1、高壓天然氣管道危險區域分析孫文棟 方江敏 （華南理工大學機械與汽車工程學院, 廣州 510641）摘 要：分析了ASME B31.8S-2004（天然氣管道完整性管理）中采用的天然氣管道危險區域計算模型。該模型是基于氣體釋放速率和火災模型來估計危險影響區域的。應用該模型可以通過管道直徑、工作壓力和管道長度計算出全口徑斷裂事故的影響范圍。危險影響區域與工作壓力的平方根成正比，與管道直徑的5/4次冪成正比，與管道長度的1/4次冪成反比。該模型為天然氣管道風險管理提供了一個有用的理論依據。關鍵字：天然氣管道，危險區域，釋放速率，火災模型Analysis of Hazard Areas Associa

2、ted with High-Pressure Natural-Gas PipelinesSun Wendong Fang Jiangmin (School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, china)Abstract：This paper analyzes the computation model of natural-gas pipeline hazard areas which has been adopted by ASME

3、 B31.8S-2004 (integrity management of natural-gas pipelines).This model is based on gas release rate and jet fire model to estimate the hazard area. This model can estimate the size of the affected area in the event of a full-bore rupture by the diameter, the operating pressure and the length of pip

4、eline Hazard area is directly proportional to the operating pressure raised to a half power, and to the pipeline diameter raised to five-fourths power, but inversely proportional to the pipeline length raised to a quarter power. The model provides a useful tool for risk management of high-pressure n

5、atural-gas pipelines.Keywords：natural-gas pipelines，hazard area，release rate, fire model1 引言高壓天然氣管道危險影響區域一般由管線失效方式，燃燒時間，事故發生地的環境條件、氣象條件來決定。管道失效頻率與設計因素、建筑條件，維護技術和周邊環境狀況有關。高壓天然氣管道的失效方式是各種各樣的，例如脆性斷裂、縱向焊縫缺陷等。有些失效是管道在役時間決定的，如腐蝕破壞，疲勞破壞等；而有些失效不是管道在役時間決定的，如第三方機械干擾，地震或超壓。第三方機械干擾可能導致管道立即失效或一段時間后的疲勞損壞，這種類型的失效可

6、能導致嚴重的后果。根據事故統計，以往一些嚴重的管道斷裂事故就是這樣造成的。管道破裂后，高壓氣體將會從管道不斷瀉出，遇到點火源就會發生噴射火災。圖1總結了高壓天然氣管道破裂后的各種可能結果1。圖1 高壓天然氣管道事件樹當高壓天然氣管道發生泄漏時，通過有關參數得出氣體釋放速率；通過火災模型得出管道斷裂處附近的熱輻射強度。噴射火焰的大小是由氣體釋放速率決定的，相應的危險影響范圍是由氣體的燃燒速率決定的。氣體釋放速率是由破裂口處的管道工作壓力、裂口孔徑和管線長度決定的。對于全口徑斷裂，裂口孔徑等于管道直徑。基于這些關系，則可通過管道直徑、工作壓力和從供應站到失效點的管道長度來估算危險影響區域，從而得出

7、危險區域計算模型。2 危險區域計算模型本文中，危險區域計算模型基于后果模型，其中包括兩個部分： 1）恒定釋放速率模型，管道斷裂后氣體以恒定速率釋放；2）火災模型，描述噴射火災發生時熱輻射強度與危險影響范圍之間的關系。2.1 管道泄漏速率管道斷裂事故發生后，氣體釋放速率會隨著時間而發生變化。失效發生的幾分鐘內，釋放速率會從峰值迅速衰減。管道全口徑斷裂時天然氣釋放速率取決于工作壓力、管道直徑和從供氣點到破裂點的管道長度，如圖2所示，圖中估計的釋放速率是無因次釋放速率( 瞬時釋放速率/ 初始釋放速率)。 圖2 無因次釋放速率隨時間的變化為簡化釋放速率的計算，可用恒定釋放速率來近似瞬變釋放速率，它假設

8、在一個給定的時間內，釋放速率為一個常數，為此，做如下假定：氣體在管道內做一維穩態熱運動（忽略氣體與管道間的熱交換）；管道內天然氣服從理想氣體運動規律。當管道發生全口徑斷裂時，有效泄漏孔徑等于管道直徑，其質量流速為2： （1）式中，為質量流量，kg/s；為管道內運行壓力，Pa； 為管道直徑，m；為管道長度，m。2.2 火災模型管道泄漏噴射的氣體一旦遇到明火,將發生噴射火焰。火焰的熱輻射會使泄漏點附近目標產生不同程度的熱毀傷。將火焰輻射的熱量視作從火焰中心發出，那么距火焰中心某距離處的目標受到的熱輻射強度為4： （2）式中：為火焰輻射的熱量與總熱量的比值，該值應從試驗中獲得，對于甲烷，取為0.2；

