城市燃气管道事故综合风险评价

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 本文受到国家自然科学基金项目(编号:50704041)、 重庆市教委科技项目(编号: KJ060408)和重庆交通大学博士科研 基金启动项目联合资助。 作者简介:张甫仁,1975年生,副教授,工学博士;主要从事燃气输配、 室内环境与建筑节能、 室内环境等方面的研究工作。 地址:(400074)重庆市南岸区学府大道66号重庆交通大学机电与汽车工程学院。电话: (023) 60996106 E2 mail :zh_feixue 163. com 城市燃气管道事故综合风险评价 3 张甫仁1 ,2 邓盼盼1 曾小燕1 1.重庆交通大学机电与汽车工程学院 2.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室 张甫仁等.城市燃气管道事故综合风险评价.天然气工业,2009 ,29(2) :982101. 摘 要 为确定城市燃气管道分布的合理性,对事故及事故安全隐患进行分析,提出了基于降灾因子的事故 概率综合风险评价方法。通过分析燃气管道非稳态泄漏过程及非稳态泄漏率不定常的特点,以湍流扩散微分方程 为基础,研究了多态参数动态非定常泄漏及动态扩散计算数学模型,并运用格林函数得出了其相应经验解析公式; 分析了基于燃气抬升性条件下的燃气泄漏火灾爆炸事故的概率伤亡风险模型;以实际案例为基础,获得了其管线 最大风险下的最小个体安全距离及最大社会风险曲线。 关键词 天然气管道 风险 评价 模型 失效 热辐射 冲击波 DOI:10. 3787/ j.issn. 100020976. 2009. 02. 028 目前对城市燃气管线进行的风险评价研究往往 单纯从事故概率或危害后果出发来进行分析,鲜有 考虑降灾因素到事故风险的分析中,燃气事故泄漏 扩散模型在处理非定常泄漏的泄漏率及扩散方面还 存在不足。同时,由于城市燃气管道一般都埋藏在 地下,此时的火灾情况与现有国内外研究的喷射火 焰和池火灾的情况都是有区别的,也与国内外研究 的储罐泄漏球火灾情况不同。 1 事故风险及评价模型建立 1. 1 燃气管道风险评价综合模型 根据上述分析,当事故发生时,事故所造成的危 险性不仅与事故本身的危险性有关,还与救灾系统 及预警系统的完善度、 抗灾能力的大小等降灾因素 有着密切的关系。因此,提出如下个体风险综合评 价模型: RP,s( x , y) = fsvses(1 - h) (1) 式中:RP,s( x , y)为燃气事故在空间位置( x , y)处所 产生的第s个情景事故,即泄漏火灾和爆炸事故所 造成的个体危险性;fs为第s个情景事故发生的模 糊概率值;vs为第s个情景事故发生时在( x , y)处所 产生的伤亡可能性,即概率值;es为第s个情景故事 发生时的环境因素对事故的影响因子;h为考虑救 灾系统的完善度、 应急能力、 救护距离等因素在内的 降灾因子,该值主要取决于救护系统的完善度,一般 取值为0. 10. 3。 区域风险评价不仅关心事故发生时的个体风 险,更关心社会风险的大小。而社会风险与个体风 险存在较大的异同,因为社会风险与区域内人和物 的密度有着极大的关系,如果区域内没有人和财物, 则无论个体风险有多高,将不存在任何社会风险。 对社会风险分析如下: RN,s( x , y) = RN,s( x , y)P(2) 式中:RN ,s( x , y)为燃气事故在空间位置( x , y)处所 产生的第s个情景事故,即泄漏火灾和爆炸事故所 造成的社会风险;P为区域内空间位置(x , y)处人口 密度值。 区域社区风险值的计算需要根据不同个体风险 条件下进行累加生成计算。 1. 2 燃气管道失效及火灾爆炸事故概率分析 1. 2. 1 燃气管道失效概率 管道的失效概率定义为单位长度管道单位时间 的失效次数1。燃气管道失效是一个受许多因素共 同作用下的结果,它随着环境和时间的不同而发生 89 储运与集输工程 天 然 气 工 业 2009年2月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 变化,不是一个确定值。在我国也有许多学者尝试 了多种方法来进行其事故概率的确定,但由于我国 目前在燃气事故统计数据还不充分,其所得概率值 可靠度相对较低。据欧洲数据评估的管线失效率为 2. 110 - 47. 7 10 - 4 2 ,同时,根据文献3 ,管道 总体失效概率值约为5. 7510 - 4 。因此,笔者取管 道事故失效概率值为5. 7510 - 4 。 1. 2. 2 燃气泄漏火灾爆炸事故概率 燃气持续性泄漏后发生安全排放、 喷射火焰、 闪 火、 蒸气云爆炸的概率分别为: 0. 8、0. 1、0. 06、 0. 044。另据欧洲相关事故统计,燃气管道泄漏规 模与火灾可能性的关系如表1所示526。 表1 19701992年欧洲输气管道泄漏规模与 火灾可能性的关系表 泄漏孔径(mm)事故可能性( %) 针孔/裂缝(小于或等于 20) 2. 7 孔洞 (20 管径)1. 9 破裂(管径小于或等于406)9. 9 破裂(管径大于406)23. 5 1. 3 泄漏扩散综合模型 1. 3. 1 动态泄漏率计算模型 当气源切断后,管内仍存有一定体积的气体,由 质量守恒方程可以得到此时动态泄漏率Qm( t)的 表达式: Qm(t) = - VPd (t) dt (3) 式中:Vp为管道体积,m3;为密度,kg/ m3;t为时 间,s。 根据临界流质量泄漏率(Qh)计算关系式7: Qh= CP2Ah M ZR T2 2 +1 +1 -1 (4) 亚临界流时的质量泄漏率计算关系式为7: Qh= Cp2Ah 2M ZR T2 -1 pa p2 2 - pa p2 +1 (5) 式中:C为泄漏系数;p2为泄漏处中心点压力,Pa ; Ah为泄漏孔面积,m2;M为燃气分子量,kg/ kmol ;Z 为压缩因子;R为通用气体常数;T2为泄漏处中心 点温度,;为绝热指数;pa为大气压力,Pa。 临界判别标准由临界压力比值(CPR)确定728: CPR = pa pc = 2 +1 -1 (6) 式中: ;pc为临界压力,Pa。 