天然气管道泄漏喷射火事故研究_蒋俊令.pdf

2023 年 第 2 期 化学工程与装备 2023 年 2 月 Chemical Engineering&Equipment 247 天然气管道泄漏喷射火事故研究天然气管道泄漏喷射火事故研究5 5 蒋俊令1，李海霞2，杨茗铠1（1重庆科技学院安全工程学院；2重庆科技学院数理与大数据学院，重庆 401331）摘 要：摘 要：近年来，天然气的发展不断加快，管道运输被广泛用于我国的天然气输送系统。运输天然气的管道发生泄漏导致事故在我国极为频繁，造成大量人员伤亡和财产损失，天然气管道泄漏事故中又以喷射火事故为主。本文收集整理国内外学者对于喷射火的规律研究相关文献，分析现有研究成果，综述了对喷射火事故后果的研究现状，分析了影响喷射火事故危害的因素，为喷射火事故发生后的后果评估提供理论和技术支撑。关键词：关键词：天然气管道；喷射火；危害；影响 基金项目：基金项目：重庆科技学院研究生科技创新计划项目资助（项目编号：YKJCX2020704）引 言 引 言 天然气是重要的清洁能源，是世界一次能源的三大支柱之一1。管道运输被广泛用于我国的天然气输送系统。由于种种原因，运输过程中常会有气体从管道泄漏。当天然气管道泄漏后，可能发生的状况为安全扩散、喷射火、火球及蒸气云爆炸，根据 API5812，发生安全扩散、喷射火、火球、蒸气云爆炸的概率分别为 0.8、0.1、0.06 和 0.04，由此可以得知天然气泄漏导致火灾事故的概率较大，其中以喷射火为主。因此有必要对喷射火事故进行深入研究，分析总结当前研究工作的现状，为事故发生前的防范以及事故发生后的救援提供理论以及技术支撑。1 城市天然气喷射火事故的典型案例 1 城市天然气喷射火事故的典型案例 近年来，城市天然气管道喷射火事故时有发生，对人们造成了巨大的人身伤亡以及财产损失。2010 年 9 月 9 日，美国加州旧金山湾区太平洋煤电公司的高压天然气输送管道发生爆裂后产生喷射火事故，造成 8 人丧生、66 人受伤和 38 栋房屋被完全烧毁。2014 年 6 月 22 日，印度 GAIL 公司长输天然气管道发生爆裂，泄漏天然气被立即引燃产生喷射火事故，此次事故共有 40 人重伤，18 人死亡。2014 年10月31日，河北唐山一乡村的天然气管道因施工外力破坏，发生泄漏遇明火点燃，形成了喷射火事故，导致 2 人死亡。2017 年 7 月 2 日，位于我国贵州省黔西南州晴隆县的中石油公司天然气管道发生泄漏燃烧，引发重大喷射火事故，火焰持续喷射近 3 小时，此次事故共有 35 人受伤、8 人死亡。2018 年 3 月 31 日，埃及艾因苏赫奈市区一天然气管道在施工过程中发生泄漏起火，事故共有 6 人受伤、2 人死亡。由此可以看出，天然气管道泄漏喷射火事故有着巨大的危害性，因此对于喷射火影响因素以及危害的研究尤为重要。2 喷射火影响因素的研究 2 喷射火影响因素的研究 喷射火的影响因素主要有两方面：气体介质和环境介质3。气体介质包括介质密度、温度、喷射出口形状、压力和速度；环境介质包括环境密度、温度和风速等因素。2.1 障碍物对喷射火的影响 在没有障碍物存在的条件下，火焰的传播状态为层流状态4。当障碍物存在时，会使火焰面发生明显的变形与扭曲。在湍流较小的区域，火焰面保持持续的层流火焰，而在湍流较大的区域火焰会出现明显的变形，湍流大涡团的存在会使火焰面产生很大的变形。当管道泄漏口前方存在障碍物时，火焰的传播会被明显阻挡，其阻挡效果取决于障碍物的高度和宽度。当障碍物的高度与宽度变大时，对火焰传播的阻挡效果就相应变大，而障碍物后方的温度与热辐射就相应下降，火焰高度先变低后增高5。但当障碍物继续变大时，后方温度和热辐射的下降开始慢慢减弱。障碍物离泄漏孔距离的远近也对喷射火的火焰有着显著影响，当间距增加时，轴线方向的温度先增加后下降，最高温度分布区域约为火焰长度的 40%50%6。2.2 泄漏孔对喷射火的影响 天然气管道泄漏孔的形状对喷射火火焰形状以及热辐射具有明显的影响，它能够直接影响火焰的形状轮廓以及射流传播路径7。