9、為甲烷的燃燒熱，= 5.00×107J/kg；為目標與火焰中心的距離, m；為空氣透射率 ,計算中取為1。若已知目標所能承受的熱輻射強度 ,根據式（2）即可得到火焰噴射時的危險范圍。Rausch等人通過大量研究發現，當人接受約14.5kW/m2的熱輻射強度時，在30 s內將會導致1%死亡。木材接受15kW/m2熱輻射強度時，經過一段時間會被引燃 ,但是當木材受到的熱輻射強度低于15kW/m2時 ,無論經過多長時間都不會被引燃3。因此 ,以15kW/m2的熱輻射強度作為目標的熱毀傷閾值，計算發生火焰噴射時的危險半徑為： （3）另外,火焰噴射長度與氣體泄漏率之間的對應關系為3： （4）于

10、是得到以管道破裂點為中心時,噴射火焰的危險半經為： （5）將式（4）代入式（5），得到： （6）3 模型的應用表1為7次高壓天然氣管道破裂事故中的管道參數5 ,表2為對應事故的危險范圍。由表2可知，在7次管道破裂事故中，由本文計算模型得到的計算值會略高于實際值，但二者間的最大偏差只有4m，由此可知,文中的管道危險區域計算模型是可靠的。表1破裂燃氣管道參數事故次數管徑/m輸氣壓力/MPa管長/km12345670.7620.7620.5080.7000.3550.9140.6102351685.157.075.506.755.656.905.4624.529181816.64412.8表2燃氣管

11、道破裂的危險范圍事故次數危險半徑/m二者偏差/m實際值計算值123456718620912320680235168187210126208832351721132304圖2和圖3分別為不同輸氣壓力、不同管徑下管道破裂危險區域隨管段長度的變化情況。由圖可知，輸氣壓力較低、管徑較小，管道破裂時的危險區險域也會較小。管道輸氣壓力為5MPa,管徑為0.1m時,危險影響區域只有27m；當輸氣壓力提高到7MPa時，危險影響區域也只是增大到32m。而加大管徑,卻使危險影響區域明顯增加，輸氣壓力為5MPa，管徑為0.5m時,危險域達到204 m；輸氣壓力變為7 MPa時,泄漏危險域達到241m。由此可見,管徑

12、對管道破裂危險區域的影響要比輸氣壓力大。 圖2 不同輸氣壓力泄漏點危險區域半徑隨破裂管長的變化情況（d=0.3m） 圖3 不同管徑泄漏點危險區域半徑隨破裂管長和管徑的變化情況（P0=5MPa）4 結論高壓天然氣管道危險影響區域與工作壓力的平方根成正比，與管道直徑的5/4次冪成正比，與管道長度的1/4次冪成反比。按照美國ASME B31.8S-2004中的規定, 如果計算危險半徑小于92m, 則把92m作為臨界半徑。如果危險半徑超過92m但小于202m, 則危險半徑為202m。如果危險半徑超過202 m 但小于305m, 則危險半徑為305m。如果危險半徑超過305m, 則半徑取實際計算半徑的1

13、15%1。高壓天然氣管道危險區域計算模型已被美國氣體協會(AGA)和美國洲際天然氣協會采用, 作為一個定量分析高壓天然氣危險影響區域的方法, 已在美國天然氣管道完整性管理中得到應用。參考文獻:1于海英，黨文義. 高壓天然氣管道危險區域預測模型J. 安全、健康和環境，2007，7(4)：38402徐亞博，錢新明，劉振翼. 天然氣輸送管道泄漏事故危害定量分析J. 中國安全科學學報, 2008，18(1)：1461493Y.-D. Jo，B.J. Ahn . Analysis of hazard areas associated with high-pressure natural-gas pipelines J. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2002, 15：1791884劉詩飛，詹予忠.重大危險源辨識及危害后果分析M. 北京：化學工業出版社，2004.55Y.-D. Jo，B.J. Ahn . A simple model for the release rate of hazardous gas from a hole on high-pressure pipelines J. Journal of Hazardous Materials, 2003, 97：3146附作者簡介：方江敏，女（1964年