外力破壞作用下燃氣管道突發性破損泄漏擴散及風險分析

周 雄，方麗萍，陳 雄，梁金祿

（北部灣大學 石油與化工學院，廣西欽州 535000）

隨著當前城市化進程的快速發展，導致城市人口密度的迅速增加，天然氣消費量也是與日俱增，越來越多的城市燃氣管道廣泛地分布在人口稠密和建筑物密集的地區，形成一個復雜的、網絡化城市燃氣管網系統，成為人們生活必不可缺公共設施，被喻為城市的生命線。近些年來，由于歷史、技術和建設等諸多原因，特別是城鎮發展建設活動對天然氣管道的侵擾，城市燃氣管網燃爆事故時有發生，使得城市燃氣管道發生泄漏、中毒或爆炸等危險事故的發生幾率不斷增加[1]。其中以第三方的施工和破壞（機械撞擊、地面施工開挖等）造成燃爆事故的影響最為突出，其特點是燃氣管道破損事發突然，管道破損面積大，燃氣泄漏量大，在人口密集區或人流量大的區域，極易誘發火災、爆炸或中毒事故，造成重大人員傷亡、經濟損失和不良的社會影響。

由于第三方外力破壞作用下燃氣管道泄漏造成燃爆事故頻繁，就迫使人們不得不對城市燃氣管網突發事件的研究給予充分的重視。因此，本文將根據城市燃氣管網系統的運行狀態，對第三方外力破壞造成管道燃氣泄漏和擴散模型進行研究，分析泄漏燃氣在地面擴散的特征，預測燃氣擴散所形成的危險區域，明確燃氣管道泄漏事故的危害半徑，為第三方外力破壞作用燃氣泄漏事故發生后的預警、疏散和應急救援等危險防控提供重要參考依據。

1 外力破壞作用下城市燃氣泄漏爆炸事故統計

城市燃氣氣源主要包括液化石油氣、天然氣、人工煤氣。隨著城市化進程加速，低碳經濟和節能減排的社會需求不斷擴大，目前我國人工煤氣供氣總量呈下降趨勢[2]，對于清潔能源天然氣的需求和使用在不斷加大，但燃氣事故卻頻繁發生，其中以城市燃氣管道泄漏爆炸最為突出，具有突發性、嚴重性、復雜性、較大的危險性等特點。本文根據燃氣爆炸微信公眾平臺，收集了2016—2020年國內城市燃氣管道泄漏事故案例共計3 591起，平均每天約有2起燃氣爆炸事故，見圖1所示。

圖1 2016—2020年國內城市燃氣管道泄漏事故數據

根據統計情況來看，2016—2020年近五年時間引發燃氣事故的主要風險是室內燃氣泄漏和外力破壞導致管網燃氣泄漏，其中外力損壞燃氣管道共有691起為，第三方施工破壞造成的事故仍然處于高發，占了所有事故的19%。由此看出外力破壞是造成管道燃氣泄漏的主要危險因素，主要表現為人為因素破壞，即不在管道單位的的巡查及監督管理下，施工單位同時又對地下管道的類別、方位、分布、介質等完全不了解，進行野蠻施工挖破管道、沿線違章壓管道、運移土堆，造成管道暴露及懸空等機械施工，致使輸氣管道破裂及燃氣泄漏，主要行為有打樁、挖掘、打地質探井、定向鉆、大開挖等。由于外力破壞造成燃氣管道破裂泄漏量大，極易誘發燃燒或爆炸危險，最容易導致重大人員傷亡，因此，研究外力破壞燃氣管道破裂的泄漏擴散特征和風險區域，對燃氣泄漏應急救援和決策指揮具有重要的意義。

2 外力破壞作用下燃氣管道泄漏和擴散模型

燃氣泄漏量大小影響著擴散濃度的大小以及擴散范圍，是決定火災、爆炸等事故隱患的首要因素。經過學者大量分析研究，根據泄漏孔徑的大小，通常將管道泄漏模型分為小孔模型（泄漏孔徑比＜0.2）、大孔模型（泄漏孔徑比0.2～0.8）、管道模型（泄漏孔徑比0.8～0.1）等三種類型[3]。而外力機械破壞造成燃氣管道破裂面積一般比較大，泄漏孔周長為管徑的 20%～100%，屬于大孔泄漏或管道斷裂泄漏類型。在實際工程運用中，燃氣管道開始泄漏瞬間以及泄漏管道上游的閥門被關閉后，燃氣流動是非穩定的，但是從氣體泄漏到切斷氣源需要一定的時間，切斷氣源前，氣體流動可以看作是穩態的，在風險評價和管道泄漏事故應急搶險過程中，比較關心的往往是這種燃氣管道持續泄漏的情況。

