外力破坏作用下燃气管道突发性破损泄漏扩散及风险分析

周 雄，方丽萍，陈 雄，梁金禄

（北部湾大学 石油与化工学院，广西钦州 535000）

随着当前城市化进程的快速发展，导致城市人口密度的迅速增加，天然气消费量也是与日俱增，越来越多的城市燃气管道广泛地分布在人口稠密和建筑物密集的地区，形成一个复杂的、网络化城市燃气管网系统，成为人们生活必不可缺公共设施，被喻为城市的生命线。近些年来，由于历史、技术和建设等诸多原因，特别是城镇发展建设活动对天然气管道的侵扰，城市燃气管网燃爆事故时有发生，使得城市燃气管道发生泄漏、中毒或爆炸等危险事故的发生几率不断增加[1]。其中以第三方的施工和破坏（机械撞击、地面施工开挖等）造成燃爆事故的影响最为突出，其特点是燃气管道破损事发突然，管道破损面积大，燃气泄漏量大，在人口密集区或人流量大的区域，极易诱发火灾、爆炸或中毒事故，造成重大人员伤亡、经济损失和不良的社会影响。

由于第三方外力破坏作用下燃气管道泄漏造成燃爆事故频繁，就迫使人们不得不对城市燃气管网突发事件的研究给予充分的重视。因此，本文将根据城市燃气管网系统的运行状态，对第三方外力破坏造成管道燃气泄漏和扩散模型进行研究，分析泄漏燃气在地面扩散的特征，预测燃气扩散所形成的危险区域，明确燃气管道泄漏事故的危害半径，为第三方外力破坏作用燃气泄漏事故发生后的预警、疏散和应急救援等危险防控提供重要参考依据。

1 外力破坏作用下城市燃气泄漏爆炸事故统计

城市燃气气源主要包括液化石油气、天然气、人工煤气。随着城市化进程加速，低碳经济和节能减排的社会需求不断扩大，目前我国人工煤气供气总量呈下降趋势[2]，对于清洁能源天然气的需求和使用在不断加大，但燃气事故却频繁发生，其中以城市燃气管道泄漏爆炸最为突出，具有突发性、严重性、复杂性、较大的危险性等特点。本文根据燃气爆炸微信公众平台，收集了2016—2020年国内城市燃气管道泄漏事故案例共计3 591起，平均每天约有2起燃气爆炸事故，见图1所示。

图1 2016—2020年国内城市燃气管道泄漏事故数据

根据统计情况来看，2016—2020年近五年时间引发燃气事故的主要风险是室内燃气泄漏和外力破坏导致管网燃气泄漏，其中外力损坏燃气管道共有691起为，第三方施工破坏造成的事故仍然处于高发，占了所有事故的19%。由此看出外力破坏是造成管道燃气泄漏的主要危险因素，主要表现为人为因素破坏，即不在管道单位的的巡查及监督管理下，施工单位同时又对地下管道的类别、方位、分布、介质等完全不了解，进行野蛮施工挖破管道、沿线违章压管道、运移土堆，造成管道暴露及悬空等机械施工，致使输气管道破裂及燃气泄漏，主要行为有打桩、挖掘、打地质探井、定向钻、大开挖等。由于外力破坏造成燃气管道破裂泄漏量大，极易诱发燃烧或爆炸危险，最容易导致重大人员伤亡，因此，研究外力破坏燃气管道破裂的泄漏扩散特征和风险区域，对燃气泄漏应急救援和决策指挥具有重要的意义。

2 外力破坏作用下燃气管道泄漏和扩散模型

燃气泄漏量大小影响着扩散浓度的大小以及扩散范围，是决定火灾、爆炸等事故隐患的首要因素。经过学者大量分析研究，根据泄漏孔径的大小，通常将管道泄漏模型分为小孔模型（泄漏孔径比＜0.2）、大孔模型（泄漏孔径比0.2～0.8）、管道模型（泄漏孔径比0.8～0.1）等三种类型[3]。而外力机械破坏造成燃气管道破裂面积一般比较大，泄漏孔周长为管径的 20%～100%，属于大孔泄漏或管道断裂泄漏类型。在实际工程运用中，燃气管道开始泄漏瞬间以及泄漏管道上游的阀门被关闭后，燃气流动是非稳定的，但是从气体泄漏到切断气源需要一定的时间，切断气源前，气体流动可以看作是稳态的，在风险评价和管道泄漏事故应急抢险过程中，比较关心的往往是这种燃气管道持续泄漏的情况。

