（化工过程机械专业论文）高含硫天然气管线泄漏毒害研究.pdf

硕十学何论文 摘要 管道运输是与航空、铁路、公路、水运并驾齐驱的五大运输行业之一，已经 成为国民经济和现代工业的命脉。然而，由于各种原因( 如管道腐蚀、自然灾害、 第三方破坏等) 可能会造成管道中的天然气的泄漏，泄漏的天然气在环境中的扩散 将对周围环境中的人和设施构成威胁，从而造成巨大的环境污染和生命财产损失。 本文研究了以下问题： 首先，利用失效事件树分析法对高含硫天然气管道失效可能产生的灾难性后 果进行了研究，分析了高含硫天然气泄漏后造成的毒害危险区域和火灾爆炸危险 区域，并确定了毒性危险区域的划分。 第二，对天然气管道泄漏问题进行了理论分析研究，依据气体动力学、热力 学、流体力学等基础理论，分别推导了泄漏过程中临界泄漏阶段和亚临界泄漏阶 段的泄漏速率计算公式，并对扩散模式及参数进行筛选，从而确定天然气管道泄 漏扩散模型。通过确定的天然气管道泄漏扩散模型进行硫化氢扩散范围的模拟计 算。经过模拟计算后的结果表明，本课题研究的成果具有一定的针对性和实用性， 能够为切实有效地制定安全应急预案提供了科学依据。 第三，对天然气泄漏扩散过程进行了理论分析，建立了天然气泄漏扩散过程 的数学模型并采用c f d 软件进行数值模拟，获得了天然气扩散的特征及规律，并 将其结果与经验公式的计算结果进行了对比。 最后，归纳、分析了天然气管道失效泄漏的原因，并简要论述了高含硫天然 气泄漏后减少中毒伤亡的措施。 关键词：高含硫天然气；管线；泄漏；数值模拟；毒害 高含硫天然气管线泄漏毒害研究 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf i v em e a n st ot r a n s p o r t a t i o n ，p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o nh a sb e c o m et h ea r t e r yo fn a t i o n a le c o n o m ya n dm o d e me n t e r p r i s e h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ed i v e r s i f i e dr e a s o n s ( s u c h a se r o d e n to fp i p e ，n a t u r ed i s a s t e r , h u m a nd e s t r o y i n g ) m a yc a u s et h eg a sl e a kf r o mt h ep i p ea n dt h ed i f f u s eg a sw i l l t h r e a t e nt h eh u m a na n de q u i p m e n ti nt h ea r e a ，i tc a ne v e nl e a dt os e r i o u sp o l l u t i o nt o t h ee n v i r o n m e n ta n dc o n s i d e r a b l el o s so fl i v e sa n dp r o p e r t i e s s e v e r a li s s u e sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r ： f i r s t l y , b a s e d o nt h e p r e v i o u sw o r k ，p o s s i b l e o u t c o m e so fa na c c i d e n t a l h i g h - s u l f u rn a t u r a l - - g a sr e l e a s ew e r ed e t e r m i n e db yp e r f o r m i n gt h ef a i l u r ee v e n tt r e e a n a l y s i sa p p r o a c h ，b o t ht h et o x i ca r e aa n dt h ed a n g e r o u sa r e ao ft h ef i r ee x p l o s i o n t h a th i g h s u l f u rn a t u r a l g a sc a u s eh a sb e e na n a l y z e d ，a n da l s oc o n f i r m e dt h ed i v i s i o n o ft h ed a n g e r o u sa r e ao ft o x i c i t y s e c o n d l y , t h ea c a d e m i cr e s e a r c ho ft h en a t u r a lg a sp i p e l i n el e a k a g ew a sg i v e n b a s e