2.1 大孔泄漏模型

泄漏孔口處泄漏率的大小取決于泄漏孔處的流動狀態，其判別標準由臨界壓力比CPR值來確定，即：

式中：Pα為大氣環境的壓力，Pa（絕）；Pc為泄漏處中心點的臨界壓力，Pa；k為燃氣的等熵指數，天然氣一般取1.3。

式中：Q為氣體泄漏率，kg/s；C0為孔口流量系數，與泄漏口的形狀有關；Ah為泄漏孔口面積，m2；M為氣體的摩爾質量，kg/mol；Z為壓縮因子；R為理想氣體常數，為 8.314J/（mol·K）；T2為泄漏口處對應管道中心點氣體溫度，K；P2為泄漏口處對應管道中心點壓力，Pa。

2.2 管道破裂泄漏模型

由于外力干擾或超壓導致管道破裂，出現大面積泄漏，泄漏口面積通常為管道截面積的80%～100%。管道整個截面發生斷裂或泄漏孔徑近似等于管徑時，泄漏口處的燃氣壓力和周圍大氣壓相差不大，這時得到聲速和非聲速情況下管道泄漏模型的泄漏率[9]為：

式中：T3、T4為泄漏點處、泄漏點距離上游L處管道內燃氣溫度，K；P3、P4為泄漏點處、泄漏點距離上游L處管道內燃氣溫度，K。

依據不同管道壓力和泄漏孔徑可以計算泄漏量，由于泄漏燃氣相對密度小于或接近1，第三方外力破壞下管道大面積穿孔的泄漏擴散模式多為地面連續點源擴散，燃氣泄漏后會在泄漏源附近形成氣團，目前國內外應用較為廣泛的是根據統計理論建立起來的假設煙羽濃度為正態分布的高斯煙羽模型。對于埋地管道在外力破壞下的泄漏可以當作零高度連續，即從地面點源氣體擴散，對于平均風速大于1m/s 時，持續泄漏氣體在地面（x，y）處擴散的濃度為：

式中：C（x，y）為擴散氣體在地面點（x，y）處的濃度，kg/m3；x為下風方向上擴散距離，m/s；y為側風方向上擴散距離，m/s；Q為氣體泄漏率，kg/s；u為平均風速，m/s；σy為側風方向上擴散系數，m；σz為垂直高度方向擴散系數，m。

在燃氣擴散模型中，氣體擴散參數具有不確定性，與大氣穩定度、風速及太陽輻射等級等有關。在大氣穩定度確定的條件下，擴散系數的確定有多種方法，如P-G擴散曲線、Briggs 擴散曲線、TVI擴散曲線等，這些擴散曲線具有不同的適應性。對于城市地區，本文擴散系數采用Briggs擴散系數 （城市）計算公式，如表1所示。

表1 城市地區Briggs擴散系數 （城市）

3 危險濃度區域的劃分

可燃氣體泄漏的危險區域一般指的是可燃氣體發生爆炸或者火災的事故影響區域，如果在實際情況中發生真實爆炸或火災事故，則會造成極其嚴重的危害和損失。通常情況下，城市燃氣管道氣體主要為甲烷，甲烷泄漏后與空氣混合，產生爆炸危險的濃度范圍為 5%～15%，由甲烷的分子量和密度可以求出對應的爆炸質量濃度范圍是 0.0349～0.1138kg/m3，利用高斯煙羽模型模擬結果，將此濃度范圍定義為爆炸危險濃度區域。在該區域，氣團遇熱源或者火源會被點燃發生燃燒或者爆炸危險，位于此區域的人員應迅速撤離。

盡管甲烷屬于可燃氣體，并沒有毒性，但是泄漏氣體與空氣混合時濃度過高，會造成人體呼吸困難，會使人體心跳加快、呼吸急促，進而讓人惡心、嘔吐、虛脫、失去理智和知覺、造成不可逆轉的腦神經損傷，嚴重時直接造成呼吸停止。目前在我國并沒有對職業接觸甲烷濃度極限值作出規定，參考空氣中二氧化碳進行分析，當二氧化碳濃度達到1 000×10-6（1%），人體將會產生昏昏欲睡等身體不適的生理反應。參考瑞士甲烷職業接觸極限值標準，當人體接觸甲烷濃度超過 0.0067kg/m3（0.94%）時，進入該濃度范圍區域的搶險人員必須佩戴專業的防護用具，同時應將該區域的人員進行疏散，因此將甲烷濃度為 0.0067kg/m3以上的區域劃定對人體產生不適癥狀的危害區域。

4 案例及風險分析

城市燃氣輸配管網系統中，管道多為中低壓類型。根據外力破壞作用下管徑損壞尺寸20%～100%兩種情況，取管道直徑100mm，已知燃氣泄漏孔距上游截斷閥間距為 2km，管道氣體溫度為 25℃，管道內徑為 100mm，輸送氣體摩爾質量為 17g/mol，動力黏度為 1.0395×10-5Pa·s，估算燃氣管道在次高壓、中壓及低壓狀態下在不同的管徑破損模式下的天然氣泄漏流量，如圖2所示。

