Cd泄漏系數(shù)Q點(diǎn)熱源的輻射通量（W）效率因素

3、Hc氣體燃燒熱L火焰長(zhǎng)度（m）1 介紹作為一種清潔、高效、高質(zhì)量的已知能源，油氣被廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)、電力、城市燃料，和其他工業(yè)和民用領(lǐng)域。隨著城市建設(shè)和工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的油氣通過(guò)管道運(yùn)輸，將來(lái)在中國(guó)將會(huì)廣泛使用。長(zhǎng)距離管道已成為運(yùn)輸油氣和其他化學(xué)物質(zhì)最安全高效的方式之一。但是油氣管道的泄漏也會(huì)在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生，由于天然氣管道可能會(huì)由于內(nèi)部或外部因素發(fā)生破裂，如腐蝕、材料老化、質(zhì)量缺陷等等。如果天然氣與空氣形成的混合氣體的濃度達(dá)到燃燒或爆炸極限，就有導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故的可能。根據(jù)對(duì)中國(guó)2000年以來(lái)大量油氣管道事故的統(tǒng)計(jì)。一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，人們的生活、周邊設(shè)施和建筑將會(huì)受到嚴(yán)重影響。比如

4、在我國(guó)，2002年1月1日，一地下天然氣管道發(fā)生破裂，混合氣體發(fā)生爆炸。在事故的影響下，大慶市至少六人死亡；兩人重傷、兩人輕傷。2004年4月20日，淮南市的事故中，另一天然氣管道在維修期間爆炸，兩人死亡、一人重傷、六人輕傷。此外，在眾所周知的2013年11月22日青島輸油管道爆炸事故中有62人死亡、136人受傷。因此，天然氣管道運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)研究對(duì)于保護(hù)人身安全和財(cái)產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，研究長(zhǎng)距離油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)以避免生命和財(cái)產(chǎn)的損失是很有意義的。油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估的相關(guān)研究是安全工程領(lǐng)域近幾年關(guān)注的焦點(diǎn)。提出了一些用來(lái)模擬油氣泄漏擴(kuò)散和評(píng)估天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)的模型，比如QRA模型、U

5、DM模型、BM模型和FEM3模型，還有一些應(yīng)用于不同情況下的模型，比如化工設(shè)備、工藝管道等。還有一些用來(lái)分析天然氣發(fā)生泄漏后擴(kuò)散的軟件，比如PHAST。但對(duì)于油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)管理，火災(zāi)事故的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)是很重要的。所以本文首先基于油氣管道風(fēng)險(xiǎn)分析建立火災(zāi)數(shù)學(xué)模型和油氣噴射火模型；油氣管道火災(zāi)事故的后果評(píng)估基于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估展開，應(yīng)用CSAATQRA軟件重新繪制影響區(qū)域和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。此外，在文章的后面提出了一些建議。其結(jié)果對(duì)于油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全管理很有幫助。2.長(zhǎng)距離油氣管道風(fēng)險(xiǎn)分析21影響區(qū)域分析長(zhǎng)距離管道事故的影響區(qū)域是確定長(zhǎng)距離油氣管道風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。通常，受影響區(qū)域可分為死亡半徑和損傷半徑。

6、影響半徑為油氣管道泄漏事故的臨界距離，不期望發(fā)生死亡、環(huán)境污染或財(cái)產(chǎn)損失等。因此長(zhǎng)距離管道的影響區(qū)域是一個(gè)距周邊指定的距離。由于長(zhǎng)輸油管道事故可能在管道的任一位置發(fā)生，可以將其看作一系列危險(xiǎn)源。當(dāng)管道事故的所有危險(xiǎn)點(diǎn)都是同一場(chǎng)景時(shí)，影響區(qū)域的管道兩側(cè)都可以被認(rèn)為是一個(gè)以事故點(diǎn)為圓心的圓，影響半徑R是沿著管道移動(dòng)的圓的半徑，可以大致認(rèn)為是沿著管道或圓形區(qū)的矩形區(qū)域。因此越靠近管道，事故影響的風(fēng)險(xiǎn)越高。油氣管道的事故后果如圖1所示。 圖1長(zhǎng)距離油氣管道事故影響區(qū)域圖2.2個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)是衡量潛在生命損失和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵量化指標(biāo)。所謂的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)是指某一固定位置各種潛在的火災(zāi)、爆炸、毒性氣體泄漏