do nt h et h e o r i e so ft h e r m o d y n a m i c sa n df l u i dm e c h a n i c s ，t o g e t h e rw i t ht h eu s e o fi d e a lg a se q u a t i o no fs t a t e ，a d i a b a t i ce q u a t i o na n de n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ， t h en a t u r a lg a sl e a k a g ep r o c e s sw a ss t u d i e da n dd i v i d e di n t ot w ol e a k a g ep h a s e s ，t h e c r i t i c a lp h a s ea n dt h es u b c r i t i c a lp h a s e ，e q u a t i o n sw e r eo b t a i n e df o rc a l c u l a t i n gt h e l e a k a g ef l o w r a t eo ft h ew h o l el e a k a g ep r o c e s s ，a n dp r o c e e dt h es i e v i n gt o p r o l i f e r a t i o np a r a m e t e ra n dm o d e s ，f r o mb u tt h ec e r t a i nn a t u r a lg a sp i p i n gl e a k st o s p r e a dt h em o d e p a s s i n gt h ec e r t a i nn a t u r a lg a sp i p i n gl e a k st h em o d et h a ts p r e a dt h e h y d r o g e ns u l f i d ep r e c e d e st h ee m u l a t i o nc a l c u l a t i o ns p r e a d st h ed i s t a n c e t h r o u g h a f t e ri m i t a t i n gt h ec a l c u l a t i o no fr e s u l tp r o o f , t h er e s u l to ft h i st h e s i sh a st oa i ma tt h e s e xc e r t a i n l yw i t hf u n c t i o n ，c a nf o rs l i c es o l i dp u t sa v a i l a b l yi n t op r a c t i c ee s t a b l i s h t h es a f e t ym e e t sa ne m e r g e n c yt op r e p a r et h ec a s ep r o v i d e ds c i e n c ea c c o r d i n gt o t h i r d l y , t h es p r e a d i n gm a t h e m a t i c a l m o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e da b o u t n a t u r a l - g a sp i p e l i n e sl e a k a g e ，a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sh a sb e e nc a r r i e do n g e n e r a l c f ds o f t w a r ef l u e n ti su s e dt os i m u l a t e t h ep r i n c i p l el a w so ft h el e a k a g eg a s e s s p r e a d i n g a r eo b t a i n e d a n dw h i c hc o m p a r e dw i t ht h er e s u l tc a l c u l a t e db y e x p e r i m e n t a lf o r m u l a f i n a l l y , t h er e a s o n so ft h en a t u r a l g a sp i p e l i n e sf a i l u r ea r ei n d u c t e d ，a n db r i e f l y e l a b o r a t e dt h er e m e d i a lm e t h o d sw h i c hc a nd e c r e a s ep o i s o n