2.1 大孔泄漏模型

泄漏孔口处泄漏率的大小取决于泄漏孔处的流动状态，其判别标准由临界压力比CPR值来确定，即：

式中：Pα为大气环境的压力，Pa（绝）；Pc为泄漏处中心点的临界压力，Pa；k为燃气的等熵指数，天然气一般取1.3。

式中：Q为气体泄漏率，kg/s；C0为孔口流量系数，与泄漏口的形状有关；Ah为泄漏孔口面积，m2；M为气体的摩尔质量，kg/mol；Z为压缩因子；R为理想气体常数，为 8.314J/（mol·K）；T2为泄漏口处对应管道中心点气体温度，K；P2为泄漏口处对应管道中心点压力，Pa。

2.2 管道破裂泄漏模型

由于外力干扰或超压导致管道破裂，出现大面积泄漏，泄漏口面积通常为管道截面积的80%～100%。管道整个截面发生断裂或泄漏孔径近似等于管径时，泄漏口处的燃气压力和周围大气压相差不大，这时得到声速和非声速情况下管道泄漏模型的泄漏率[9]为：

式中：T3、T4为泄漏点处、泄漏点距离上游L处管道内燃气温度，K；P3、P4为泄漏点处、泄漏点距离上游L处管道内燃气温度，K。

依据不同管道压力和泄漏孔径可以计算泄漏量，由于泄漏燃气相对密度小于或接近1，第三方外力破坏下管道大面积穿孔的泄漏扩散模式多为地面连续点源扩散，燃气泄漏后会在泄漏源附近形成气团，目前国内外应用较为广泛的是根据统计理论建立起来的假设烟羽浓度为正态分布的高斯烟羽模型。对于埋地管道在外力破坏下的泄漏可以当作零高度连续，即从地面点源气体扩散，对于平均风速大于1m/s 时，持续泄漏气体在地面（x，y）处扩散的浓度为：

式中：C（x，y）为扩散气体在地面点（x，y）处的浓度，kg/m3；x为下风方向上扩散距离，m/s；y为侧风方向上扩散距离，m/s；Q为气体泄漏率，kg/s；u为平均风速，m/s；σy为侧风方向上扩散系数，m；σz为垂直高度方向扩散系数，m。

在燃气扩散模型中，气体扩散参数具有不确定性，与大气稳定度、风速及太阳辐射等级等有关。在大气稳定度确定的条件下，扩散系数的确定有多种方法，如P-G扩散曲线、Briggs 扩散曲线、TVI扩散曲线等，这些扩散曲线具有不同的适应性。对于城市地区，本文扩散系数采用Briggs扩散系数 （城市）计算公式，如表1所示。

表1 城市地区Briggs扩散系数 （城市）

3 危险浓度区域的划分

可燃气体泄漏的危险区域一般指的是可燃气体发生爆炸或者火灾的事故影响区域，如果在实际情况中发生真实爆炸或火灾事故，则会造成极其严重的危害和损失。通常情况下，城市燃气管道气体主要为甲烷，甲烷泄漏后与空气混合，产生爆炸危险的浓度范围为 5%～15%，由甲烷的分子量和密度可以求出对应的爆炸质量浓度范围是 0.0349～0.1138kg/m3，利用高斯烟羽模型模拟结果，将此浓度范围定义为爆炸危险浓度区域。在该区域，气团遇热源或者火源会被点燃发生燃烧或者爆炸危险，位于此区域的人员应迅速撤离。

尽管甲烷属于可燃气体，并没有毒性，但是泄漏气体与空气混合时浓度过高，会造成人体呼吸困难，会使人体心跳加快、呼吸急促，进而让人恶心、呕吐、虚脱、失去理智和知觉、造成不可逆转的脑神经损伤，严重时直接造成呼吸停止。目前在我国并没有对职业接触甲烷浓度极限值作出规定，参考空气中二氧化碳进行分析，当二氧化碳浓度达到1 000×10-6（1%），人体将会产生昏昏欲睡等身体不适的生理反应。参考瑞士甲烷职业接触极限值标准，当人体接触甲烷浓度超过 0.0067kg/m3（0.94%）时，进入该浓度范围区域的抢险人员必须佩戴专业的防护用具，同时应将该区域的人员进行疏散，因此将甲烷浓度为 0.0067kg/m3以上的区域划定对人体产生不适症状的危害区域。

4 案例及风险分析

城市燃气输配管网系统中，管道多为中低压类型。根据外力破坏作用下管径损坏尺寸20%～100%两种情况，取管道直径100mm，已知燃气泄漏孔距上游截断阀间距为 2km，管道气体温度为 25℃，管道内径为 100mm，输送气体摩尔质量为 17g/mol，动力黏度为 1.0395×10-5Pa·s，估算燃气管道在次高压、中压及低压状态下在不同的管径破损模式下的天然气泄漏流量，如图2所示。

