基于定量风险评价的长油气管道火灾风险研究

1、基于定量风险评价的长油气管道火灾风险研究摘要随着城市建设的发展和行业的需要，越来越多的长距离油气管道在我国建成并投入使用。由于运输期间的内在和外在因素，会发生油气的泄漏。如果油气与空气混合后的浓度达到了燃烧或爆炸的极限，一旦周边存在点火源，就可能出现导致灾难或严重财产损失的火灾爆炸事故。因此，近些年油气管道风险分析与评估的相关研究是安全工程领域关注的焦点。所以有必要进行火灾风险研究评估来保证长距离油气管道安全。本文中，首先分析长距离油气管道的风险特征，然后基于定量风险分析进行长距离油气管道火灾风险研究。以天然气管道为例，基于CASSTQRA软件绘制火灾影响区域（死亡半径）和个人风险等值线。对于

2、天然气管道，死亡半径是148.42米，3×10-7和1×10-6的个人风险等值线所涵盖的区域不是高密度的居民区、高密度或高敏感区域的公众聚集场所、重要目标和特殊高密度场所。天然气管道的火灾风险是可以接受的。最后，本文提出了保证运输安全的响应预防控制措施。研究结果对于长距离油气管道的风险评估和安全管理具有现实意义。关键词：火灾；长距离管道；个人风险；定量风险评价术语D0泄漏直径（m）0泄漏气体密度（Kg/m3）环境气体密度（Kg/m3）C(x)气体浓度（Kg/m3）b2分布参数y所选点到泄漏轴的距离（m）Q0泄漏气体速度（Kg/s）Cd泄漏系数Q点热源的辐射通量（W）效率因素

3、Hc气体燃烧热L火焰长度（m）1 介绍作为一种清洁、高效、高质量的已知能源，油气被广泛应用于化工行业、电力、城市燃料，和其他工业和民用领域。随着城市建设和工业的发展，越来越多的油气通过管道运输，将来在中国将会广泛使用。长距离管道已成为运输油气和其他化学物质最安全高效的方式之一。但是油气管道的泄漏也会在运输过程中发生，由于天然气管道可能会由于内部或外部因素发生破裂，如腐蚀、材料老化、质量缺陷等等。如果天然气与空气形成的混合气体的浓度达到燃烧或爆炸极限，就有导致火灾爆炸事故的可能。根据对中国2000年以来大量油气管道事故的统计。一旦发生火灾爆炸事故，人们的生活、周边设施和建筑将会受到严重影响。比如

4、在我国，2002年1月1日，一地下天然气管道发生破裂，混合气体发生爆炸。在事故的影响下，大庆市至少六人死亡；两人重伤、两人轻伤。2004年4月20日，淮南市的事故中，另一天然气管道在维修期间爆炸，两人死亡、一人重伤、六人轻伤。此外，在众所周知的2013年11月22日青岛输油管道爆炸事故中有62人死亡、136人受伤。因此，天然气管道运输的风险研究对于保护人身安全和财产安全具有重要的现实意义。因此，研究长距离油气管道的风险以避免生命和财产的损失是很有意义的。油气管道的风险分析和评估的相关研究是安全工程领域近几年关注的焦点。提出了一些用来模拟油气泄漏扩散和评估天然气管道风险的模型，比如QRA模型、U

5、DM模型、BM模型和FEM3模型，还有一些应用于不同情况下的模型，比如化工设备、工艺管道等。还有一些用来分析天然气发生泄漏后扩散的软件，比如PHAST。但对于油气管道的风险管理，火灾事故的个人风险是很重要的。所以本文首先基于油气管道风险分析建立火灾数学模型和油气喷射火模型；油气管道火灾事故的后果评估基于定量风险评估展开，应用CSAATQRA软件重新绘制影响区域和个人风险。此外，在文章的后面提出了一些建议。其结果对于油气管道的风险评估和安全管理很有帮助。2.长距离油气管道风险分析21影响区域分析长距离管道事故的影响区域是确定长距离油气管道风险的重要因素。通常，受影响区域可分为死亡半径和损伤半径。

6、影响半径为油气管道泄漏事故的临界距离，不期望发生死亡、环境污染或财产损失等。因此长距离管道的影响区域是一个距周边指定的距离。由于长输油管道事故可能在管道的任一位置发生，可以将其看作一系列危险源。当管道事故的所有危险点都是同一场景时，影响区域的管道两侧都可以被认为是一个以事故点为圆心的圆，影响半径R是沿着管道移动的圆的半径，可以大致认为是沿着管道或圆形区的矩形区域。因此越靠近管道，事故影响的风险越高。油气管道的事故后果如图1所示。 图1长距离油气管道事故影响区域图2.2个人风险个体风险是衡量潜在生命损失和定量风险评估的关键量化指标。所谓的个人风险是指某一固定位置各种潜在的火灾、爆炸、毒性气体泄漏

7、事故导致的个体死亡概率，即个体死亡率。通常以风险等值线的形式给出，通过与可接受风险标准的比较可以衡量个人风险的大小。在周边人员、设施和环境中我国将长距离油气管道的个人风险标准定义为其他重大危险源。在高密度住宅区（居民区、宾馆、度假区等）和公共聚集场所（办公室、商场、饭店、娱乐场所）可接受个人风险不能超过1×10-6/年。在高敏感区（学校、医院、幼儿园、护理场所）、重要场所（聚会、政府组织、军事管理区、文化文物保护单位）和特殊高密度场所（大型体育场馆、大型交通枢纽）可接受个人风险不能超过3×10-7/年。··· 图2个人风险等值线示意图3.火灾后