i n gv i c t i m s 硕+ 学伶论文 k e yw o r d s ：h i g h s u l f u rn a t u r a lg a s ；p i p e l i n e s ；l e a k a g e ： n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t o x i c i t y i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 笑昊日期：细拜移月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 岩墨 e l 期：弘辟6 月2 - e 1 日期：加，口年月二日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 天然气作为一种高效、清洁、便宜的能源正越来越受到人们的青睐。引进天 然气，对于实现能源多元化、改善生活质量、改善环境、保证能源安全具有特别 重要的战略意义。天然气采用管道输送，安全而方便，并可减少部分燃料油、液 化石油气等危险品的运输量，有利于提高运输的安全性，减轻公路运输压力。同 时天然气属易燃易爆的物质，是一种危险性轻质气体，由于设备的损坏或操作失 误等原因可能造成天然气泄漏并扩散，其爆炸浓度极限范围较宽( 常温常压下体积 浓度在5 1 5 范围内) ，爆炸下限浓度值较低，在作业场所或储存区一旦泄漏后 易扩散，在空气中只要较小的点燃能量就会燃烧甚至爆炸；天然气为烃类混合物， 属低毒性物质，高浓度时会因缺氧窒息引起中毒；对于含硫化氢的天然气，硫化 氢是一种剧毒的危害气体，吸入一定浓度硫化氢很容易引起人体中毒。因此应十 分重视天然气的泄漏与积聚，以防止爆炸燃烧以及中毒事故的产生。 天然气主要是通过天然气管道进行运输，管道作为天然气开发和利用的纽带 起着十分重要的作用【l 】。天然气管道建设将是中国管道建设的热点，在未来的一 段时间内中国将大批建设天然气管道。引起管道输送介质意外流失的原因有管道 泄漏和管道破裂两种情况。随着天然气管道工业的发展，根据大量的管道事故分 析报告的统计结果可知，导致管道泄漏的因素主要有外腐蚀、内腐蚀、施工损伤、 焊接缺陷、接头缺陷和第三方破坏等；导致管道破裂的因素主要有第三方破坏、 焊接缺陷、超压和腐蚀等。在多数情况下，管道事故是由多种因素联合作用造成 的。 含硫化氢天然气全球分布较广，多数分布在碳酸盐岩层系内。四川盆地是中 国目前含硫化氢天然气最富集的地区，其硫化氢含量从检测出来的数据显示高达 1 7 f 引。虽然硫化氢有利于天然气的形成和聚集成藏，也可以为勘探提供线索和 目标，但硫化氢是一种剧毒的危害性气体，属i i 级毒物，其化学性质不稳定，在 空气中极易燃烧。我国硫化氢的最高容许浓度为1 0 m g 聊3 ，美国政府工业卫生专 家公会推荐的1 5 m i n 短期暴露范围平均值是1 5 ，赡m 3 【3 1 。 集输管道内的天然气未经脱硫、脱水、去烷烃等处理，一旦发生管道泄漏事 故，将造成较大的资源浪费、惨重的人员伤亡、巨大的经济损失以及不良的社会 影响【4 j 。2 0 0 3 年1 2 月2 3 日2 2 时左右，重庆市开县高桥镇，由川东石油钻探公 司承钻的中国石油天然气集团公司西南油气田分公司的川东气矿罗家1 6 h 井在起 高含硫天然气管线泄漏毒害研究 钻时，突然发生“井喷”事故，导致2 4 3 人死亡、4 0 0 0 多人受伤，疏散转移6 万多 人，9 3 万多人受灾，直接经济损失达6 4 3 2 3 1 万元。2 0 0 6 年3 月2 4 日，位于开 县高桥镇小阳村一组的罗家2 井发生泄漏事故，泄漏事故发生后，开县启动突发 事件紧急预案，并组织井场附近群众紧急疏散，最终没有发生人员伤亡的情况p j 。 随着四川盆地高含硫化氢天然气勘探、开发的快速开展，由天然气泄漏导致的硫 化氢扩散可能造成的危害越来越受到人们的关注。从管道的设计和布置到应急预 案的制定和启动，均需要对天然气管道泄漏发生条件下硫化氢扩散影响区域进行 较为准确的预测。因此，天然气管道泄漏扩散的问题已备受关注。 虽然人们对有害气体意外释放所造成的重大灾害十分重视，但缺乏足够有效 的数据提供给人们作风险评估及预防改善措施，因此采用数学模型进行模拟是必 要的。运用扩散模型描述意外释放的有害气体在环境中的输运和扩散过程，并给 出污染物质的浓度分布，为确定危害区域提供合理的依据。可见，扩散模型是对 气体泄漏事故进行危害及风险评估的一个重要工具，扩散模拟的结果可以更好地 为安全管理、事故调查分析、工程设计、应急救援措施以及风险评估等提供依据。 本文所进行的含硫化氢天然气管线泄漏后毒害范围的评价工作就是为了给事 故发生后的救助工作提供资料，使人们能由此确定更合适的救助措施并降低损失。 所以，进行含硫化氢天然气管线泄漏后毒害范围的评价工作是非常必要的。 1 2 气体泄漏扩散研究方法介绍 目前，对于气体泄漏扩散的研究方法主要有以下几种方法： ( 1 ) 实测研究法 为了对危险性气体的扩散机理进行深入的研究，以及验证数学物理模型，欧 美等发达国家做了大量现场试验和实验室试验，这种方法得到的结果比较客观， 能反映泄漏气体扩散后实际的流动及分布情况，但试验往往耗时耗力，对测试人 员和试验研究人员要求较高，只能对有限的情况进行试验研究。