此时动态压力的计算则成为准确判断泄漏状态 的关键。根据文献8、9 ,对其关系式进一步推导, 可得到如下有关p、T的一阶常微分方程关系式: dp dt = - -1p 0,sub (-1 )/ (-1 ) Q m0,sub m0,sub p1 / p p0,sub (-2 )/ 1 T0,sub p p0,sub (-1 ) / - pa p0,sub (-1 ) / 1/2 1- pa p0,sub (-1 ) / -1/2 (7) 式中:sub代表亚临界流的初始值。 利用四阶龙格库塔法对上述方程进行求解,可 以分别得到各个时刻所对应p、T值,将p、T值分别 带入泄漏公式(6) ,即可求得相应时刻的泄漏率 (Qm0 ,sub)。 1. 3. 2 燃气泄漏的扩散模型 燃气泄漏情况根据管道位置的不同,可以分为 地表管道泄漏扩散和地下管道泄漏扩散。但燃气向 空间的扩散均是通过孔洞向大气中,由此,可以得到 如图1所示的无风情况下的泄漏扩散示意图。 图1 无风条件下微元泄漏气团膨胀过程示意图 1. 3. 2. 1 地表管道泄漏扩散模型 城市燃气管道燃气发生泄漏后,扩散的情况相 对较为复杂。如果在地上,则其扩散情况可以根据 动态泄漏率不定常的特点,以气体动力学理论和湍 流扩散微分方程为基础,结合相应的初始条件和边 界条件,利用格林函数进行推导,可得连续泄漏源扩 散模型格林函数,并进一步推导可得其浓度积分表 达式。(由于公式8的推导过程占用篇幅较大,限于 篇幅,在此不予给出。) c( x , y , z , t) = t 0 Q(t - t) 8 3 (t - t) KxKyKz 1/2 exp - x - u(t - t ) 2 4Kx(t - t) exp - y - v(t - t ) 2 4Ky(t - t) exp - z - w (t - t ) - H2 4Kx(t - t) + exp - z - w (t - t) + H2 4Kx(t - t) dt= t 0 Q(t - t) (2) 3/2 xyz exp - x - u(t - t ) 2 2x 2 99 第29卷第2期 天 然 气 工 业 储运与集输工程 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. exp - y - v(t - t ) 2 2y 2 exp - z - w (t - t ) - H2 2z 2 + exp - z - w (t - t) + H2 2z 2 dt(8) 式中:t 为燃气开始放出时间,t为开始计算时间。 对非连续源动态泄漏扩散模型计算式修正为: c( x , y , z , t, t ) = t 0 Q(t) (2) 3/2 xyz exp - x - u(t - t ) 2 2x2 exp - y - v(t - t ) 2 2y2 exp - z - w (t - t ) - H2 2z 2 + exp - z - w (t - t) + H2 2z 2 dt(9) 当泄漏率Q是时间的规则函数时,可以直接利 用上式进行计算;而对非连续源泄漏,为避免积分过 程中的不可积性,此时以分段求和法(分段积分法) 来进行求解。令: CM (t,t j ) = Q(tj) (2) 3/2 xyz exp - x - u(t - tj ) 2 2x2 exp - y - v(t - tj ) 2 2y 2 exp - z - w (t - tj ) - H2 2z 2 + exp - ( z - w (t - tj) + H) 2 2z 2 (10) 当泄漏为地面点源泄漏时,则令上述各式中的 H= 0 ,所得各式就为地面源泄漏模型。 1. 3. 2. 2 埋地管道泄漏扩散模型 当管道不在地表而是埋藏在地下,由于泄漏后 的气体向地表扩散的方式存在多种多样的可能性, 情况显得非常复杂。但无论其通过大小孔洞还是通 过地表裂缝向空间扩散,其扩散模型仍然可以采用 式(10)来进行计算,只是泄漏量的计算以地下聚集 的气源量为准。 1. 4 火灾热辐射伤亡风险 城市燃气管道燃气发生泄漏后,发生火灾的情 况相对较为复杂。一般情况下,泄漏事故发生后,形 成弥漫相当大空间的云状可燃性气体混合物时,如 可燃蒸气云被点燃,则将会发生火灾。从图1并结 合目前研究的火灾模型来看,管道燃气泄漏可能形 成闪火、 未充分扩散(可近似视为半球火灾)或喷射 火焰3种情况。但此时,由于燃气密度低,火焰团具 有抬升性,火灾情况与现有国内外研究的喷射火焰 和池火灾的情况是有区别的,也与国内外研究的静 态储罐泄漏球火灾存在区别。它是动态的,因而其 相关参数的计算需要给予修正。 根据文献4 、10 可知,闪火和火球的伤害热 辐射的计算公式为: I = QH 4r2 (11) 喷射火焰热辐射计算公式为: I = Q Hc 4r2 (12) 式中:I表示入射辐射量;Q表示燃气的热值,其中闪 火用低热值来计算,而火球和喷射火焰用高热值来 进行计算;表示热传导系数;r表示伤害半径; 表 示效率因子。 上述各式中,r的计算需要根据有无风的影响和 燃气相对抬升情况给予修正,即此时的r值应当是 在风和抬升情况综合作用下的火团中心点到计算目 标点的距离值,而非水平距离值。 根据热辐射伤害Pietersen模型9及考虑相关 参数的取值,燃气火灾致死率表达式为1: Pr=17.73+3.4ln (Qr -2) (13) 1. 5 爆炸冲击波伤亡风险 由于爆炸冲击波的超压冲量确定的基本原理相 同,只是在相关参数的确定上存在一定的差异,同 时,由于目前对气体爆炸事故冲击波超压与冲量计 算的研究还处于很不完善的阶段,还没有可靠通用 的计算公式7。将借助于其他相关爆炸事故冲击波 的研究来确定天然气爆炸事故冲击波超压与冲量。 由于对不同伤害距离的计算所选用的准则不同,故 此,将分别讨论其适用的计算公式,即对于死亡距离 计算的超压、 冲量的计算式与重伤、 轻伤距离的计算 式将依据选择标准来选用相应的计算公式。 