基于定量風險評價的長油氣管道火災(zāi)風險研究

1、基于定量風險評價的長油氣管道火災(zāi)風險研究摘要隨著城市建設(shè)的發(fā)展和行業(yè)的需要，越來越多的長距離油氣管道在我國建成并投入使用。由于運輸期間的內(nèi)在和外在因素，會發(fā)生油氣的泄漏。如果油氣與空氣混合后的濃度達到了燃燒或爆炸的極限，一旦周邊存在點火源，就可能出現(xiàn)導致災(zāi)難或嚴重財產(chǎn)損失的火災(zāi)爆炸事故。因此，近些年油氣管道風險分析與評估的相關(guān)研究是安全工程領(lǐng)域關(guān)注的焦點。所以有必要進行火災(zāi)風險研究評估來保證長距離油氣管道安全。本文中，首先分析長距離油氣管道的風險特征，然后基于定量風險分析進行長距離油氣管道火災(zāi)風險研究。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）和個人風險等值線。對于

2、天然氣管道，死亡半徑是148.42米，3×10-7和1×10-6的個人風險等值線所涵蓋的區(qū)域不是高密度的居民區(qū)、高密度或高敏感區(qū)域的公眾聚集場所、重要目標和特殊高密度場所。天然氣管道的火災(zāi)風險是可以接受的。最后，本文提出了保證運輸安全的響應(yīng)預(yù)防控制措施。研究結(jié)果對于長距離油氣管道的風險評估和安全管理具有現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：火災(zāi)；長距離管道；個人風險；定量風險評價術(shù)語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點熱源的輻射通量（W）效率因素

3、Hc氣體燃燒熱L火焰長度（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，越來越多的油氣通過管道運輸，將來在中國將會廣泛使用。長距離管道已成為運輸油氣和其他化學物質(zhì)最安全高效的方式之一。但是油氣管道的泄漏也會在運輸過程中發(fā)生，由于天然氣管道可能會由于內(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到燃燒或爆炸極限，就有導致火災(zāi)爆炸事故的可能。根據(jù)對中國2000年以來大量油氣管道事故的統(tǒng)計。一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，人們的生活、周邊設(shè)施和建筑將會受到嚴重影響。比如

4、在我國，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，天然氣管道運輸?shù)娘L險研究對于保護人身安全和財產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實意義。因此，研究長距離油氣管道的風險以避免生命和財產(chǎn)的損失是很有意義的。油氣管道的風險分析和評估的相關(guān)研究是安全工程領(lǐng)域近幾年關(guān)注的焦點。提出了一些用來模擬油氣泄漏擴散和評估天然氣管道風險的模型，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。還有一些用來分析天然氣發(fā)生泄漏后擴散的軟件，比如PHAST。但對于油氣管道的風險管理，火災(zāi)事故的個人風險是很重要的。所以本文首先基于油氣管道風險分析建立火災(zāi)數(shù)學模型和油氣噴射火模型；油氣管道火災(zāi)事故的后果評估基于定量風險評估展開，應(yīng)用CSAATQRA軟件重新繪制影響區(qū)域和個人風險。此外，在文章的后面提出了一些建議。其結(jié)果對于油氣管道的風險評估和安全管理很有幫助。2.長距離油氣管道風險分析21影響區(qū)域分析長距離管道事故的影響區(qū)域是確定長距離油氣管道風險的重要因素。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)境污染或財產(chǎn)損失等。因此長距離管道的影響區(qū)域是一個距周邊指定的距離。由于長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源。當管道事故的所有危險點都是同一場景時，影響區(qū)域的管道兩側(cè)都可以被認為是一個以事故點為圓心的圓，影響半徑R是沿著管道移動的圓的半徑，可以大致認為是沿著管道或圓形區(qū)的矩形區(qū)域。因此越靠近管道，事故影響的風險越高。油氣管道的事故后果如圖1所示。 圖1長距離油氣管道事故影響區(qū)域圖2.2個人風險個體風險是衡量潛在生命損失和定量風險評估的關(guān)鍵量化指標。所謂的個人風險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、事故導致的個體死亡概率，即個體死亡率。通常以風險等值線的形式給出，通過與可接受風險標準的比較可以衡量個人風險的大小。在周邊人員、設(shè)施和環(huán)境中我國將長距離油氣管道的個人風險標準定義為其他重大危險源。在高密度住宅區(qū)（居民區(qū)、賓館、度假區(qū)等）和公共聚集場所（辦公室、商場、飯店、娛樂場所）可接受個人風險不能超過1×10-6/年。在高敏感區(qū)（學校、醫(yī)院、幼兒園、護理場所）、重要場所（聚會、政府組織、軍事管理區(qū)、文化文物保護單位）和特殊高密度場所（大型體育場館、大型交通樞紐）可接受個人風險不能超過3×10-7/年。··· 圖2個人風險等值線示意圖3.火災(zāi)后