例如，吴晋湘等 人针对比重大于空气的液化石油气，建立了一个包括泄漏源及门窗的模拟房间【6 1 。 其大小为1 5 0 0 m m 1 0 0 0 m m 5 0 0 m m 的矩形空间，模拟室内气体泄漏后的浓度场变 化规律，对其进行了实测研究。 然而实际情况比较复杂，具有很大的随机性，很难通过试验找到泄漏后形成 的流场及浓度场的变化规律，并且不具有预测性。 ( 2 ) 风洞试验法 风洞试验是比较可靠的测试方法。例如，王淑兰等建立了由稳定段、收缩段、 测试段和扩压段组成的直流式风洞实验系统来测试可燃气体泄漏后的体积分数 【7 1 。浓度分布采用1 0 2 g 型气相层析仪分析，风速采用e m 9 型风速表测量。通过 2 硕十学何论文 对c 0 2 、g 巩、c ，h ，气体在不同泄放源条件下进行了定常风洞扩散试验，给出了 易燃易爆气体在不同泄放速率和风速条件下扩散时的危险体积分数和危害范围。 但是，实际气体的扩散受到多方面的因素限制，用风洞试验的方法难以对其 一一进行研究。另外，风洞试验的代价非常昂贵，周期也较长，这给实际应用带 来了非常大的困难。 ( 3 ) 计算机数值模拟计算法 随着数值算法和计算机技术的飞速发展，数值模拟方法已成为研究该类课题 的一种有力工具。计算机数值模拟是在计算机上对气体泄漏的动力学方程进行数 值求解，从而模拟实际的扩散过程。计算机模拟不受实际条件限制，只要在计算 机程序中改变相应的边界条件，就可以对不同情况进行模拟，获得详尽信息。 数值模拟方法最大的缺陷在于其可靠性，即仿真结果的可信度，这可以通过 先验性的方法研究解决，即对同类问题采用合适的数学物理模型进行模拟，并和 实验结果对比确定其可靠性，然后将验证过的程序用于类似的扩散模拟。从而保 证模拟结果的可靠性。例如，丁信伟等采用了板块扩散模型对危险性气体的扩散 进行数值模拟，为了验证模型的合理性，设计简易风洞，进行风洞扩散试验，然 后将模型计算结果与试验数据比较，从而来验证模型的合理性j 。 1 3 国内外的研究现状 气体的扩散涉及多学科的理论知识，由于泄漏气体的密度不同于空气，所以 气体的泄漏实际上是一个浮力射流，对于液体中的浮力射流已有比较充分的认识， 而气体中的浮力射流则同时要受到对流与扩散的影响【9 l 0 1 。 目前国内外关于危险性气体泄漏扩散的研究多集中在不考虑实际条件的理论 模型与基本方程，得出的大多是理论结果，在大多数的文献中均提到危险性气体的 泄漏扩散受泄漏源位置、泄漏速度、方向以及气象条件、风速等因素的影响，但 很少针对危险性气体扩散浓度场和危害区域进行具体的研究。 国内外一些机构对气体扩散进行了相关模型的开发。2 0 世纪8 0 年代美国加 州大学开发了基于有限元方法和单方程k 理论湍流子模型的f e m 3 系列计算模型 【1 1 】，并对选定的t h o r n e yi s l a n d 的系列瞬时释放试验过程进行了数值模拟，现在 该模型发展为以双方程k 一模型为基础的f e m 3 c 模型。f e m 3 ( 3 df i n i t ee l e m e n t m o d e l ) 模型是3 维有限元计算模型。该模型的原型是1 9 7 9 年提出的，最初是为了 模拟l n g 的突发性泄放，用该模型对l n g 的泄放进行了模拟，获得了较好的结 果。f e m 3 模型适于处理连续源泄放及有限时间内的泄放，但其计算量较大，用 计算机模拟较为困难，在处理瞬时源的泄放时，应对原模型作些修改【1 2 。希腊利 用c f d 软件c f x 5 6 对重气越过障碍物的湍流模型进行了模拟。德国、法国、日 3 高含硫天然气管线 f l f 漏毒害研究 本等也进行了相关的应用研究。 国内学者近年来研究较为活跃，特别是在危险性气体泄漏后的扩散模拟及影 响区域方面的研究，近年国内已有一定研究成果。 1 9 9 6 年，化工部化工劳动保护研究所研究了重要有毒物质的泄漏扩散模型， 对国内外的一些扩散模型进行了小结【l 引。 2 0 0 2 年，杜建科等利用已有的理论模型，分析了这两种泄漏类型的特点以及 其扩散规律，提出了伤害区域的划分和估算方法，为准确地预测毒气扩散危险区 域并及时采取有效措施组织抢险救援活动，提供了一种行之有效的方法【1 4 】。 西安石油大学王大庆对天然气泄漏扩散浓度进行了研究【l5 1 。解决了泄漏天然 气沿地面扩散形成的危险区域预测问题。结合三种典型泄漏事故，模拟了天然气 浓度极限值和爆炸上、下限浓度所对应的扩散距离和危害区域面积；对比分析了 风速、泄漏孔径以及泄漏时间对扩散危害区域的影响。 罗艾民与魏利军以有毒重气硫化氢气体为对象，利用非正常排放扩散模型计 算硫化氢泄漏时地表扩散浓度场，对比研究两种极端大气稳定条件下浓度场分布 规律和特征，确定了各自情况下的安全距离【l6 1 。 周波和张国枢利用高斯公式和三维有限元建立了有害气体泄漏扩散模型，估 测了有害气体泄漏扩散后的污染范围和扩散过程中浓度的大小【l7 1 。 