油气田事故的主要类型.doc

第五节 油气田事故的主要类型一、石油天然气的危险性（一）石油石油是一种黄色乃至黑色、有绿色荧光的稠厚性油状液体。石油闪点范围较宽，凝固点较高，其蒸气与空气形成爆炸混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸，与氧化剂能发生强烈反应，遇高热可分解出有毒的烟雾。表72列出了石油燃烧爆炸特性考数。石油的危险性主要表现在以下几个方面：1易燃性石油闪点较低，介于-6.67一32.22之间，根据石油天然气工程设计防火规范(GB 501832004)的规定，石油火灾危险性分类为甲B类。2易爆性当石油蒸气与空气混合，达到爆炸极限时，遇到点火源即可发生爆炸。物质的爆炸极限浓度范嗣越宽，爆炸极限浓度下限越低，该物质爆炸危险性越大。石油的爆炸下限较低易发生爆炸。3易蒸发性石油易蒸发。石油蒸发主要有静止蒸发和流动蒸发两种。蒸发的油蒸气密度比较大，不易扩散，往往在储存处或作业场地空间地面弥漫飘荡，在低洼处积聚不散，大大增加了火灾危险程度。4静电荷积聚性石油的电阻率一般在1011cm1012cm左右，在管道输送时打油与管壁摩擦会产生静电且不易消除。当静电放电时会产生电火花，其能量达到或大于石油的最小电火能并且石油的蒸气浓度处在爆炸极限范围内时，可立即引起爆炸、燃烧。5扩散、流淌性石油有一定黏度，受热后其黏度会变小，泄漏后可流淌扩散。其蒸气密度比空气大，泄漏后的石油及挥发的蒸气易在地表、地沟、下水道及凹坑等低洼处滞留，并贴地面流动，往往在预想不到的地方遇火源而引起火灾。国内外均发生过泄漏液体沿排水沟扩散遇明火燃烧爆炸的恶性事故。6热膨胀性石油体积由温度改变引起的变化相对不大。但如着火现场附近的石油受到火焰辐射的高热时，其体积会有较大的增长(由于石油中低沸点组分会膨胀气化)会因膨胀而顶爆固定容积的容器或溢出容器，从而参与燃烧甚至爆炸。酿成更大事故。7易沸溢性石油容易受热膨胀、沸溢。石油受热膨胀蒸气压升高，会造成储存容器受压增加。相反高温油品在储存中冷却，又会造成油品收缩而使储油容器产生负压。当石油含水O.34时遇高热或发生火灾时，容易产生沸溢或喷溅燃烧的油品大量外溢，甚至从罐中喷出，从而造成重大火灾事故。(二)天然气天然气是从油气藏中开采出的可燃气体，其主要成分为气体烷烃(CnH2n+2)；非烷烃气体有氮气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、水、氧、氢和微量的惰性气体，这些气体与烷烃组成互相不起化学反应的混合物。天然气中含量最多的成份是甲烷，它是比空气稍轻的无色可燃气体，在20标准大气压下甲烷的净热值是32926kJm3。天然气属易燃、易爆物质，极易引起燃烧和爆炸。逸散的天然气和空气混合，当浓度达到爆炸下限时，如遇明火就会发生爆炸；如果未达到爆炸下限，遇明火则会发生燃烧。天然气主要组分性质见表7-3。l易燃性根据石油天然气工程设计防火规范(GB 501832004)中可燃物质火灾危险性分类，天然气火灾危险等级为甲B类。2易爆性天然气的爆炸极限较宽，爆炸下限较低，泄漏到空气中能形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸，燃烧分解产物为CO、CO2。在储运过程中，若遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。天然气在大口径输气管线里和空气混合发生爆炸时，出现迅速着火爆燃现象，火焰传播速度将超过音速而达到1 000ms4000ms，局部压力可达到8MPa，甚至更高。该爆炸现象的产生是由于着火介质中有冲击波产生，并迅速运动，致使介质温度、压力和密度急剧增大，加速了化学反应，使破坏力增强o3易扩散性天然气的密度比空气小，泄漏后不易留在低凹处，有较好的扩散性。