?????? 摘要：論述了城市埋地天然氣管道泄漏事故的原因和后果。建立了火災危險區(qū)域計算關系式，結合北京市近年來典型的管道事故，對事故后果的主要影響因素(管道運行壓力、管道破損面積等)進行了定量分析?；馂奈ｋU區(qū)域半徑大于城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范中規(guī)定的管道距建筑物的最小距離，管道運營公司應當加強與公眾及第三方施工單位的聯(lián)系，降低管道泄漏及火災風險。

?????? 關鍵詞：天然氣管道；事故；泄漏后果；風險評價；火災危險區(qū)域預測；安全管理

??? 隨著我國燃氣事業(yè)的快速發(fā)展，燃氣管網的管理水平亟待提高。導致事故的原因和事故后果的定量分析對于降低管網運行風險，保證人民生命財產安全具有重要意義^[1]。世界上的現(xiàn)代化大都市的城市燃氣幾乎都經歷了從人工煤氣到天然氣這一發(fā)展過程。2006年，北京市結束了近50年人工煤氣的歷史，實現(xiàn)管網全天然氣化。北京燃氣事業(yè)經過50年的發(fā)展歷程，特別是1997年陜甘寧天然氣進京后，城市燃氣已具有相當大的規(guī)模，現(xiàn)有360×10⁴戶用戶、約11000km管網、55×10⁸m³/a供應量、5級壓力級制。表1為北京市天然氣管網管長與壓力概況。本文結合北京市的管網特點和所發(fā)生的管道事故開展火災危險預測，對火災危險進行定量化研究，為管網風險評價提供參考。

??? 管道風險是事故發(fā)生概率和事故后果的函數(shù)^[2、3]，火災危險預測應當首先分析導致事故的原因。根據(jù)初步統(tǒng)計，2007年北京市燃氣突發(fā)事故約102起。其原因分類見表2^[4]。從表2可知，造成城市燃氣事故的主要原因是外力破壞。

表2 2007年北京市燃氣事故原因分類統(tǒng)計^[4]??? 起

??? 美國和歐洲的安全工程師利用風險評價的方法對天然氣管道泄漏事故后果做了大量定量分析和統(tǒng)計，形成了具有統(tǒng)計學意義的參考數(shù)據(jù)。根據(jù)燃氣泄漏后的各種表現(xiàn)形式，可以確定出具有普遍性的危險發(fā)生模式。下面以燃氣泄漏后的各種表現(xiàn)形式為出發(fā)點，根據(jù)危害發(fā)生機理建立相應的事故后果計算關系式。

???美國石油學會(American Petroleum Institute)的相關資料提供了燃氣發(fā)生泄漏后各種表現(xiàn)形式的概率^[5]，研究者可以根據(jù)不同情況對其進行一定的修正。燃氣持續(xù)性泄漏后發(fā)生安全排放、噴射火焰、閃火、蒸氣云爆炸的概率分別為0.8、0.1、0.06、0.04^[5]。

??? 噴射火焰(Jet Fire)是指氣體從裂口噴出后立即燃燒，如同火焰噴射器。閃火(Flash Fire)是指泄漏的可燃氣體在空氣中擴散后發(fā)生的滯后燃燒，不產生沖擊波破壞^[6]。蒸氣云爆炸是指蒸氣云團的可燃混合氣體遇火源突然燃燒，是在無限空間中的氣體爆炸。

???天然氣發(fā)生泄漏后，如果立即點燃，此時天然氣還沒有和空氣充分混合，點燃發(fā)生在外層，而內層的燃氣因為濃度太高不能被點燃。因為天然氣的密度小于空氣，氣云的浮力起主導作用，所以燃燒的氣云向上抬升并變成球形，進而促進天然氣與空氣混合形成持續(xù)的火災。短時間上升和膨脹的火球最后發(fā)展為穩(wěn)定的噴射火焰，其產生的熱輻射會對在場人員造成傷害^[7]。

??? 美國、歐洲和加拿大的研究機構建立了相應的管道事故數(shù)據(jù)庫，以進行現(xiàn)役管道的安全評價，減少事故發(fā)生的可能性。歐洲燃氣管道事故數(shù)據(jù)庫(European Gas pipeline Incident Data Group，EGIG)的統(tǒng)計方法是根據(jù)以下泄漏的尺寸將管道破損進行分類記錄^[8]：

??? ① 微孔(或裂紋)：缺陷直徑≤2cm。

??? ② 孔洞：2cm＜缺陷直徑≤管道直徑。

??? ③ 斷裂：缺陷直徑＞管道直徑。

??? 歐洲燃氣管道1970年—2007年間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，第三方破壞造成的各種破損形式的比例分別為：微孔或裂紋(Pinhole/crack)27%，孔洞(Hole)55%，斷裂(Rupture)18%。第三方破壞造成的管道破損以孔洞為主。

天然氣泄漏導致的風險與泄漏速率密切相關，氣態(tài)燃氣泄漏量可從伯努利方程推導得到，燃氣泄漏的質量流量與其流動狀態(tài)有關。當滿足式(1)的條件時，氣體流動屬于聲速流動，燃氣的泄漏速率(以質量流量計)用式(2)計算^[9]。

?

式中p₀——環(huán)境絕對壓力，Pa

??? p——容器內介質絕對壓力，Pa

??? κ——燃氣等熵指數(shù)，甲烷取1.29

??? q_m——燃氣泄漏速率(質量流量)，kg/s

??? C_dg——氣體泄漏系數(shù)，與泄漏口形狀有關，見表3

??? A——泄漏口的面積，m²

??? M——燃氣的摩爾質量，甲烷為0.016kg/mol

??? R——摩爾氣體常數(shù)，取8.314J/(mol·K)

??? T——氣體溫度，K，取288K

??? 當滿足式(3)時，氣體流動屬于亞聲速流動，燃氣泄漏速率用式(4)計算^[9]。

?

??? 燃氣燃燒過程中火焰表面在高溫下向外部空間發(fā)射輻射能。彼德森(Pietersen)提出用以下模型來觀測熱輻射對人員的傷害^[10]。在場人員暴露在熱輻射之下受到傷害的概率與暴露時間和熱輻射通量有關。

???① 彼德森模型^[10]

?

式中P——人員傷害概率

??? t——人員暴露時間，s

??? q——人體接收到的熱輻射通量，W/m²

人員傷害概率與死亡百分數(shù)的關系為^[11、12]：

?

式中D——死亡百分數(shù)

??? u——積分變量

??? 死亡百分數(shù)D通過式(6)與個體受到傷害的概率P關聯(lián)^[11]。式(6)表示概率密度與概率分布函數(shù)的關系，個體受到傷害的概率P是死亡百分數(shù)D的度量，它們的數(shù)值對應關系可以方便地利用標準正態(tài)分布表查得。當P=2.67時，D=1%；P=5.00時，D=50%；P=8.06時，D=99.9%^[11、13]。