潘旭海等以高斯烟羽模型和高斯烟团模型为基础，探讨了进行气态危险物质 泄漏事故模拟分析的有关参数的选取，并设计开发了有关扩散过程模拟分析的软 件系统【18 1 。 马存栋利用流动与传热商业软件f l u e n t 5 4 对高压天然气管道破裂时天然气 的扩散规律进行了数值模拟【l 9 1 。 刘海群等通过对哈尔滨市某化工厂一个液态氯气储罐全部泄漏后的氯气扩散 进行模拟计算，得出了某一风速和大气稳定条件下毒气浓度分布随时间的变化图 表，评估其对周围环境的影响，指出其危害程度主要取决于当时的气象条件和下 风向人口密度【2 0 1 。 孟志鹏等介绍了一种基于k 一湍流模型的研究可爆性气体泄漏扩散的三维 数值模拟方法【2 1 1 。文章对乙炔气体扩散的质量浓度场进行了数值模拟，并将质量 浓度场的数值模拟结果与风洞试验数据进行了比较，模拟结果与试验数据吻合得 较好。 d s h e r a l i 和d b r i z e n d i n e 等人在发展和分析有害物品路径选择模型的基础上 尝试了发生事故概率低但一旦发生事故将造成严重后果的有害物品运输的路径选 择问题1 2 引。 综观目前国内外气体扩散数值模拟的研究领域，最有影响力的扩散数值模拟 模型主要有以s t c h a n 为代表的f e m 3 、f e m 3 a 、f e m 3 c 系列模型，以j g b a r t z i s 4 硕十学位论文 为代表的a d r e a h f 模型，以p e t e rj s h o p o v 为代表的d i s c o 模型，以y r i o u 为代表的m e r c u r e g l 模型以及w j a c o b s e n 与b f m a g n u s s o n 提出的气体扩散 的三维数值模拟模型等。通过对这些模型进行比较分析可以看出，经过十几年的 研究，在描述气体流动和扩散的控制微分方程方面己达成了一致，各模型所采用 的控制微分方程基本相同。但在气体扩散研究领域还有许多尚待研究的问题。 w j a c o b s e n 与b f m a g n u s s o n 在其气体扩散数值模拟模型中初始及边界条件采用 的是经验公式，具有一定的不确定性。另外，在这些模型中对不同泄放源均未给 出适当的处理方式，并且扩散模型也未与泄放模型有机地关联起来。 1 4 本文主要研究方法及内容 1 4 1 主要研究方法 本文在理论分析的基础上，建立气体泄漏扩散的计算模型，在不同条件下对 其泄漏扩散过程进行模拟，并对模拟结果进行分析讨论。 气体扩散模拟方法可归纳为两类，即扩散模式和数值计算。现对两者的优缺 点做简要分析： ( 1 ) 扩散模式：高斯烟羽和高斯烟团等扩散模式提出较早，试验数据多，较为 成熟，而且具有概念清晰、计算量较小等特点，在事故应急反应中，能够快速准 确的对中性气体扩散的威胁做出判断，特别适合于危险性评价，己成为事故应急 反应和环境影响评价领域的重要组成部分【2 3 1 。但其自身存在固有的局限性，必须 假定速度和浓度的相似分布，并假设扩散气体在平稳、均匀湍流的理想状态下扩 散，然而实际中通常涉及不连续界面，因此具有一定的不确定性。 因此，需要根据各种气象参数和环境条件进行不断的修正和完善，以使其能 经验地满足各种扩展推广和应用需要。此外，还需针对不同泄漏源( 如瞬时源、连 续源) 分别考虑。 ( 2 ) 数值计算：应用数值计算方法计算流体力学模型能够更加准确地描述污染 物在大气湍流运动中的物理现象，具有广泛的通用性，通过该方法模拟非均匀稳 定的流场以及有障碍物或明显地形变化的复杂过程其结果更为可靠。但数值计算 过程较为复杂，且计算量巨大，需要高性能的硬件设备，在实际应用中受到了很 大的限制，而不得不采用大网格处理，这样又会降低计算精度。由于事故的突发 性以及事故现场条件的复杂性，难以精确获得数值仿真过程中的某些参数。 综上所述，根据本文研究目的需要，分别采用扩散模式和数值计算对含硫化 氢天然气的扩散进行模拟是可行的。 5 高含硫天然气管线泄漏毒害研究 1 4 2 主要研究内容 论文研究的主要内容有： ( 1 ) 高含硫天然气管线泄漏后果及毒害区域预测的基本理论。 ( 2 ) 建立了高含硫天然气泄漏、扩散的数学模型。 ( 3 ) 采用c f d 方法对高含硫天然气泄漏扩散进行数值模拟。 ( 4 ) 分析了输气管线泄漏的原因并给出了泄漏发生时如何避险的建议。 硕十学位论文 第2 章高含硫天然气泄漏后果的基本理论 2 1 高含硫天然气泄漏事故的危害性 天然气是埋藏在地层中以碳氢化合物为主的气体。我国在2 1 世纪已进入天然 气工业高速发展的时期，随着“西气东输 工程建设，全国很多城市都将使用天然 气，这必将有力地促进全国经济的发展。天然气的成分以甲烷为主，还有少量的 乙烷、丙烷、丁烷、氮、氧、硫化氢、硫醚、硫醇及其它硫化物等，其中硫化氢 的毒性较大。在天然气采、储、输、配工艺流程中，若发生意外事故而使未经脱 硫净化处理的天然气大量泄漏，将会造成重大的人员伤亡事故和经济损失，这应 引起我们的关注。 2 1 1 火灾和爆炸危害 天然气的来源有两种：一种是油田气；另外一种是气田气。