7、事故導(dǎo)致的個(gè)體死亡概率，即個(gè)體死亡率。通常以風(fēng)險(xiǎn)等值線的形式給出，通過(guò)與可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的比較可以衡量個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)的大小。在周邊人員、設(shè)施和環(huán)境中我國(guó)將長(zhǎng)距離油氣管道的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)定義為其他重大危險(xiǎn)源。在高密度住宅區(qū)（居民區(qū)、賓館、度假區(qū)等）和公共聚集場(chǎng)所（辦公室、商場(chǎng)、飯店、娛樂場(chǎng)所）可接受個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)不能超過(guò)1×10-6/年。在高敏感區(qū)（學(xué)校、醫(yī)院、幼兒園、護(hù)理場(chǎng)所）、重要場(chǎng)所（聚會(huì)、政府組織、軍事管理區(qū)、文化文物保護(hù)單位）和特殊高密度場(chǎng)所（大型體育場(chǎng)館、大型交通樞紐）可接受個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)不能超過(guò)3×10-7/年。··· 圖2個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線示意圖3.火災(zāi)后

8、果數(shù)學(xué)模型通常輸氣管道的火災(zāi)后果要比輸油管道嚴(yán)重。所以下面對(duì)氣體火災(zāi)后果數(shù)學(xué)模型進(jìn)行探討。我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到更嚴(yán)重的氣體管道事故是噴射火，不論是增壓或壓力液化可燃材料。尤其，活性化學(xué)燃料的噴射火可能比烴類池火更嚴(yán)重。泄漏的高壓天然氣將以射流的形式從泄漏管道噴出，如果泄漏氣體在溢出時(shí)被點(diǎn)燃，就會(huì)造成噴射火，外圍人員和建筑將被破壞。泄漏的高壓易燃材料可能形成射流，如果液體泄漏出來(lái)就被點(diǎn)燃，就會(huì)發(fā)生噴射火。噴射火模型建立如下。應(yīng)用噴射火等效直徑計(jì)算噴射火直徑。等效射流直徑可以由方程（1）得到。Deq=D00 (1)如果泄漏氣體在泄漏時(shí)密度0在泄漏時(shí)立即達(dá)到環(huán)境氣體的密度，那么當(dāng)量泄漏直徑Dep就相當(dāng)于實(shí)

9、際泄漏直徑D0.氣體濃度C(x)可以由公式（2）導(dǎo)出，其中X是噴射源沿噴射軸的距離。Cx=b1+b2 b10.32xDeq0+1- (2)在上面的公式中，b1和b2是分布參數(shù)。任意一點(diǎn)在噴射軸上投影的氣體濃度C(x,y)都可以由公式（3）得到，x為沿噴射軸的噴射源的距離。Cx,y=Cxe-b2yx2 (3)式中，C(x)為沿著噴射軸距離為x的氣體濃度。隨著與噴射源距離的增加，氣體速率逐漸降低直到達(dá)到環(huán)境風(fēng)速，這時(shí)氣體的運(yùn)動(dòng)將不再符合射流規(guī)律。因此，進(jìn)行噴射火后果評(píng)估時(shí)，應(yīng)該計(jì)算液化氣體的臨界速度和臨界濃度。假設(shè)沿射流軸距噴射源X米處的泄漏氣體速率是U(x)，見公式（4）。U(x)U0=0b14

10、1.32xDeq0=1-(Deqx)2 (4)其中，U0是噴射流的初始速度，當(dāng)氣體通過(guò)泄漏流動(dòng)時(shí)，U0等于泄漏氣體速度。U0可由下面的公式（5）計(jì)算。U0=Q0Cd(D02)2 (5)在計(jì)算噴射火熱通量時(shí)，將其當(dāng)做射流軸上一系列的點(diǎn)熱源，整個(gè)熱輻射通量可以用噴射擴(kuò)散公式計(jì)算。熱源各點(diǎn)熱輻射通量的計(jì)算如公式（6）。q=Q0Hc (6)火焰長(zhǎng)度等于射流軸上泄漏源到可燃混合氣體燃燒下限的距離。有時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，把射流軸的長(zhǎng)度當(dāng)做噴射火的火焰長(zhǎng)度。噴射火的火焰長(zhǎng)度可以由簡(jiǎn)化的公式（7）得到。其中，參數(shù)L表示火焰高度，單位為米。L=(HcQ0)0.444161.66 (7)熱輻射強(qiáng)度Ii表示沿噴射軸與一