4焦尔一汤姆逊效应当天然气在管道中流动时，遇到狭窄的通道，如阀门、孔板等。由于存在摩擦损耗-使压力显著下降。体积膨胀，温度降低，这种现象称为节流效应，也称为焦尔一汤姆逊效应。天然气温度降低可能产生的危害有天然气产生水合物、低温对管材的破坏作用等。5水合物天然气水合物是在高压低温状态下由水和气体组成的冰态物，其结构特点是结晶水晶格的笼形结构气体分子，外形如冰雪状，通常呈白色，结晶体斟紧凑的格子构架排列，与冰的结构非常相似。天然气水合物能堵塞管道，影响生产，引发事故。天然气水合物的生成主要需要以下3个条件：(1)天然气与液态水接触。(2)天然气一液态水体系的温度低于其所在压力下的水合物形成温度o(3)气体流速、压力的波动以及水合物晶种的存在将加速水合物形成。6高压缩性天然气属于压缩性很强的可压缩流体，在管道发生破裂漏气后泄压速度慢，在管材韧性低的情况下可能导致大范围裂纹扩展。二、火灾火灾(燃烧)是可燃物与氧化剂结合，并释放出能量的化学反应，释放出能量中的一部分用来维持其反应。(一)燃烧的形式燃烧是可燃物质与氧或氧化剂化台时发生的一种伴有放热和发光的激烈氧化反应。由于可燃物质可以是气体、液体或固体，所以它们的燃烧形式是多种多样的。按照产生燃烧反应相的不同，可分为均相燃烧和非均相燃烧。均相燃烧是指燃烧反应在同一相中进行，如天然气在审气中燃烧是在同一的气相中进行的，就属于均相燃烧。与此相反的情况则为非均相燃烧，如石油、木材等液体和固体的燃烧就属于非均相燃烧。非均相燃烧较为复杂，必须考虑到可燃液体及固体物质的加热，以及由此而产生的相变化。1可燃性气体的燃烧有混合燃烧和扩散燃烧2种形式：(1)混合燃烧。将可燃性气体预先与空气混合，在这种情况下发生的燃烧成为混合燃烧。混合燃烧反应速度快、温度高，通常的混合气体爆炸就属于这一类。(2)扩散燃烧。可燃气体从管中喷出，与周围空气接触，边混合边燃烧，这种形式的燃烧称为扩散燃烧。在扩散燃烧中，由于反应不完全，所以经常产生没有完全燃烧的炭黑。2可燃性液体和固体的燃烧分别属手蒸发燃烧、分解燃烧或表面燃烧等3种形式：(1)蒸发燃烧。可燃液体燃烧时，通常液体本身并不燃烧，而只是由液体蒸发产生的蒸气进行燃烧，这种形式的燃烧叫做蒸发燃烧。蒸气被点燃起火后。形成的火焰温度进一步加热了可燃物体表面，从而加速易燃液体的蒸发。使燃烧继续蔓延和扩大。汽油、酒精等易燃液体的燃烧就属于蒸发燃烧。(2)分解燃烧。很多固体或不挥发性液体，由于受热分解而产生可燃性气体，这种气体的燃烧称为分解燃烧。例如木材和油脂，大多是先分解产生可燃气体再行燃烧，所以是分解燃烧的一种。(3)表面燃烧。可燃固体燃烧到后期，分解不出可燃气体，就剩下无定形炭和灰，此时没有可见火焰。燃烧是在高温可燃固体与空气相接触的表面上进行的，这种燃烧称为表面燃烧。金属的燃烧也是男一种表面燃烧，没有汽化过程，燃烧温度较高。 (二)燃烧条件燃烧必须同时具备3个条件，即：(1)有可燃物质存在；(2)有助燃物质存在，常见者为空气、氧气等；(3)有能导致燃烧的能源即点火源，如撞击、摩擦、明火、静电火花、雷电等。可燃物、助燃物和点火源是构成燃烧的三要素，缺少其中任何一个燃烧都不能发生。但是燃烧在可燃物浓度、温度、点火能等方面都存在着极限值。在某些情况下，如可燃性混合物未达到燃烧极限浓度范围之内或不具备足够的点火能量，那么即使具备了上述3个条件，燃烧也不会发生。例如当空气中的含氧量低于14时，一般可燃物质便不会发生燃烧：又如一根火柴的热量不能点燃一根木柴。对于已经进行着的燃烧，若消除3个条件中的任何一个，燃烧就会终止，这就是灭火的基本原理。(三)闪点可燃液体的表面都有一定量的蒸气存在，蒸气的浓度取决于液体的温度。