化工廠天然氣管道泄漏火災研究*

張曉蕾，張潔

(1. 中國安全生產科學研究院職業安全健康信息與培訓中心，北京 100012；2. 福州京東方光電科技有限公司，福建福清 350300)

化工廠天然氣管道錯綜復雜，其安全成為廣大研究者所關注的重要問題之一。天然氣在管道輸送過程中，由于操作不當或管道運行時間較長后有些管道因腐蝕生銹變薄，從而導致管道發生泄漏。天然氣管線泄漏會造成嚴重的環境污染，同時極易引發火災，危害人們的生命安全。

為了減少天然氣噴射火產生的災害，國內外學者對此展開了研究。Delichatsios[1]提出可通過弗勞德數來計算火焰的抬升高度，分析了動量-浮力控制湍流射流擴散火焰的過渡特性。Mc-Caffrey[2]提出的火焰溫度分布的羽流三段模型，并在弗勞德數限制下，研究了合理的大尺度亞音速甲烷擴散火焰。黃有波等[3]通過火災數值模擬軟件FDS研究了泄漏孔形狀對天然氣管道噴射火特性的影響，研究發現天然氣噴射火的火焰幾何尺寸、火焰影響范圍與泄漏孔形狀有關。Huang等[4]研究了矩形噴射口和噴口速率對火焰幾何形狀的影響。Tong等[5]采用MATLAB軟件對天然氣管道噴射火事故進行了定量風險評價，并通過軟件對噴射火造成的設備損傷范圍和人員傷害范圍進行了展示。Studer等[6]基于甲烷和氫氣的噴射火試驗建立了用于預測火焰長度、吹熄速率和輻射通量的模型。通常由于高壓氣體泄漏導致的噴射火焰能在短時間到達很高的強度，因此噴射火的危害主要有2個：①火焰對人員或設備的沖擊；②在較短距離內產生高強度的熱輻射通量，可能導致周圍設備受到輻射損壞和機械故障[7]。如果管道或儲存容器暴露在噴射范圍之內，噴射火可使設備內的流體溫度升高，導致壓力的意外增加，引起多米諾效應產生額外的事故。

針對以上情況，筆者以某化工廠天然氣管道為研究對象，討論不同風速以及泄漏孔徑條件下，該天然氣管道發生泄漏之后產生的噴射火對周圍建筑物及人員的影響規律。

1 模型可靠性驗證

根據1985年美國標準局發布的大尺寸噴射火試驗數據以及相關報告[8]，結合參考文獻[9]并分析該報告，整理得到大尺寸噴射火的有效試驗數據。

試驗中的噴射火燃料為天然氣，噴射火焰周圍布置了5個熱輻射計(距離：m)。試驗裝置布置如圖1所示，試驗工況以及試驗數據見表1和表2。

圖1 試驗裝置布置示意

表1 試驗工況情況

表2 熱輻射值試驗結果數據 單位：kW·m-2

采用PHAST軟件對上述試驗工況進行數值模擬，可得到不同輻射計處噴射火焰熱輻射數值，如圖2所示。

圖2 熱輻射的試驗值與數值模擬值對比

由圖2可見：采用PHAST軟件模擬火焰熱輻射結果的變化趨勢與試驗結果大體一致，最大相對誤差為18%。因此，基于PHAST軟件的數值模擬具有較強的實用性和可靠性。

2 化工廠天然氣管道泄漏噴射火熱輻射特性

以某化工廠天然氣管道為例，天然氣中甲烷的體積分數為98.6%，環境溫度20 ℃，大氣穩定度D，管道直徑為500 mm，泄漏速率為30 m/s，泄漏孔徑分為小孔泄漏(0.03～0.3 kg/s)、中孔泄漏(0.3～3 kg/s)以及大孔泄漏(3～30 kg/s)，在不同泄漏孔徑類型下分別取最大泄漏流量，風速分別為2，6，10 m/s。計算場景為天然氣管道泄漏著火，研究不同風速和不同泄漏孔徑對管道周圍熱輻射值變化規律的影響。其中熱輻射值傷害準則是判定設備以及人員受傷害程度的標準，傷害準則如表3所示[10]。

表3 熱輻射值傷害準則

2.1 風速影響

2.1.1 風速對管道噴射火下風向的影響

表4為3種風速下熱輻射強度隨下風向距離的變化曲線。一般認為，在穩態火災燃燒的影響下，能夠導致人員在1 min中內死亡概率為100%的臨界熱輻射值為37.5 kW/m2，而人體在20 s內感到疼痛的臨界熱輻射值為4 kW/m2，設備結構明顯變形的臨界熱輻射值是25 kW/m2。

表4 不同風速下大孔泄漏對管道周圍熱輻射的影響規律

由表4可見：在高度為1.5 m，距離泄漏點8.16 m，風速為2 m/s時，熱輻射值為12.31 kW/m2，致死率為5.88%；當風速為6 m/s時，熱輻射值為30.48 kW/m2，致死率為93.70%；當風速為10 m/s時，熱輻射值為64.81 kW/m2，致死率為99.78%。相對于風速為2 m/s時，風速為10 m/s時熱輻射值增加了148%，且致死率水平接近100%。熱輻射值隨距離的變化規律見圖3。