矩形泄漏孔是当前喷射火研究中主要的喷射孔形状，因为矩形泄漏孔和普通圆孔所产生的喷射火火焰形状不同。矩形泄漏孔根据长宽比的不同分为正方形泄漏孔和长方形泄漏孔，长宽比的不同对喷射火热辐射以及火焰形状有较大的影响。正方形泄漏孔的喷射火焰形状在无环境风的情况下是椭圆形的，而长方形泄漏孔的喷射火焰形状在无环境风的情况下是呈圆形的。正方形泄漏孔喷射火热辐射传播距离要高于长方形泄漏孔喷射火的距离8。天然气管道在不同方向发生泄漏时，其对喷射火的影响DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.088248 蒋俊令：天然气管道泄漏喷射火事故研究 有明显不同9。当泄漏孔在管道底部时，造成的危害范围较小，因为地面能够有效对火焰进行阻挡；当泄漏孔在管道侧面时，形成水平喷射火，造成的温度与热辐射最高，危害范围最大；当泄漏孔在管道顶部时，危害范围最小，因为这时喷射火的高温和热辐射区域均在管道的正上方。2.3 环境介质对喷射火的影响 在没有风的条件时，喷射火的火焰形状是垂直、对称的，并随着燃料射流速度的增加火焰从稳定附着变为推举火焰。当水平环境风出现时，随着风速的增加，火焰开始从稳定附着变为下洗临界，然后出现下洗，最终迎风侧和背风侧先后发生脱离，直到成为稳定推举火焰10，如图 1 可见。图 1 喷射火火焰在风速影响下的变化图 图 1 喷射火火焰在风速影响下的变化图 环境气压对喷射火的特性也有一定影响，Zhang 等11在高原和平原地区进行了喷射火实验，研究得出低压环境下的火焰高度要高于高压环境，这是因为低压环境下氧气浓度更低，所以燃烧卷吸空气距离更长。在低压环境中，喷射火火焰的推举高度还受到燃料喷出速度的影响，喷射速度越快火焰高度越高，风速越快火焰高度越低。在高压环境中，火焰长度随着风速的增加而减小，在减小到一个最小值后长度就会逐渐稳定。当水平风速的增加时，喷射火的温度会相应降低，因为风速增大会导致空气的卷吸速率增大进而使热释放速率也逐渐降低。3 喷射火的危害后果研究 3 喷射火的危害后果研究 喷射火事故发生后会造成巨大的人员伤亡以及财产损失，主要因为喷射火的高温以及热辐射危害12。喷射火事故发生时产生会在周围形成超过 1200 度的高温以及热辐射场，高温和热辐射能够直接对人员或机械设备造成损伤。高温和热辐射存在的区域可以定义为危害范围，危害半径的大小直接影响危害后果的严重程度。热辐射通量 I 和喷射火危害半径 rf分别为：（1）（2）式中：为辐射率；为天然气燃烧热；为大气透射率；为喷射火到给定位置的喷射距离；常数C1=0.548，C2=4.11310-3、C3=0.57。当天然气管道泄漏后，喷射压力和泄漏孔径以及风速会对危害半径造成影响。危害半径会随着泄漏孔径、风速、压力的增大而增大，危害范围也相应增大。4 总 结 4 总 结 本文对现今天然气管道泄漏喷射火事故的研究进行了综述，对影响喷射火的危害的不同因素进行了分析。当管道泄漏孔前方障碍物的高、宽度越大时，障碍物后方的危害性就越小；泄漏孔径越大、风速越大，喷射火造成的危害就越大；正方形泄漏孔的危害范围大于长方形泄漏孔的危害范围；环境压力越大，喷射火危害性越小。如果想正确阻挡火焰的蔓延且效果最高，可以在喷射火火焰长度的 40%-50%处设置障碍物，这个距离的火焰温度最高。这些结论能为天然气管道检测维护和消防安全工作提供理论支持，也对天然气喷射火事故提供了参考应急救援措施。参考文献 参考文献 1 赵秀雯,于力,柴建设.天然气管道安全M.北京:化学工业出版社,2013:31-35.2 Risk-based Inspection Technology.American Petroleum Institute：API581S.2008.3 侯宽新.基于详细化学反应机理的燃烧室燃烧流场计算D.南京航空航天大学,2007.4 杜扬,李国庆,王世茂,等.