11、些點(diǎn)熱源距離為x的位置的熱輻射強(qiáng)度，可由公式（8）得到。參數(shù)代表輻射率，其值為0.2。Ii=q4x2 (8)那么在x處的熱輻射強(qiáng)度就是各個(gè)熱源在該點(diǎn)的輻射強(qiáng)度之和。I=nIi (9)在公式（9）中，n是所選的點(diǎn)熱源數(shù)量，通常為5.因此，不同傷害或損害標(biāo)準(zhǔn)下的對(duì)人的潛在影響區(qū)可以由上面的公式導(dǎo)出。4.案例研究基于上述火災(zāi)數(shù)學(xué)模型，可以獲得管道運(yùn)輸?shù)奶烊粴庑孤┖蟮暮蠊麍D和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線。本文中，以天然氣管道為例來(lái)研究油氣管道的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。天然氣管道的直徑為600mm；管道內(nèi)的壓力為10MPa。管道長(zhǎng)度5Km。假設(shè)發(fā)生瞬間完全破裂，并且在操作期間由于某種原因發(fā)生火災(zāi)事故。根據(jù)影響區(qū)域分析和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)研究

12、的結(jié)果，基于QRA方法對(duì)天然氣管道火災(zāi)事故進(jìn)行后果評(píng)估，使用CSAATQRA軟件繪制影響區(qū)域和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線。在計(jì)算界面輸入所有的管道參數(shù)，可以得到影響區(qū)域和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。火災(zāi)事故對(duì)人的影響區(qū)域如圖3所示。紅線區(qū)域是人的影響區(qū)域，死亡半徑為148.42米。圖3天然氣管道射流火災(zāi)的后果模擬然后，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線繪制在圖4中。黃線是3×10-7個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線，橘色線是1×10-6個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線。從圖4可以看出，兩條個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線所包圍的不是高密度的居民區(qū)、高密度公眾聚集場(chǎng)所或高敏感區(qū)、重點(diǎn)對(duì)象和高密度場(chǎng)所。所以，天然氣管道的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)是可以接受的。圖4天然氣管道火災(zāi)事故的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線

13、5.結(jié)論和建議通過(guò)上面的研究，本文可以得出下列結(jié)論。（1）在長(zhǎng)距離油氣管道運(yùn)輸中，一旦泄漏油氣與空氣的混合物被點(diǎn)火源點(diǎn)燃，就會(huì)發(fā)生火災(zāi)。在三種火災(zāi)事故中，更嚴(yán)重的是噴射火，無(wú)論是加壓還是壓力液化可燃材料。長(zhǎng)距離油氣管道的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究對(duì)于保證人員和財(cái)產(chǎn)安全具有重要的理論和實(shí)踐意義。（2）長(zhǎng)距離管道事故的影響區(qū)域是確定長(zhǎng)距離油氣管道風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。影響半徑可分為死亡半徑和受傷半徑。因此，長(zhǎng)距離管道的影響區(qū)域是與周邊特定的臨界距離。（3）長(zhǎng)距離油氣管道的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)被定義為重大危險(xiǎn)源。在高密度的居民區(qū)和高密度的公眾聚集場(chǎng)所不能超過(guò)1×10-6/年。在高敏感區(qū)域、重要對(duì)象和特殊高密度場(chǎng)所，可接受個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)不能超過(guò)3×10-7/年。（4）對(duì)于長(zhǎng)距離油氣管道，CASSTQRA軟件可有效模擬影響區(qū)域和繪制個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線。機(jī)遇火災(zāi)數(shù)學(xué)模型和CASSTQRA軟件，以天然氣管道為例計(jì)算影響區(qū)域和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于天然氣管道，死亡半徑為148.42米，3×10