气体爆炸事故冲击波参数为9: ln ( p s/ p0 ) = 0.912 6-1.505 8 ln ( R ) + 0.167 5ln2 ( R ) - 0.032ln3 ( R )(14) ln (i s/ E0 1/3) = - 1.566 6-0.897 8ln ( R ) - 0.009 6ln2 ( R ) - 0.032 3ln3 ( R )(15) 式中:ps为冲击波正向最大超压,p0为大气压力,is 为冲击波正向冲量,E0为爆源总能量,R 为无量纲 距离。其中: E0= WQC(16) R= R( E0/ p0) -1/3 (17) 式中:W为气体中对爆炸冲击波有实际贡献的燃料 质量,QC为燃料的燃烧热,R为目标到气体中心的 001 储运与集输工程 天 然 气 工 业 2009年2月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 距离,即到爆源中心的距离。 头部撞击致死概率公式9: Pr=5.0-8.49ln2.43103/ ps+4108/ (psis ) (18) 式中:Pr为概率单位,取整数,如50 %时Pr= 5 ;ps 和is同前述。 2 案例分析 2. 1 案例及条件 某低压天然气管道距一生活广场最近距离仅50 m ,管道内径为210 mm ,管内压力为0. 84 MPa。此 时,为了能够充分说明管道泄漏的危险性,将其泄漏 孔径视为变孔径。同时,根据现有城市监控设备和 水平,取管道泄漏事故发生气源被切断最大时间为5 min。该管道距离一社区生活广场最近距离值为75 m ,社区人口密度为3 000人/ km2。 2. 2 管道对生活广场的风险性分析 根据文献10 ,当个体风险低于10 - 6时 ,可以认 为是安全的。通过计算可得该概率风险值下的最小 安全距离值变化(如图2、 3) 。距离该管道最大个体 风险达到安全值时的最小安全距离值随泄漏孔径的 增大呈现出增大的趋势,但随着孔径的增大,其增加 的趋势相对放缓。当最大个体风险达到要求时,该 管道最小安全距离值为86 m ,而该管线距离生活广 场最近距离仅75 m ,不满足个体风险要求 。 因此, 图2 最小安全距离值随孔径变化关系图 图3 社区生活广场最大社会风险曲线图 该管线的选线存在问题,需要考虑额外安全措施,以 保障社区的安全。 同时,根据风险累加求值,可得该社区生活广场 最大社会风险值曲线图。 3 结论及认识 1) 提出了基于降灾因子的事故概率个体风险及 社区风险评价方法。 2) 对燃气管道失效及失效泄漏事故引发的火灾 及爆炸事故的概率给予了分析。 3) 对多态参数动态非定常泄漏、 扩散综合计算 数学模型及相关难点给予了研究,解决了目前在非 定常泄漏及扩散技术模型存在的不足。 4) 针对案例分析,得到了泄漏孔径对最小安全 距离值的影响,并确定出了各种情况下的最小安全 距离,为合理布置燃气管线提供了参考。 参 考 文 献 1刘斐,刘茂.城市燃气管线的定量风险分析J .南开大学 学报,2006 ,39(6) :31236. 2 SPYROS S , FOTIS R. Estimation of safety distances in the vicinity of fuel gas pipelines J .Journal of Loss Pre2 vention in the Process Industries ,2006 ,19(1) :24231. 3 MORGAN B. The importance of realistic representation of design features in the risk assessment of high2pressure gas pipelineC5th International Conference and Exhi2 bition Pipeline Reliability. Houston:s. n. ,1995. 4孙永庆,钟群鹏,张峥.城市燃气管道风险评估中失效后 果的计算J .天然气工业,2006 ,26(1) :1202122. 5姜俊荣,丁建林. 19701992年欧洲输气管道事故J . 油气储运,1997(5) :56258. 6刘斐,刘茂.城市输气管线火灾事故的风险定量计算J . 安全与环境工程,2006 ,13(4) :53255. 7张甫仁.燃气管线动态泄漏扩散的危险性分析J .重庆 建筑大学学报,2007 ,29(2) :1032109. 8 JUAN AUAN A ,VICHEZ,JOAQUIM C ,et al. Mathe2 matical modeling of accidental gas releases J .Journal of Hazardous Materials ,1998 ,59(2/ 3) :2112233. 9 WOODWARK J L ,MUDAN K S ,Liquid and gas dis2 charge rates through holes in process vesselsJ .Journal of Loss Prevention in the Process Industries , 1991 , 4 : 1612165. 10 BOTTELBERGHS P H. Risk analysis and safety policy developments in the NetherlandsJ .Journal of Hazards Materials ,2000 ,71(1/ 3) :59284. (修改回稿日期 2008212225 编辑 罗冬梅) 101 第29卷第2期 天 然 气 工 业 储运与集输工程 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. www. trqgy. cn/ e/abstracts.asp WANG Xing2wen, born in 1975 , holds a Ph. D degree , and is being engaged in enhancing oil recovery and stimulation technolo2 gy. Add:Institute of Drilling Engineering , Southwest Branch , Sinopec , No. 298 , North Longquanshan