摘要：论述了城市高压输气管道安全控制的现状，造成城市高压输气管道破裂泄漏的主要潜在危险因素，高压输气管道破裂泄漏事故过程分析，泄漏量、喷射火焰高度、爆炸冲击波损害半径的计算，提出了天然气高压输气管道及设施的安全防范措施。
关键词：高压输气管道；泄漏；数学模型；安全评价
Impact Analysis of Leakage Accident due to Breakage of High-pressure Gas Transmission Pipeline
YANG Guang，GU Kai
Abstract：A discussion is made on the present status of safety control of city high-pressure gas transmission pipeline，the main potential risk factors causing breakage leakage of city high-pressure gas transmission pipeline，the process analysis of leakage accident due to breakage of high-pressure gas transmission pipeline，and the calculation of leakage quantity，spray flame height and damage radius of blast shock wave. The safety prevention measures for high-pressure natural gas transmission pipeline and facilities are put forward.
Key words：high-pressure gas transmission pipeline；leakage；mathematical model；safety evaluation
1 城市燃气高压管道现状
我国的城市燃气管网建设早期参照苏联的模式，主要通过对安全间距的控制来提高管网的安全性，输送压力越高，安全间距越大，从而降低事故损失，其有效性显而易见。因此，高压管道通常建设在城市外围人口密度小、路面宽阔的道路下面。但是，我国城市化进程不断加快，城市建设日新月异，不可再生的土地资源越来越稀缺，地价飞涨，原先埋设在城市边缘的高压输气管道两边人口变得越来越稠密，高楼、学校、工厂、地铁、城市快速路建设，使这类地区变成城市三类、四类地区，地下各类市政设施变得拥挤，例如电缆沟、排水管、地铁、人防、高层建筑的地下室等，使高压燃气管道的安全性越来越引起人们的重视。
面对这些新问题，我们需要有针对性地对城市高压输气管道潜在的危险因素加以分析，尤其对高压管道破裂，天然气泄漏后的影响范围、危害性认真研究，从而及时有效地采取防范措施，在事先预防、事中控制、事后处置的过程中，建立起一套适合自身特点的事故预警和应急处置机制。
2 造成管道破裂泄漏的主要潜在危险因素
外力破坏是目前高压输气管道破裂造成天然气泄漏主要危险因素，包括人为破坏和自然灾害破坏。人为破坏主要指第三方破坏，即不在管道单位的巡查及监督管理下，施工单位野蛮施工挖破管道、沿线违章骑压管道、运移土层，造成管道暴露及悬空等，致使输气管道破裂，天然气大量泄漏，其主要行为有打桩、挖掘、打地质探测井、定向钻、大开挖等机械施工。自然灾害破坏主要指在台风、地震、暴雨、洪水、地基塌陷等情况下，发生泥石流、土层移动、坍塌等，造成管道暴露、悬空及位移，受外力而破坏[1]。
另外，造成管道破裂的其他因素还有施工安装缺陷、燃气管道腐蚀失效、燃气管道材料选用不当等。
3 高压输气管道破裂事故分析[2、3]
高压输气管道破裂后天然气泄漏事故过程可以分为4个阶段：泄漏、形成火球、喷射火焰、爆炸。根据国内外的经验和实际发生的案例，高压输气管道破裂后发生泄漏、形成火球、喷射火焰、爆炸的概率分别为0.90、0.01、0.05、0.04。
① 泄漏
由于天然气比空气轻，管道内的天然气泄漏后会在泄漏点上空积聚并不断向上扩散，这是事故发生的初始阶段，也是最有利于控制，将危害降低到最小的关键时期。这一时期采取的最有效控制措施包括：迅速切断泄漏点上下游阀门，从源头控制泄漏量，用消防水对破裂处喷水，防止因天然气喷射流速过高产生静电起火，同时对泄漏天然气进行稀释。
② 形成火球
天然气泄漏后若尚未与空气充分混合即被点燃，属扩散式燃烧，形成球形或半球形火体，对周围产生强烈的热辐射。
③ 喷射火焰
从破裂口喷出的天然气被引燃并稳定燃烧，就形成喷射火焰，对周围人员、财产造成危害。这时候不能立即将从破裂口喷出的天然气火焰扑灭，而是应该首先将破裂口上、下游阀门关闭，防止火焰被熄灭后，新喷出的天然气再次积聚，造成更大的威胁。
④ 爆炸
大量天然气迅速泄漏到大气中，当天然气和空气的混合物处在爆炸极限范围内，遇到明火、静电等点火源，则可能发生爆炸。这时的影响范围非常大，瞬间会形成高温气体，造成强的热辐射和冲击波，对周围建筑物和人员造成大的伤害，其危害性远大于其他阶段。
4 数学模型建立与分析
国内外相关资料表明，形成火球阶段受外界条件制约较多，过程短，出现概率小，相关数据资料较少。因此，我们着重对高压输气管道破裂后气体泄漏、喷射火焰、爆炸这3个过程建立数学模型进行分析。以广东进口天然气组成为例，对ф508、运行压力为1.6MPa的城市次高压输气管道破裂泄漏的影
响进行分析。
① 泄漏
高压输气管道破裂后，大量的天然气从破裂口喷射出来，泄漏危害范围近似一个扇形区域，其扇形的扩散角约40°[4]。管道中天然气泄漏质量流量与其流动状态有关。当式(1)成立时，泄漏口天然气喷射属于声速流动：
式中p0——环境大气压力，Pa
p——管道内天然气绝对压力，Pa
κ——气体等熵指数，天然气取1.29
经计算，该管道破裂后泄漏口天然气流动状态为声速流动，泄漏质量流量按式(2)计算[4]：
式中qm——天然气泄漏质量流量，kg/s
C——气体泄漏系数，与裂口形状有关，裂口形状为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90
A——裂口面积，m2
M——天然气摩尔质量，kg/mol，取18.3kg/mol
R——摩尔气体常数，J/(mol·K)，取8.314J/(mol·K)
T——天然气温度，K，取293K
为了便于分析，我们设定前提条件：在泄漏过程中管道内天然气压力恒定为1.6MPa，裂口形状为圆形，C=1.00。由此我们可以得到高压输气管道破裂后泄漏量与泄漏时间的关系见式(3)，计算结果见表1。
m=qmt (3)
式中m——泄漏量，kg
l——泄漏时间，s
表1 高压输气管道破裂后裂口面积、泄漏时间与泄漏量的关系
裂口面积A/m2 | 天然气泄漏质量流量qm/(kg·s-1) | 泄漏时间t/s | 泄漏量m/kg |
3.14×10-4 | 0.97 | 60 | 58.2 |
300 | 291.0 |
900 | 873.0 |
19.62×10-4 | 6.08 | 60 | 364.8 |
300 | 1824.0 |
900 | 5472.0 |
78.50×10-4 | 24.34 | 60 | 1460.4 |
300 | 7302.0 |
900 | 21906.0 |
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