8、果數(shù)學模型通常輸氣管道的火災(zāi)后果要比輸油管道嚴重。所以下面對氣體火災(zāi)后果數(shù)學模型進行探討。我們已經(jīng)認識到更嚴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，活性化學燃料的噴射火可能比烴類池火更嚴重。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被點燃，就會造成噴射火，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，如果液體泄漏出來就被點燃，就會發(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密度0在泄漏時立即達到環(huán)境氣體的密度，那么當量泄漏直徑Dep就相當于實

9、際泄漏直徑D0.氣體濃度C(x)可以由公式（2）導出，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到環(huán)境風速，這時氣體的運動將不再符合射流規(guī)律。因此，進行噴射火后果評估時，應(yīng)該計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，當氣體通過泄漏流動時，U0等于泄漏氣體速度。U0可由下面的公式（5）計算。U0=Q0Cd(D02)2 (5)在計算噴射火熱通量時，將其當做射流軸上一系列的點熱源，整個熱輻射通量可以用噴射擴散公式計算。熱源各點熱輻射通量的計算如公式（6）。q=Q0Hc (6)火焰長度等于射流軸上泄漏源到可燃混合氣體燃燒下限的距離。有時為了簡化計算，把射流軸的長度當做噴射火的火焰長度。噴射火的火焰長度可以由簡化的公式（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)熱輻射強度Ii表示沿噴射軸與一

11、些點熱源距離為x的位置的熱輻射強度，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處的熱輻射強度就是各個熱源在該點的輻射強度之和。I=nIi (9)在公式（9）中，n是所選的點熱源數(shù)量，通常為5.因此，不同傷害或損害標準下的對人的潛在影響區(qū)可以由上面的公式導出。4.案例研究基于上述火災(zāi)數(shù)學模型，可以獲得管道運輸?shù)奶烊粴庑孤┖蟮暮蠊麍D和個人風險等值線。本文中，以天然氣管道為例來研究油氣管道的火災(zāi)風險。天然氣管道的直徑為600mm；管道內(nèi)的壓力為10MPa。管道長度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)域分析和個人風險研究

12、的結(jié)果，基于QRA方法對天然氣管道火災(zāi)事故進行后果評估，使用CSAATQRA軟件繪制影響區(qū)域和個人風險等值線。在計算界面輸入所有的管道參數(shù)，可以得到影響區(qū)域和個人風險。火災(zāi)事故對人的影響區(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，個人風險等值線繪制在圖4中。黃線是3×10-7個人風險等值線，橘色線是1×10-6個人風險等值線。從圖4可以看出，兩條個人風險等值線所包圍的不是高密度的居民區(qū)、高密度公眾聚集場所或高敏感區(qū)、重點對象和高密度場所。所以，天然氣管道的火災(zāi)風險是可以接受的。圖4天然氣管道火災(zāi)事故的個人風險等值線

13、5.結(jié)論和建議通過上面的研究，本文可以得出下列結(jié)論。（1）在長距離油氣管道運輸中，一旦泄漏油氣與空氣的混合物被點火源點燃，就會發(fā)生火災(zāi)。在三種火災(zāi)事故中，更嚴重的是噴射火，無論是加壓還是壓力液化可燃材料。長距離油氣管道的火災(zāi)風險研究對于保證人員和財產(chǎn)安全具有重要的理論和實踐意義。（2）長距離管道事故的影響區(qū)域是確定長距離油氣管道風險的重要因素。影響半徑可分為死亡半徑和受傷半徑。因此，長距離管道的影響區(qū)域是與周邊特定的臨界距離。（3）長距離油氣管道的個人風險可接受標準在國內(nèi)被定義為重大危險源。在高密度的居民區(qū)和高密度的公眾聚集場所不能超過1×10-6/年。在高敏感區(qū)域、重要對象和特殊高密度場所，可接受個人風險不能超過3×10-7/年。（4）對于長距離油氣管道，CASSTQRA軟件可有效模擬影響區(qū)域和繪制個人風險等值線。機遇火災(zāi)數(shù)學模型和CASSTQRA軟件，以天然氣管道為例計算影響區(qū)域和個人風險。對于天然氣管道，死亡半徑為148.42米，3×10