油田气，在一个 完整的油气藏地质构造中，顶部为天然气，中部为石油，底部为水，这是在油气 藏地质构造中油、气、水的分布规律；另一种气田气，在一个气藏地质构造中，主 要就是天然气，打井后开采天然气，当然气田气中也含有少量的轻质原油，一定 数量的水分。 天然气的化学成分：天然气的化学成分以甲烷为主，其次是乙烷，丙烷，丁 烷及其他重质氢。甲烷、乙烷均是易燃易爆气体，因而决定了天然气的易燃易爆 性。易燃易爆气体与固、液体状态的物质相比更易燃烧，只要达到其氧化分解所 需热量便能着火燃烧。根据易燃气体的燃烧过程【2 4 1 ，易燃气体的燃烧形式可分为 两类：第一类是易燃气体与空气预先混合成混合可燃气体的燃烧，称为混合燃烧。 混合燃烧由于燃料分子己与氧分子进行充分混合，所以燃烧速度快温度也高，火 焰的传播速度也快，易发生爆炸反应。另一类就是将易燃气体直接由管道中放出 点燃，在空气中燃烧，这时天然气与空气中的氧分子通过相互扩散，边混合边燃 烧，这种燃烧称为扩散燃烧。天然气泄漏后如果遇到明火或静电火花可能发生扩 散燃烧，也可能扩散相当一段距离与空气充分混合后，遇明火发生混合燃烧，即 爆炸。当然，不是说只要泄漏的天然气与空气混合遇到火源就会发生爆炸，这要 求天然气在混合气体当中有一个合适的比例，也就是说只有达到天然气的爆炸浓 度极限才能发生爆炸。 天然气爆炸的破坏形式通常有直接的爆炸作用、冲击波的破坏作用和火灾三 种，后果往往都比较严重。 ( 1 ) 直接的爆炸作用 7 高含硫天然气管线泄漏毒害研究 这是爆炸对周围设备、建筑和人的直接作用，它直接造成机械设备、容器和 建筑的毁坏以及人员伤亡。机械设备和建筑物碎片的飞出，会在相当范围内造成 危险，碎片击中人体则可能造成伤亡。 ( 2 ) 冲击波的破坏作用 爆炸时产生的高温高压气体产物以极高的速度膨胀，像活塞一样挤压周围空 气，把爆炸反应释放出的部分能量传递给这周围的空气层。空气受到冲击而发生 扰动，这种扰动在空气中的传播就成为冲击波。冲击波可以在周围环境中的固体、 液体、气体介质( 如金属、建筑材料、岩石、水、空气等) 中传播。在传播的过程 中，可以对这些介质产生破坏作用，从而造成周围环境中的机械设备、建筑物的 毁坏和人员伤亡。冲击波还可在它的作用区域产生震荡作用，使物体因震荡而产 生松散，甚至破坏。 ( 3 ) 造成火灾 天然气泄漏后与空气的混合物发生爆炸一般都会引起燃烧起火，会形成火灾。 2 1 2 毒性危害 天然气是用来作为燃料及原料。在天然的化学成分中，并非所有的化学成分 都有用，天然气中的硫化氢气体，不但没有用，而且是有害的剧毒气体。因此， 含硫化氢的天然气具有很强的毒性。下面主要介绍一下硫化氢的毒性危害。 1 硫化氢 ( 1 ) 理化性质 硫化氢为无色、可燃气体，具有典型的臭鸡蛋气味。冷却时很容易液化成为 无色液体。 硫化氢的分子式日，s ，分子量3 4 0 8 ，比重1 5 3 9 2 ( 0 0 c ) ，熔点8 5 5 0 c ，沸 点- 6 0 4 0 c ，蒸汽密度1 1 8 9 5 ，蒸汽压2 0 2 6 5 k p a ( 2 5 5 0 c ) ，燃点2 6 0 0 c ，临界温 度1 0 0 5 0 c ，临界压力o 8 9 m p a ，爆炸极限4 3 4 6 ，可溶于水、乙醇、二氧化 碳以及四氯化碳等。 ( 2 ) 中毒机理 硫化氢引起机体的全身中毒反应，是它在机体内被氧化成为硫代硫酸盐及硫 酸盐以前。也就是说，硫化氢只能以游离状态与机体产生反应。在这种情况下， 硫化氢能与细胞色素氧化酶及这一类酶中的二硫键( s ) 作用，以致其影响细胞氧 化过程，造成组织缺氧。因为中枢神经系统对缺氧最敏感，所以最先受到影响， 硫化氢的浓度超过1 0 5 0 m g m 3 时，可刺激颈动脉而产生反射性窒息。当浓度稍高 时，由于过度刺激呼吸中枢反而抑制了呼吸，造成呼吸停止而窒息。 此外，硫化氢能对皮肤、粘膜以及眼结膜、眼角膜造成损害。主要由于其接 触湿润皮肤及粘膜时分解形成的硫化钠及其本身的酸性刺激引起。人体局部在纯 硕十学位论文 硫化氢的作用下，7 0 分钟皮肤颜色变暗，出现红疹。另外，在7 5 4 5 0 m g 班3 浓度 下，除产生结膜炎以外，对眼角膜也有损害，即“毒气眼病 ( g a s e y e s ) 或“纺 丝眼病”。 ( 3 ) 中毒症状 单纯的硫化氢气体有着与氰化氢相似的毒性。由于刺激作用对局部有损害， 并主要经过呼吸道吸收而引起全身中毒，因此也是一种化学性窒息气体。可因接 触浓度和时间的不同而发生急性中毒或慢性中毒。 轻度中毒：最先出现流泪、眼睛刺痛、异物感及呛咳、流鼻涕、咽喉部烧 灼感等上呼吸道粘膜刺激症状，而后感到头胀、头昏、眩晕、窒息感，可当场昏 倒。检查可见眼结膜充血，呼出的气体有“臭鸡蛋 味。轻度中毒脱离现场后， 经过1 2 天可逐渐恢复，一般无后遗症。 中度中毒：浓度在1 9 5 3 0 0 m g m 3 时，表现出一系列神经系统症状，如头 痛、头晕、呕吐、无力、呼吸失调、意识障碍等，同时会引起上呼吸道炎症及消 化道症状。眼睛刺痛明显，对光反应敏感以及眼睑痉挛。急性期过后，当患者看 到光源周围有色环时，为眼角膜水肿的象征。检查时，可见瞳孔缩小，眼角膜上 出现小水泡或溃疡，肺部听诊可闻弥漫性干性罗音。 重度中毒：浓度超过6 7 5 m g m 3 时，在局部刺激症状产生之前，会先出现 全身中毒症状。