障碍物数量对油气泄压爆炸特性的影响J.化工学报,2017,68(07):2946-2955.5 董炳燕,黄有波,孟江,等.障碍物对天然气喷射火影响的数值模拟研究J.中国安全生产科学技术,2016,12(01):111-116.6 李玉星,刘鹏,耿晓茹,等.障碍物条件下的甲烷水平喷射火燃烧特性研究J.油气田地面工程,2019,38(10):7-13.（下转第 264 页）（下转第 264 页）264 渠 浩：基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价方法 2 吴志远,张丽娜,夏天翔,等.基于土壤重金属及PAHs 来源的人体健康风险定量评价:以北京某工业污染场地为例J.环境科学,2020,41(09):4180-4196.3 胡宗达,王明全,李育华,等.泸沽湖大草海湖滨带表层土壤的多环芳烃污染状况及其生态风险评价J.湿地科学,2020,18(01):62-70.4 陈苗苗,孙淑,周震峰.典型废旧塑料再生基地周边农田土壤中 PAHs 污染特征及健康风险评价J.环境科学学报,2020,40(05):1836-1847.5 李文静,李杨,傅晓文,等.油田居住区土壤中多环芳烃污染特征与风险评价以胜利油田为例J.科学技术与工程,2021,21(22):9634-9643.6 任加国,龚克,马福俊,等.基于 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component analysis method.Finally,the principal component analysis index is calculated.and modify the parameters.The experimental results show that the results obtained by the designed method are more similar to the real situation,which verifies the effectiveness of the method.Key words:Key words:oil exploitation;PAHs pollution;soil analysis;principal component analysis;（上接第 248 页）_（上接第 248 页）_ 7 黄有波,董炳燕,吕淑然,等.天然气管道泄漏孔形状对喷射火影响模拟研究J.中国安全科学学报,2015,25(07):62-67.8 张媛媛,黄有波,吕淑然.矩形泄漏孔水平喷射火热辐射研究J.中国安全科学学报,2017,27(06):73-78.9 马子超,吕淑然,王春雪,等.高压天然气管道泄漏孔位置对喷射火的影响J.消防科学与技术,2017,36(01):13-15.10 王强.不同环境条件下扩散射流火焰形态特征与推举吹熄行为研究D.中国科学技术大学,2015.11 Zhang X C,Hu L H,Zhu W,et al.Axial temperature profile in buoyant plume of rectangular source fuel jet fire in normal and a sub atmospheric pressureJ.Fuel,2014,134:455-459.12 Laboureur D M,Gopalaswami N,Zhang B,et al.Experimental study on propane jet fire hazards:Assessment of the main geometrical features of horizontal jet flamesJ.Journalof Loss Prevention in 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