Rd. , Deyang , Sichuan Province618000 ,P. R. China Tel :+ 86283822551 856 E2mail :steven24321 163. com Application of organic plug removal in gas well bore ZHANG Yao2gang1, WU Xin2min1, LIAN G Ming2, LI Zhi2, HAO Xiao2yun2 (1. Xian S hiyou University , Xian710065, China;2. N o.1Oil Recovery Plant , CN PC Changqing Oil2 f ield Company , J ingbian717405, China) NATUR. GAS IND. VOLUME 29 , ISSUE 2 , pp. 95297 , 2/ 25/ 2009. ( ISSN 100020976; In Chinese) ABSTRACT: High salinity formation water is produced in the partial blocks of the Jingbian gas field and corrosion inhibitor is injected into wellbore periodically , serious scaling and plugging always happen within production string with the increase of production time , which restricts the normal production of gas wells or even causes output reduction and off production. Through analyzing plugging reason and its mechanism , the special agents suitable to remove plug in the Sebei gas field are se2 lected. The laboratory evaluation and field test are also done , which achieves good effect and provides efficient technology for plugging removal of the similar gas wells. KEY WORDS: Jingbian gas field , plugging removal , technology , technique , application DOI:10. 3787/ j.issn. 100020976. 2009. 02. 027 ZHANGYao2gang (engineer) , born in 1971 , and is studying for his M. Sc degree , being engaged in natural gas development. Add:No. 1 Oil Recovery Plant , CNPC Changqing Oilfield Company , Jingbian , Shannxi Province 817500 ,P. R. China Tel :+ 8622928650 3900 E2mail :zyg1_cq petrochina. com. cn Comprehensive risk assessment of urban gas pipeline failure accidents ZHANG Fu2ren1 ,2, DENG Pan2pan1, ZENG Xiao2yan1 (1. School ofMechanicalandElectricalEngineering ,Chongqing J iaotong University ,Chongqing 400074, China;2. Ministry of Education Key L aboratory of Eco2environments in Three Gorges Reservoir Region, Chongqing University , Chongqing400715, China) NATUR. GAS IND. VOLUME 29 , ISSUE 2 , pp. 982101 , 2/ 25/ 2009. ( ISSN 100020976; In Chinese) ABSTRACT: To ascertain the rationality of pipeline distribution and to re2analyze accidents and their potential hazards , this pa2 per proposed a comprehensive risk assessment method for accident probability based on accident reducing factor. Through anal2 ysis on the process of unsteady leakage and the variable characteristic of unsteady leakage ratio of gas pipeline , the calculation mathematical model of the dynamic unsteady leakage and the dynamic diffusion model of gas pipeline have been studied based on turbulent diffusion differential equation; besides , the related empirical analytical formula was acquired