通常首先出现头晕、心悸、呼吸困难、行动迟缓，继之出现躁动 不安，癫痫样抽搐而进入昏迷状态，此时若不及时的救治，就会因呼吸麻痹而导 致死亡。也有的患者昏迷和抽搐持续数小时，或呈现反复发作，间歇期内似病情 有所好转，但很快又出现昏迷，也可发生支气管炎、肺炎、肺水肿或中毒性脑病。 当吸入9 7 5 m g m 3 高浓度硫化氢时，可由于呼吸中枢神经系统麻痹而产生“电 击型”死亡。 长期接触较低浓度的硫化氢时，可产生对眼的损害，即结膜炎及“毒气眼病” 或“纺丝眼”。其症状可因接触浓度和时间的不同而有轻重之分。表现为眼部的 瘙痒感、眼内异物感、眼痛，明显的炎症、肿胀，因而导致视野模糊不清，亦有 眼角膜糜烂以及点状角膜炎等。 硫化氢急性中毒的幸存者，有时可导致严重的后遗症。中毒后长期遗留头痛、 发热、畏寒、智力减退、痴呆等脑炎后遗症的症状。此外，也有角膜浑浊、步行 障碍以及平衡失调等。 2 甲烷 ( 1 ) 理化性质 甲烷( c h 4 ) 在常温下是一种无色、无味、无毒的气体。分子量为1 6 ，相对密 度o 5 5 ，比空气约轻一半，不易溶于水。熔点- 1 8 2 6 0 c ，沸点一1 6 1 5 0 c 。与空气 混合物爆炸限为4 6 1 4 2 。在空气中燃烧时呈现蓝色火焰，最高温度可达 9 高含硫天然气管线泄漏毒害研究 1 4 0 0 0 c 左右。 ( 2 ) 伤害机理 甲烷一般不会对人体健康产生影响，任何机构都没有对其做出暴露浓度的限 制。但是对于高浓度的甲烷，由于它会取代空中的氧而造成缺氧的环境，有使人 窒息的危险，从而危害到人体健康。 2 2 天然气管道泄漏事件树分析 2 2 1 事件树分析( e t a ) 概述 事件树分析法( e t a ，e v e n tt r e ea n a l y s i s ) 2 5 】是一种按时间顺序进行分析的方 法，即应用逻辑演绎法和图表法，对给定的初因事件分析其可能导致的各种事件 序列的发生概率，从而评价各种事件的风险，也可以评价系统的可靠性和安全性。 在事件树分析法中，事件可表示为二元树，每个节点是代表事件成功或失败的可 能性。 按照事故发展的顺序，分成阶段，一步一步地进行分析，每一步都分别从成 功和失败两种后果进行考虑( 分支) ，最后直至用水平树状图表示其可能的结果， 该水平树状图也称为事件树图。使用事件树分析法时，可用其预测事故及不安全 因素，预计事故可能产生的后果，为寻求适当的预防措施提供依据；也可以用其 作为事故发生后的原因分析；利用该方法进行对职工的安全教育等。 事件树中各类事件的定义： 初因事件：可能引发系统安全性后果的系统内部或外部事件； 后续事件：在初因事件发生之后，可能相继发生其他事件；后续事件一般是 按一定的顺序发生的；初因事件和后续事件只取两种状态：发生( y ) 或不发生( n ) ； 后果事件：由于初因事件和后续事件的发生或不发生所构成的不同后果。 2 2 2 天然气泄漏的事件树分析 管线失效后，从管线内泄放的易燃易爆有毒的气体可能产生各种不同的失效 后果，对失效点附近的人员及财产将造成巨大的威胁。对于给定的管线，其失效 后果的类型与气体泄漏源类型、管线运行状态、失效模式以及点燃时间( 立即点燃 或延迟点燃) 等因素有关。 根据泄漏源面积的大小和泄漏持续的时间，泄漏源分为瞬时泄漏源和连续泄 漏源1 2 6 j 。 连续泄漏源：管道或容器上腐蚀或疲劳形成的裂纹或孑l 洞造成气体连续泄 放的泄漏源为连续泄漏源，连续源具有长时间较小泄漏量的稳态泄放的特点。 1 0 硕士学位论文 瞬时泄漏源：油气在储运生产中，管道或容器爆炸破裂瞬间，气体能形成一 定半径和高度的气云团的泄漏源为瞬时泄漏源，瞬时源具有短时间大量泄漏的特 点，其泄漏时间远小于扩散时间。 本文以含硫化氢天然气泄漏为初因事件，分析了含硫化氢天然气分别发生瞬 时泄漏和连续泄漏时可能造成的后果事件，其失效事件树如图2 1 和2 2 所示。 管线发生失效时，若泄漏气体受约束作用且立即遇到火源，此时由于天然气云与 大气中的氧气混合不均，仅外层气体达到燃烧下限而发生燃烧或爆燃现象，而内 层气体由于氧气不足而不能被点燃；如果泄漏气体在扩散过程中未被点燃，且受 空间的限制会造成气体的不断累积而形成蒸汽云团，有爆炸隐患；若未受阻挡或 约束作用，则气体将被空气不断稀释而使其浓度低于燃烧下限，这样燃烧或爆炸 就不可能发生。 管道失效立即点燃延迟点燃空间约束 含毒组分( 硫化氢) 事故后果 气体泄漏 图2 1 高含硫天然气瞬时泄放后果事件树分析 高含硫天然气管线泄漏毒害研究 管道失效立即点燃 延迟点燃 空间约束 含毒组分( 硫化氢) 事故后果 气体泄漏 图2 2 高含硫天然气持续泄放后果事件树分析 事件树分析能够定性分析天然气管道系统失效所产生的各种不同后果。利用 事件树分析法，在天然气管道失效的情况下，应尽量采取措施使得后果严重程度 最小的后果事件发生概率最大，即天然气损耗、无危险；后果严重程度最大的后 果事件发生概率最小，以减小风险。 2 3 危险范围的确定 天然气泄漏扩散模型要对事故威胁进行正确的预警预报，首先必须确定具体 模拟参量，掌握该模拟参量的变化规律，设置合理的参量阈值。