圖3 熱輻射值隨距離的變化規律

由圖3可見：當風速一定時，熱輻射值隨距離的增加先升高而后逐漸降低。在不同風速下，熱輻射的最高值均在下風向距離泄漏中心8.2 m附近。同時，在距離泄漏中心較遠的區域，即距離50 m以上，風速對熱輻射強度的影響明顯減弱。

2.1.2 風速對管道噴射火平面的影響

采用PHAST軟件對天然氣管道發生噴射火時的影響情況進行數值模擬，設定孔徑為大孔泄漏，熱輻射值為4 kW/m2，模擬結果如圖4所示。

由圖4可見：俯視圖的影響區域近似為圓形，噴射火平面輻射范圍受到風速的影響向下風向偏移，風速越大，偏移越明顯。當風速為10 m/s時，X方向的影響范圍為143 m，Y方向的影響范圍為140 m。

2.2 孔徑影響

2.2.1 孔徑對管道噴射火下風向的影響

在風速為10 m/s時，3種泄漏孔徑下熱輻射強度隨下風向距離的變化曲線見表5。

圖4 熱輻射影響的俯視圖

表5 不同泄漏孔徑對管道周圍熱輻射的影響規律

由表5可見：隨著泄漏孔徑的增大，熱輻射影響的范圍越大，致死率水平越高。在下風向距離為8.16 m時，熱輻射值達到最大，且致死率接近100%。當距離地面高度為1.5 m，當處于小孔泄漏時，傷害距離為16 m；當處于中孔泄漏時，傷害距離為40 m；當處于大孔泄漏時，傷害距離為90 m。

2.2.2 孔徑對管道噴射火平面的影響

圖5 小孔泄漏條件下熱輻射的影響范圍

圖6 中孔泄漏條件下熱輻射的影響范圍

圖7 大孔泄漏條件下熱輻射的影響范圍

在風速為10 m/s條件下，化工廠天然氣管道發生噴射火時，模擬3個不同泄漏孔徑對周圍的影響情況，結果如圖5～圖7所示。值為4 kW/m2，X方向的影響距離為10 m，Y方向的影響距離為5 m；當熱輻射值為12.5 kW/m2，X方向的影響距離為12 m，Y方向的影響距離為11 m；當熱輻射值為37.5 kW/m2，X方向的影響距離為16 m，Y方向的影響距離為20 m。因此，由熱輻射傷害準則可以得到，對于小孔泄漏，危害半徑為9.5 m時，設備全部損壞，人在1 min內致死率100%。

由圖6可見：在中孔泄漏的條件下，當熱輻射值為4 kW/m2，X方向的影響距離為22 m，Y方向的影響距離為19 m；當熱輻射值為12.5 kW/m2，X方向的影響距離為30 m，Y方向的影響距離為32 m；當熱輻射值為37.5 kW/m2，X方向的影響距離為48 m，Y方向的影響距離為55 m。因此，對于中孔泄漏，危害半徑為10.1 m時，設備全部損壞，人在1 min內致死率100%。

由圖7可見：在大孔泄漏的條件下，當熱輻射值為4 kW/m2，X方向的影響距離為38 m，Y方向的影響距離為40 m；當熱輻射值為12.5 kW/m2，X方向的影響距離為70 m，Y方向的影響距離為80 m；當熱輻射值為37.5 kW/m2，X方向的影響距離為125 m，Y方向的影響距離為140 m。因此，對于大孔泄漏，危害半徑為74.5 m時，設備全部損壞，人在1 min內致死率100%。

3 結論

火災的燃燒與發展是一個十分復雜的過程，外界因素發生變化，火災場的各種變量也隨之改變。通過試驗驗證、數值模擬相結合的方式，借助PHAST模擬軟件，研究了不同工況下風速以及泄漏孔徑的大小對周圍建筑物及人員的熱輻射影響。

1)相比試驗結果，采用數值模擬得到的噴射火的熱輻射值偏高，但是其分布規律與試驗結果基本一致，最大相對誤差為18%，因此可采用PHAST軟件模擬大尺寸噴射火產生的事故危害。

2)風速對噴射火有較大的影響，風速越大，熱輻射影響的范圍越大。相對于風速為2 m/s時的熱輻射，風速提高至10 m/s時熱輻射增加了148%，且致死率水平接近100%。

3)熱輻射隨距離的增加先增加后逐漸降低，但在距離泄漏中心較遠的區域，即距離50 m以上，風速對熱輻射強度的影響明顯減弱。

4)泄漏孔徑對火焰熱輻射的影響范圍較大，泄漏孔徑越大，熱輻射影響的距離越遠，以設備全部損壞為標準，對于大孔泄漏來說，熱輻射影響的危害半徑為74.5 m。