可燃液体的蒸气与空气所组成的混合物遇明火时产生闪燃，引起闪燃的最低温度称为闪点。闪燃不能使液体燃烧，原因是在闪点温度下，液体蒸发缓慢，可燃液体蒸气与空气的混合物瞬间燃尽，新的可燃蒸气来不及补充，故闪燃瞬间就熄灭。虽然仅是闪燃，但闪点却是衡量石油及油品火灾危险性的主要标志。闪点数据通过标准仪器测定，有开杯式和闭杯式2种。常温下能闪燃的液体常用闭杯闪点仪测定，闪点较高的液体则用开杯容器测定。同系列的可燃液体，其闪点变化规律是：随分子量的增加而增高；随密度的增加而增高；随沸点的增高而增高：随蒸气压的降低而增高。可燃液体混合物的闪点不具有加和性，高闪点液体中即使加入少量低闪点液体也会大大降低闪点，增加火灾危险性。石油的密度比煤油高，但石油的闪点却比煤油低就是一个例子。(日)引燃温度引燃温度是指物质(不论是固态、液态或气态)在没有外部火花或火焰的条件下，能自动引燃和继续燃烧的最低温度。对石油产品来讲，密度愈大，闪点愈高，而引燃温度却愈低。因此，从引燃温度来说，重质油料比轻质油料的火灾危险性大。对天然气来讲无闪点数据，但是天然气中气态烃的引燃温度则具有随分子量增加而降低的规律，例如甲烷时引燃温度高于乙烷、丙烷的引燃温度。(五)石油的燃烧速度液体燃料的燃烧速度有2种表示方法：以每平方米面积上l小时烧掉液体的质量表示，称为液体燃烧的质量速度；以l小时(或1分钟)烧掉液体屡的高度来表示，称为液体燃烧的直线速度。液体燃料燃烧前须先蒸发而后燃烧，故液体燃烧速度取决于液体钧蒸发，并且与很多因素有关。例如液体的初温越高，燃烧速度越快；储罐中低液位燃烧比高液位燃烧的速度要快(因为受火焰加热的罐壁可以进一步加速油品的蒸发)；不含水的比含水的石油产品燃烧速度要快；蒸气压高的比蒸气压低的石油产品燃烧速度要快。油品燃烧时。火焰靠辐射向油品表面传热，使油品液面温度逐渐升高，同时油品蒸发加剧。油品蒸发要吸收大量蒸发热，最后在液面上保持热平衡，液面温度不再升高而维持定值。轻质油品挥发强度大，吸收的蒸发热量多，故液面温度较低。重质油品挥发强度小，液面温度较高。油品着火后火焰便很快沿油品表面蔓延。火焰沿液面蔓延的速度取决于液体的初温、热容、蒸发热和火焰的辐射能力。此外，风速对火焰蔓延速度也有很大影响。(六)天然气的燃烧速度天然气的燃烧不需要像固体、液体那样经过熔化蒸发等过程，所以燃烧速度很快。气体燃烧分混合燃烧和扩散燃烧，通常情况下混合燃烧速度高于扩散燃烧速度。气体的燃烧速度常用火焰传播速度来衡量，火焰传播速度在不同直径的管道中测试时其值不同。一般讲火焰传播速度随着管道直径增加而增加，当达到某个直径时速度就不再增加。同样，随着管道直径的减少而减少，当直径小到一定程度时火焰就不再传播而熄灭，这是因为管子直径减小时热损失增加所致，这也就是阻火器的原理。(七)燃烧温度燃烧温度实质上就是火焰温度。因为可燃物质燃烧所产生的热量是在火焰燃烧区域内析出的，因而火焰温度也就是燃烧温度。油品着火燃烧时，火焰的中央部分由于空气供应不足，燃烧不充分，所以温度不高。因此火焰的温度是：在比油面稍高的位置上，火焰温度相当于油品的沸点温度：随着高席增加，火焰温度急剧升高，约距油面1. 5 m高度上，火焰温度可达最高值；当高度继续增加，火焰温度有所下降。此外，火焰的高度则取决于燃烧液面直径和燃烧速度。一般说，燃烧速度越快，火焰高度与燃烧液面直径之比值越大。三、爆炸爆炸是物质发生非常迅速的物理或化学变化的一种形式。这种变化在瞬间放出大量能量，使其周围压力发生急剧的突变，同时产生巨大的声响。(一)爆炸极限可燃气体或液体蒸气与空气的混合物，在一定的浓度范围内，遇有火源才能发生爆炸。这个遇有火源能发生爆炸的浓度范围。称为爆炸浓度极限，通常用体积百分数来表示。其中遇火源能发生爆炸的最低浓度称为爆炸浓度下限，而能够发生爆炸的最高浓度称为爆炸浓度上限。