朱喜平 張來斌 梁偉 中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院

長輸管道壓氣站定量風(fēng)險評價

朱喜平 張來斌 梁偉 中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院

壓氣站天然氣泄漏導(dǎo)致的常見后果為閃火和蒸汽云爆炸，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等事故的根源是設(shè)備及輸氣管道的泄漏。蒸汽云爆炸沖擊波超壓模型可以計算出沖擊波造成的死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)的傷害半徑；熱輻射對人體的傷害可通過噴射火熱輻射通量對人體造成的損傷程度來衡量，通過模型可以計算出噴射火焰高度和熱輻射死亡區(qū)的面積。通過對天然氣壓氣站的失效頻率和失效后果的計算，可確定爆炸發(fā)生時產(chǎn)生的蒸汽云沖擊波超壓或噴射火熱輻射在某一指定位置的發(fā)生概率和危害程度。

壓氣站；定量風(fēng)險評價；蒸汽云爆炸；噴射火；模型

1 危險辨識與分析

危險辨識是進(jìn)行定量風(fēng)險評價（QRA）的關(guān)鍵步驟，QRA分析首先要辨識出潛在的危險源及其可能導(dǎo)致的后果。

長輸管道壓氣站輸送的介質(zhì)為天然氣，由于天然氣具有可燃性和易爆炸性，是引發(fā)壓氣站火災(zāi)、爆炸的主要危險物質(zhì)。天然氣引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故的原因有設(shè)計缺陷、設(shè)備老化、操作失誤、管理不善、自然災(zāi)害和周邊環(huán)境等。但大多數(shù)情況火災(zāi)爆炸事故的直接原因是由于天然氣的泄漏。因此，在對壓氣站進(jìn)行評價時，應(yīng)針對系統(tǒng)不同的工藝單元的泄漏發(fā)生頻率、泄漏速度對應(yīng)的危害后果進(jìn)行分析和計算。

壓氣站天然氣泄漏導(dǎo)致的常見后果為閃火和蒸汽云爆炸（簡稱“VCE”）。如果人員被閃火火焰所吞沒，致死率將很高。發(fā)生蒸汽云爆炸時對人員可造成如下傷害：可能被爆炸沖擊波震向地面、墻壁和設(shè)備；由于突發(fā)性的壓力改變，導(dǎo)致內(nèi)部傷害；被爆炸沖擊波所產(chǎn)生及震飛的碎片所傷害；被坍塌的建筑物所傷害。

2 事故概率計算

壓氣站導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等事故的根源是設(shè)備及輸氣管道的泄漏。目前，國內(nèi)外大多數(shù)QRA評價中泄漏概率的計算都是部分或完全參考?xì)v史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來源于當(dāng)今世界各大權(quán)威機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫。

按照壓氣站設(shè)備設(shè)施上泄漏孔徑的大小，將泄漏情景分為小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏和全管徑破裂。壓氣站內(nèi)管道的不同孔徑泄漏的概率可按式（1）計算。

式中Fs為設(shè)定設(shè)備設(shè)施的泄漏概率（次/年）；D為設(shè)備或管道的直徑（mm）；d為設(shè)定泄漏孔徑的直徑（mm）。

3 失效后果計算

式中A為蒸汽云的TNT當(dāng)量系數(shù)，取值范圍0.02～14.9%，這個范圍的中值是3%～4%，取4%；WTNT為蒸汽云的TNT當(dāng)量（kg）；Wf為蒸汽云中燃料的總質(zhì)量（kg）；Qf為燃料的燃燒熱（MJ/kg）；QTNT為TNT的爆熱，4.12～4.69 MJ/kg，取4 520 kJ/kg。

蒸汽云爆炸的死亡半徑按式（3）計算。

根據(jù)壓氣站常見事故后果類型，選取以下兩種模型對該站進(jìn)行分析：蒸汽云爆炸沖擊波超壓模型可以計算出沖擊波造成的死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)的傷害半徑；熱輻射對人體的傷害可通過噴射火熱輻射通量對人體造成的損傷程度來衡量，通過模型可以計算出噴射火焰高度和熱輻射死亡區(qū)的面積。