8、果数学模型通常输气管道的火灾后果要比输油管道严重。所以下面对气体火灾后果数学模型进行探讨。我们已经认识到更严重的气体管道事故是喷射火，不论是增压或压力液化可燃材料。尤其，活性化学燃料的喷射火可能比烃类池火更严重。泄漏的高压天然气将以射流的形式从泄漏管道喷出，如果泄漏气体在溢出时被点燃，就会造成喷射火，外围人员和建筑将被破坏。泄漏的高压易燃材料可能形成射流，如果液体泄漏出来就被点燃，就会发生喷射火。喷射火模型建立如下。应用喷射火等效直径计算喷射火直径。等效射流直径可以由方程（1）得到。Deq=D00 (1)如果泄漏气体在泄漏时密度0在泄漏时立即达到环境气体的密度，那么当量泄漏直径Dep就相当于实

9、际泄漏直径D0.气体浓度C(x)可以由公式（2）导出，其中X是喷射源沿喷射轴的距离。Cx=b1+b2 b10.32xDeq0+1- (2)在上面的公式中，b1和b2是分布参数。任意一点在喷射轴上投影的气体浓度C(x,y)都可以由公式（3）得到，x为沿喷射轴的喷射源的距离。Cx,y=Cxe-b2yx2 (3)式中，C(x)为沿着喷射轴距离为x的气体浓度。随着与喷射源距离的增加，气体速率逐渐降低直到达到环境风速，这时气体的运动将不再符合射流规律。因此，进行喷射火后果评估时，应该计算液化气体的临界速度和临界浓度。假设沿射流轴距喷射源X米处的泄漏气体速率是U(x)，见公式（4）。U(x)U0=0b14

10、1.32xDeq0=1-(Deqx)2 (4)其中，U0是喷射流的初始速度，当气体通过泄漏流动时，U0等于泄漏气体速度。U0可由下面的公式（5）计算。U0=Q0Cd(D02)2 (5)在计算喷射火热通量时，将其当做射流轴上一系列的点热源，整个热辐射通量可以用喷射扩散公式计算。热源各点热辐射通量的计算如公式（6）。q=Q0Hc (6)火焰长度等于射流轴上泄漏源到可燃混合气体燃烧下限的距离。有时为了简化计算，把射流轴的长度当做喷射火的火焰长度。喷射火的火焰长度可以由简化的公式（7）得到。其中，参数L表示火焰高度，单位为米。L=(HcQ0)0.444161.66 (7)热辐射强度Ii表示沿喷射轴与一

11、些点热源距离为x的位置的热辐射强度，可由公式（8）得到。参数代表辐射率，其值为0.2。Ii=q4x2 (8)那么在x处的热辐射强度就是各个热源在该点的辐射强度之和。I=nIi (9)在公式（9）中，n是所选的点热源数量，通常为5.因此，不同伤害或损害标准下的对人的潜在影响区可以由上面的公式导出。4.案例研究基于上述火灾数学模型，可以获得管道运输的天然气泄漏后的后果图和个人风险等值线。本文中，以天然气管道为例来研究油气管道的火灾风险。天然气管道的直径为600mm；管道内的压力为10MPa。管道长度5Km。假设发生瞬间完全破裂，并且在操作期间由于某种原因发生火灾事故。根据影响区域分析和个人风险研究

12、的结果，基于QRA方法对天然气管道火灾事故进行后果评估，使用CSAATQRA软件绘制影响区域和个人风险等值线。在计算界面输入所有的管道参数，可以得到影响区域和个人风险。火灾事故对人的影响区域如图3所示。红线区域是人的影响区域，死亡半径为148.42米。图3天然气管道射流火灾的后果模拟然后，个人风险等值线绘制在图4中。黄线是3×10-7个人风险等值线，橘色线是1×10-6个人风险等值线。从图4可以看出，两条个人风险等值线所包围的不是高密度的居民区、高密度公众聚集场所或高敏感区、重点对象和高密度场所。所以，天然气管道的火灾风险是可以接受的。图4天然气管道火灾事故的个人风险等值线

13、5.结论和建议通过上面的研究，本文可以得出下列结论。（1）在长距离油气管道运输中，一旦泄漏油气与空气的混合物被点火源点燃，就会发生火灾。在三种火灾事故中，更严重的是喷射火，无论是加压还是压力液化可燃材料。长距离油气管道的火灾风险研究对于保证人员和财产安全具有重要的理论和实践意义。（2）长距离管道事故的影响区域是确定长距离油气管道风险的重要因素。影响半径可分为死亡半径和受伤半径。因此，长距离管道的影响区域是与周边特定的临界距离。（3）长距离油气管道的个人风险可接受标准在国内被定义为重大危险源。在高密度的居民区和高密度的公众聚集场所不能超过1×10-6/年。在高敏感区域、重要对象和特殊高密度场所，可接受个人风险不能超过3×10-7/年。（4）对于长距离油气管道，CASSTQRA软件可有效模拟影响区域和绘制个人风险等值线。机遇火灾数学模型和CASSTQRA软件，以天然气管道为例计算影响区域和个人风险。对于天然气管道，死亡半径为148.42米，3×10