一切可燃物质与空气所形成的可燃性混合物。从爆炸下限到爆炸上限的所有中间浓度，在遇有引爆源时都有爆炸危险。混合物的浓度低于爆炸下限，既不爆炸也书燃烧，因为空气量过多，可燃物过稀，使反应不能进行下去。混合物浓度高于爆炸上限时。一般也不会爆炸。但能够燃烧。由于爆炸性混合物的爆炸与可燃性气体的混合燃烧的不同点仅在于爆炸是在瞬间完成的，故一般很难将可燃性混合物与爆炸性混合物加以严格的区别，因此，这两个名词往往也就是指同一事物。同样的道理，爆炸极限与燃烧极限也很相似，一般讲爆炸极限范围在燃烧极限范围之内，即爆炸下限与燃烧下限大体相同。而爆炸上限则比燃烧上限稍低。几种易燃液体蒸气在空气巾的爆炸浓度极限(体积百分数)为；车用汽油l.58一6.48，煤油7.4一7.5，苯1.5一9.5，酒精3.319.0o因为液体的蒸气浓度是在一定温度下形成的，所以可燃液体除了有爆炸浓度极限外，还有一个爆炸温度极限。可燃液体在一定温度下，由于蒸发而形成等于爆炸浓度极限的蒸气浓度，这时的温度称为“爆炸温度极限”。对应于爆炸浓度的上、下限，相应有爆炸温度极限的上、下限。几种可燃液体的爆炸温度极限为，车用汽油36一7，煤油45一86，甲苯030。酒精ll40。需要指出的是,汽油的爆炸温度极限为367，这个爆炸温度范围在北方冬天是常出现的，这表明汽油罐的爆炸危险性冬天要比夏天大，但是煤油夏天则更易爆炸。爆炸极限不是一个固定值，它随着各种因寒而变化，主要的影响因素有以下几点：1爆炸性混合物的原始温度越高，则爆炸极限范围越大；2爆炸性混合物的原始压力越大，则爆炸极限范围越大；3容器的直径越小爆炸极限范围缩小发生爆炸的危险性降低；4混合物中所含惰性气体(氮、二氧化碳、水蒸气等)的百分数增加，则爆炸极限范围缩小；5火源性质，如电源强度、热表面的面积，火源与混合物的接触时间等也有影响。(二)爆炸的类型石油天然气爆炸可分为物理性爆炸和化学性爆炸。1物理性爆炸物质因状态或压力发生突变等物理变化而引起的爆炸称为物理性爆炸。物理性爆炸前后物质的性质和化学成分不改变。例如锅炉的爆炸，压缩气体、液化石油气超压引起的爆炸，压力容器内液体过热汽化引起的爆炸均属于物理性爆炸。这种爆炸能够间接地造成火灾或促使火势的扩大蔓延。2，化学性爆炸由于物质发生极迅速的化学反应，产生高温、高压而引起的爆炸称为化学性爆炸。化学爆炸前后物质的性质和成分均发生了根本的变化。化学性爆炸按爆炸时所发生的化学变化，可分为：(1)简单分解爆炸，如乙炔在压力下的分解爆炸。这种爆炸不一定发生燃烧反应，所需热量由爆炸物质本身分解时产生，受轻微震动即可引爆。(2)复杂分解爆炸，如炸药的爆炸。(3)爆炸性混合物爆炸，即所有可燃气体、蒸气、雾滴和粉尘与空气混合所形成的混合物的爆炸，包括石油、天然气的爆炸，均属于此类。这类爆炸需要一定条件，如爆炸物质含量、空气含量及激发能源等。其危险性虽较前两类化学性爆炸为低，但很普遍，造成的危害也较大。(三)爆炸的过程爆炸虽然发生于瞬间，但它还是存在一个发生过程。以化学性爆炸中爆炸性混合物爆炸为例，其发生过程大体分为3个阶段：1，爆炸性混合物的形成阶段此时可燃物质与助燃物质相互扩散形成爆炸性混合物，遇明火后，燃爆开始。2，连锁反应阶段爆炸性混合物与点火源接触后便有自由原子或自由基生成而成为连锁反应的作用中心，热和连锁载体向外传播，促使邻近层爆炸混合物起化学反应，然后这一层又成为热和连锁载体的灏泉，而引起另一层爆炸混合物的反应，火焰是以一层层同心圆球面的形式往各方面蔓延。火焰的速度从着火点附近0.5一l m处的每秒若干米开始，逐渐加速到每秒数百米：(爆炸)以至数千米(爆轰)。若在火焰扩散的路程上有遮挡物，燃烧、热的积聚导致气体温度上升，连锁反应速度急剧加速引起压力的急剧增加，使爆炸威力升级。3完成爆炸阶段此时爆炸力造