by using the Green func2 tion method. The casualty risk model of fire and blast accident based on rise trait of leakage gas has been analyzed. The mini2 mal individual safety distance and the maximal society risk curves under the maximal pipeline risk have been analyzed based on practical cases. KEY WORDS: natural gas pipeline , risk , assessment , model , failure , heat radiation , shock wave DOI:10. 3787/ j.issn. 100020976. 2009. 02. 028 ZHANG Fu2ren (associate professor) , born in 1975 , holds a Ph. D degree. He is mainly engaged in researches into gas trans2 portation and distribution , indoor environment and energy saving in buildings. Add:School of Mechanical and Electrical Engineering , Chongqing Jiaotong University , No. 66 , Xuefu Avenue , Nanan Dis2 trict , Chongqing 400074 ,P. R. China 341 NATURAL GAS INDUSTRY, VOLUME 29 ,ISSUE 2 ,2009 FEBURARY 25 ,2009 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. www. trqgy. cn/ e/abstracts.asp Tel :+ 8622326099 6106 Mobile :+ 86215922648960 E2mail :zh_feixue 163. com Risk grade evaluation of gas pipelines based on matter2element and extension set theories SUN Yong2qing1, ZHANG Zheng2, ZHONG Qun2peng2( Academian ofChinese Academy ofEngineer2 ing) (1. Department of Structural Material , China Iron 2. School of Material Engineering and Technology , Beijing University of Aeronautics In Chinese) ABSTRACT: To perform risk evaluation and risk grade division on gas pipelines for risk management is a scientific management method to ensure safety operation and to boost the benefit of pipeline companies. Various factors which affect pipeline failure probability and probable results caused by gas pipeline failure should be taken into consideration in risk grade division. Al2 though the commonly used risk grade division methods , including equal division method and three 2 method , can solve some problems , they are still unshaped and lack of theoretical basis. Based on preliminary definition of urban gas pipeline risk grade , relevant theories about matter2element and extension set are introduced to analyze constitutive factors for gas pipeline risk. Some tool functions , like correlation function are used to define and calculate the risk grade of gas pipeline ; calculation func2 tions and procedures are identified. Besides , a practical example is proposed. The main calculation methods for risk grade divi2 sion are introduced according to its calculation process. Corresponding measures are put forward for risk grade evaluation of ur2 ban gas pipeline. KEY WORDS: natural gas pipeline , risk , evaluation , disaster , matter2element theory , extension set