图2 城市燃气管道在不同的破损孔径比的燃气泄漏流量

从图2可以看出，在同一压力下，管道燃气泄漏量随破损孔径增大而增加，在低压状态下的燃气泄漏量要明显小于中压和次高压管道；在上述三个压力等级下，泄漏量近似随着压力等级增加呈现等比例增大，说明压力对泄漏量的影响很大。所以在管道燃气泄漏事故中，压力等级越大的管道发生事故造成的危害也越大，这就要求对压力等级较大的燃气管道更要重点加强管理和保护，以防恶性泄漏事故的发生。

以我国某沿海城市为例，其大气稳定度为常值，年平均风速为 3m/s，取中压B管道（压力0.15MPa、管径200mm）在不同的孔径破损下（20%～100%）的扩散浓度进行计算，以此为基础得到下风向区域进行危害程度评价，如图3所示。

图3显示了燃气在下风方向上泄漏扩散分为4个区域，黑色区域表示燃气高浓度区域（大于15%），深灰色区域代表燃气处于爆炸浓度范围（5%～15%），浅灰色区域表示燃气浓度对人体产生不适症状的区域（0.94%～5%），其他白色区域表示为安全浓度区域（＜0.94%）。由图3可知，外力破坏造成的破损孔径越大，下风方向上等浓度天然气形成的燃爆和对人体产生不适症状浓度区域面积就越大。例如中压B管道，在破损孔径比为20%、60%和100%时，对应燃爆区域的最大扩散距离分别为10.7m、32.2m和53.9m，对应人体产生不适症状的危害区域最大扩散距离分别为24.8m、75m和126.1m，对应燃爆浓度区域面积为23m2、207.9m2和579.8m2，对人体产生不适症状区域面积为123m2、207.9m2、3 128.3m2。因此当出现外力破坏造成燃气管道泄漏时，根据等浓度线划定的区域，在浅灰色区域的作业或抢险人员将出现头痛、头晕、呼吸困难等症状，应迅速采取防护措施；位于深灰色区域的人员将面临爆炸的危险，应迅速撤离。

图3 不同压力和泄漏孔径下的管道燃气泄漏危险浓度区域

根据公式（5）可以得到风速和泄漏流量影响下的燃气扩散警戒距离，如图4所示，在无法预估风向的情况下，可以采用下风向的最远燃气扩散距离作为警戒距离。可以看出，在相同的泄漏量下，环境大气风速越大，爆燃浓度区域和人体危害浓度区域下对应的最小安全距离也就越小，说明环境风速越大，越有利于燃气在大气中的扩散和稀释，产生危害区域的面积也就越小。在静风条件下（u=1m/s）气体扩散最慢，燃气泄漏产生危害相对更严重，表明最大危害程度通常在风力微弱的气象条件下出现，且此种情况下人员受到危害的风险最为严重。通过对上述结果分析可知，燃气扩散危害范围与管道压力、泄漏孔径、风速、大气稳定度等因素密切相关，根据泄漏扩散天然气的浓度分布可进行人体危害区域划分，并划定安全警戒范围，对于第三方外力破坏造成燃气管道泄漏事故预警、疏散、抢修和应急处理等危险防控具有重要的现实作用和意义。

图4 不同风速和泄漏量条件下燃气扩散警戒距离

5 结论

1）根据2016—2020年近五年时间燃气事故统计数据来看，燃气爆炸事故频繁发生，引发燃气爆炸事故的主要风险是室内燃气泄漏和外力破坏导致管网燃气泄漏，其中，第三方施工和外力破坏管道泄漏事故处于高发，占了所有事故的19%，外力破坏造成管道燃气泄漏事故需要引起重视和重点管控。

2）由于外力破坏造成燃气管道破裂泄漏量大，一般泄漏孔周长为管径的 20%～100%，属于大孔泄漏或管道泄漏类型，在风险评价和管道事故应急抢险过程中，出于安全的考虑，当事故发生初期无法马上判断破损孔径时，估算预警泄漏流量时，应本着灾害最大化原则进行后果预测，进行警戒范围划定。

3）基于泄漏源强度和高斯扩散模型，对危险浓度区域进行了定义划分，得到了燃爆浓度区域和对人体产生不适症状的危害浓度区域；燃气扩散危害范围与管道压力、泄漏孔径、风速及大气稳定度等因素密切相关，泄漏孔径越大，管道压力越大，风力越微弱，对人体产生危害的区域面积越大，由此可以划定安全警戒范围，对于第三方外力破坏造成燃气管道泄漏事故预警、人员疏散和应急处理等起到重要参考作用。