本文引用了英国 安全执行局( h s e ) 提出的毒负荷概念作为危险特性参量，以此为依据来确定含硫 化氢天然气泄漏后的毒害区域。 2 3 1 毒性伤害分区 有毒气体泄漏初期密集在泄漏源周围，直接影响现场人员，随后由于环境温 度、地形、风力和湍流等影响气云的漂移和扩散，浓度减小，扩散范围变大，形 成不同程度的毒害区域。为了预测中毒事故后果的潜在毒害区域，必须界定恰当 的毒害边界值，即在什么浓度范围内人员必须立即疏散并采取有效防护措施，什 么浓度范围内人员只需采取就地防护措施即可，以期最大限度即时有效的减轻有 毒气体对人员的伤害。 1 2 硕士学位论文 有毒物质弥散于大气中超过一定浓度并持续一定时间，会使接触人群发生中 毒，导致伤残、死亡或其它生理反应。化学毒物对人体的作用呈剂量一效应关系， 群体反应的强弱呈剂量一反应关系，群体反应是指接触定量毒物所致特定效应( 死 亡、伤残等) 在接触群体中所占百分比。 毒物浓度超过某一限度时方能对人体产生危害，低于这一限度时，即使长期 接触也无中毒发生，这一限度浓度称为浓度阈值。在考虑硫化氢毒害浓度范围分 区时应排除以下几点【1 3 】： 第一，不考虑人的个体间差异，即不使用中毒个案，而是使用群体数据； 第二，不考虑致癌、致畸，因为其潜伏期或观察期太长； 第三，事故的间接危害( 如水源、食物污染) ，即使影响健康，但可控可防。 本文天然气( 硫化氢) 毒性伤害范围可划成致死区、重伤区、轻伤区和吸入反 应区。对各伤害区，定义如下： 致死区( i 区) 一本区内人员如无防护并且未及时逃离，其中半数左右人员中 毒死亡。 重伤区( i i 区) 一本区人员将蒙受重度或中度中毒，须住院治疗，其中个别中 毒死亡。 轻伤区( i i i 区) 一本区内大部分人员有中度、轻度中毒或吸入反应症状，门诊 治疗即可康复。 吸入反应区( i v 区) 一本区内一部分人有吸入反应症状，一般在脱离接触后2 4 小时内恢复正常。 四个分区以泄漏源为中心按i 、i i 、i i i 、i v 顺序向外分布，i 区的外边界是 i i 区的内边界，依次类推，i v 区即吸入反应区的外边界，往往没有确定的必要。 图2 3 为危险区域图【27 1 ，i 区为致死区，l c 5 0 为致死区临界浓度值；i i 区为重伤 区，i c 5 0 为重伤区临界浓度值；i ii 区为轻伤区，p c 5 0 为轻伤区临界浓度值；i v 区为吸入反应区。 含硫化氢天然气泄漏后，致死区和重伤区是应急抢救并立即疏散的重点区域； 轻伤区则属于紧急疏散区域，吸入反应区由于毒害甚微，不属于应急救助的重点。 这样只要确定三种边界浓度的具体数值，就可以划分出以上四个不同的毒性危害 区域。 1 3 高含硫天然气管线泄漏毒害研究 邑导风向 一0 、v 区 图2 3 毒害区域示意图 2 3 2 各毒性伤害分区的界定 5 0 等浓度曲线 ( m ) 现有的卫生学资料证明，中毒程度与毒物浓度、接触时间有正相关系。综合 前人的资料，引入毒负荷( t o x i cl o a d ) 概念并提出其经验公式。毒负荷是毒物浓度 和接触时间的函数，其表达式为【7 】： t l = c 小t ” ( 2 1 ) 式中，为与剂量有关的系数，通常l ；c 为毒物浓度( p p m ) ；t 为接触时 间( m i n ) ；m 为浓度对t l 贡献的修正系数；n 为接触时间对t l 贡献的修正系数( 对 于硫化氢，m = o 1 ，n = 1 ) 。 毒负荷是间接表达靶剂量的一个概念。靶剂量是与吸入毒物的浓度以及接触 时间有关，但目前还不能定量的计算靶剂量。所以毒物的靶剂量只能采用全身毒 负荷来描述。毒负荷不同于一般的物理量，它是用经验公式来间接地表达靶剂量， 单位为p p m m i n ，就是描述浓度与时间的联合作用的结果。同一毒物对机体的作 用可以用t l 来描述，但不同毒物的t l 值没有可比性。 任意时刻有毒气体的浓度可利用扩散模型等计算得到，而接触时间则依据下 述原则确定。 瞬时泄漏：人在毒气云中的暴露时间等于浓度大于人的最大忍受浓度的毒 气云所经过的时间。 连续泄漏：在泄漏源周围人员无任何准备的情况下，人在毒气云中的暴露 时间等于毒气泄漏持续的时间。 接触时间取决于泄漏量、泄漏速度、泄漏持续时间以及人的行为。历次毒物 泄漏事故证明【2 8 1 ，造成严重伤害的人群接触高浓度的时间一般不超过3 0m i n ，因 为在这段时间内人员可以逃离现场或采取保护措施。事故的全部影响时间大多在 6 0 m i n 之内，愈近泄漏源浓度越高、伤亡越严重。为便于比较， “致死区和“重 1 4 硕七学位论文 伤区 的最长接触时间假定为3 0 m i n ；“轻伤区 由于覆盖面积大，疏散困难，最 长接触时间假定为6 0 m i n ；“吸入反应区 由于浓度较低，人们尚能忍受，接触时 间不限。 根据前面的毒负荷理论，本文将致死区外边界浓度值、重伤区外边界浓度值 和轻伤区外边界浓度值分别设定为5 5 0m g m 3 、3 0 5m g m 3 和1 0 5m g m 3 。通过硫 化氢的伤害浓度边界值推导出相应天然气的浓度值，以计算天然气泄漏扩散后的 有毒伤害范围。 2 4 本章小结 本章对高含硫天然