圖2 城市燃氣管道在不同的破損孔徑比的燃氣泄漏流量

從圖2可以看出，在同一壓力下，管道燃氣泄漏量隨破損孔徑增大而增加，在低壓狀態下的燃氣泄漏量要明顯小于中壓和次高壓管道；在上述三個壓力等級下，泄漏量近似隨著壓力等級增加呈現等比例增大，說明壓力對泄漏量的影響很大。所以在管道燃氣泄漏事故中，壓力等級越大的管道發生事故造成的危害也越大，這就要求對壓力等級較大的燃氣管道更要重點加強管理和保護，以防惡性泄漏事故的發生。

以我國某沿海城市為例，其大氣穩定度為常值，年平均風速為 3m/s，取中壓B管道（壓力0.15MPa、管徑200mm）在不同的孔徑破損下（20%～100%）的擴散濃度進行計算，以此為基礎得到下風向區域進行危害程度評價，如圖3所示。

圖3顯示了燃氣在下風方向上泄漏擴散分為4個區域，黑色區域表示燃氣高濃度區域（大于15%），深灰色區域代表燃氣處于爆炸濃度范圍（5%～15%），淺灰色區域表示燃氣濃度對人體產生不適癥狀的區域（0.94%～5%），其他白色區域表示為安全濃度區域（＜0.94%）。由圖3可知，外力破壞造成的破損孔徑越大，下風方向上等濃度天然氣形成的燃爆和對人體產生不適癥狀濃度區域面積就越大。例如中壓B管道，在破損孔徑比為20%、60%和100%時，對應燃爆區域的最大擴散距離分別為10.7m、32.2m和53.9m，對應人體產生不適癥狀的危害區域最大擴散距離分別為24.8m、75m和126.1m，對應燃爆濃度區域面積為23m2、207.9m2和579.8m2，對人體產生不適癥狀區域面積為123m2、207.9m2、3 128.3m2。因此當出現外力破壞造成燃氣管道泄漏時，根據等濃度線劃定的區域，在淺灰色區域的作業或搶險人員將出現頭痛、頭暈、呼吸困難等癥狀，應迅速采取防護措施；位于深灰色區域的人員將面臨爆炸的危險，應迅速撤離。

圖3 不同壓力和泄漏孔徑下的管道燃氣泄漏危險濃度區域

根據公式（5）可以得到風速和泄漏流量影響下的燃氣擴散警戒距離，如圖4所示，在無法預估風向的情況下，可以采用下風向的最遠燃氣擴散距離作為警戒距離。可以看出，在相同的泄漏量下，環境大氣風速越大，爆燃濃度區域和人體危害濃度區域下對應的最小安全距離也就越小，說明環境風速越大，越有利于燃氣在大氣中的擴散和稀釋，產生危害區域的面積也就越小。在靜風條件下（u=1m/s）氣體擴散最慢，燃氣泄漏產生危害相對更嚴重，表明最大危害程度通常在風力微弱的氣象條件下出現，且此種情況下人員受到危害的風險最為嚴重。通過對上述結果分析可知，燃氣擴散危害范圍與管道壓力、泄漏孔徑、風速、大氣穩定度等因素密切相關，根據泄漏擴散天然氣的濃度分布可進行人體危害區域劃分，并劃定安全警戒范圍，對于第三方外力破壞造成燃氣管道泄漏事故預警、疏散、搶修和應急處理等危險防控具有重要的現實作用和意義。

圖4 不同風速和泄漏量條件下燃氣擴散警戒距離

5 結論

1）根據2016—2020年近五年時間燃氣事故統計數據來看，燃氣爆炸事故頻繁發生，引發燃氣爆炸事故的主要風險是室內燃氣泄漏和外力破壞導致管網燃氣泄漏，其中，第三方施工和外力破壞管道泄漏事故處于高發，占了所有事故的19%，外力破壞造成管道燃氣泄漏事故需要引起重視和重點管控。

2）由于外力破壞造成燃氣管道破裂泄漏量大，一般泄漏孔周長為管徑的 20%～100%，屬于大孔泄漏或管道泄漏類型，在風險評價和管道事故應急搶險過程中，出于安全的考慮，當事故發生初期無法馬上判斷破損孔徑時，估算預警泄漏流量時，應本著災害最大化原則進行后果預測，進行警戒范圍劃定。

3）基于泄漏源強度和高斯擴散模型，對危險濃度區域進行了定義劃分，得到了燃爆濃度區域和對人體產生不適癥狀的危害濃度區域；燃氣擴散危害范圍與管道壓力、泄漏孔徑、風速及大氣穩定度等因素密切相關，泄漏孔徑越大，管道壓力越大，風力越微弱，對人體產生危害的區域面積越大，由此可以劃定安全警戒范圍，對于第三方外力破壞造成燃氣管道泄漏事故預警、人員疏散和應急處理等起到重要參考作用。