3.1 蒸汽云爆炸的沖擊波超壓計算模型

蒸汽云爆炸的超壓使用TNT當(dāng)量法進(jìn)行計算。TNT當(dāng)量可用式（2）估算。

式中WTNT為爆源的TNT當(dāng)量（kg）。

按式（4）、（5）、（6）計算沖擊波超壓ΔpS。

式中R為目標(biāo)到爆源的水平距離（m）；p0為環(huán)境壓力（Pa）；E為爆源總能量（J/kg）。

對該壓氣站進(jìn)行蒸汽云爆炸傷亡后果的計算，計算結(jié)果見表1。

表1 主要危險源所在工藝單元事故后果計算m

3.2 噴射火災(zāi)危害范圍評價模型

3.2.1 噴射火焰高度

出現(xiàn)大孔洞泄漏時，甲烷噴射火與其氣體運(yùn)動雷諾數(shù)存在的量化關(guān)系，如式（7）。

式中H為火焰長度（m）；D為噴孔直徑（m）；A′為系數(shù)，甲烷取21；v為噴射火焰端部氣體的速度，v（m/s）；g為重力加速度，9.8m/s2。

3.2.2 熱輻射計算

采用噴射擴(kuò)散模式計算噴射火焰的熱輻射。設(shè)噴射火焰為一系列由沿噴射中心線分布且輻射出相等熱量的輻射源組成，則火焰中p點(diǎn)的輻射通量為

式中qp為點(diǎn)源輻射熱通量（W）；η為燃燒效率因子，噴射火取0.35；HC為燃燒熱，天然氣取5×104kJ/kg；Xg為發(fā)射率，噴射火取0.2；r1為距火源的水平距離（m）。

假設(shè)該站分輸出站區(qū)某段管道輸氣壓力為4.0MPa，管徑508mm，溫度20℃，孔口直徑300mm，泄漏時間為60 s，應(yīng)用上述模型對事故后果危害范圍進(jìn)行定量分析，噴射火焰高度為198.98 m，熱輻射死亡區(qū)面積12156 m2。

4 個人風(fēng)險值

通過對天然氣壓氣站的失效頻率和失效后果的計算，確定爆炸發(fā)生時產(chǎn)生的蒸汽云沖擊波超壓或噴射火熱輻射在某一指定位置的發(fā)生概率和危害程度。指定程度的沖擊超壓、熱輻射通量可轉(zhuǎn)換為導(dǎo)致傷亡可能性的條件概率，將傷害程度和死亡可能性聯(lián)系起來，得到個體承受指定程度的沖擊超壓、熱輻射通量的死亡概率，即個人風(fēng)險值。

重大危險源在網(wǎng)格單元（x，y）處產(chǎn)生的個人風(fēng)險計算公式見式（10）。

式中R（x,y）為重大危險源在網(wǎng)格單元（x,y）處產(chǎn)生的個人風(fēng)險總值；Fs為泄漏事件S的年發(fā)生頻率，當(dāng)泄漏頻率很小時（如1×10-3/a），設(shè)備失效分布假設(shè)適用于指數(shù)分布的情況下，一定時間內(nèi)的泄漏事件概率和泄漏頻率基本相同；Pm為天氣等級出現(xiàn)的概率；Pφ為風(fēng)向?出現(xiàn)的概率；Pi為點(diǎn)火源i的點(diǎn)火概率；Ps(x,y)為后果在網(wǎng)格單元（x,y）處導(dǎo)致的死亡概率；S為危險源泄漏事件數(shù)；M為天氣等級數(shù)；?為風(fēng)向數(shù)；I為點(diǎn)火源數(shù)。

通過計算每一個地理位置發(fā)生死亡事故的頻率，將有相同死亡頻率的點(diǎn)在相應(yīng)的位置標(biāo)出并連接成線，即形成個人風(fēng)險等值線。QRA個人風(fēng)險值的計算和等值線的繪制部分主要集中在定量分析軟件的開發(fā)上，本文個人風(fēng)險值計算結(jié)果也是在軟件計算的基礎(chǔ)上得到的。從該壓氣站的平均個人風(fēng)險來看，站場主要工藝單元的個人風(fēng)險值均符合國外主要工作場所最大允許風(fēng)險值為10-5的規(guī)定，屬于可以忽略的風(fēng)險。壓縮機(jī)房、收發(fā)球筒、排污池等單元個人風(fēng)險值偏高，建議作為日常管理的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

將上述定量風(fēng)險評價的方法應(yīng)用于長輸管道壓氣站的風(fēng)險分析和評價，得出以下結(jié)論：

（1）壓氣站涉及主要危險物質(zhì)是天然氣，站場內(nèi)主要工藝設(shè)備設(shè)施天然氣泄漏后可能產(chǎn)生的事故是蒸汽云爆炸和閃火。

（2）現(xiàn)有的成熟事故后果模型種類較多，對于天然氣壓氣站事故后果模型的選擇，要在實(shí)踐中進(jìn)行對比、分析，從而篩選適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行計算。本文的分析中采用了典型事故后果模型且進(jìn)行數(shù)值計算，得到的定量評價結(jié)果受主觀因素影響小，評價結(jié)果較接近實(shí)際。

（3）計算過程充分考慮了危險設(shè)備設(shè)施的全管徑破裂、大孔泄漏、中孔泄漏、小孔泄漏等事故泄漏的多種情景模式，給出了不同情景模式下人員傷害的區(qū)域半徑的計算方法，從而明確后果影響范圍。

（4）個人風(fēng)險值通常采用軟件計算再進(jìn)行等值線的繪制，評價結(jié)果比較直觀且有實(shí)際意義，便于管理者下一步判定風(fēng)險的可接受性及制定相應(yīng)的防范措施。

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.5.002