集成PHAST-Visual Studio的巖溶區燃氣管道災害后果定量分析及應用

李喬楚, 陳軍華

(西南石油大學經濟管理學院, 成都 610500)

隨著“碳達峰”“碳中和”目標進一步提出,天然氣由于清潔、高效、穩定、靈活、經濟等優點逐漸成為國民經濟社會發展的主體能源。由于埋地管道與巖土直接接觸,因而不可避免地受到巖土活動的影響[1]。中國的巖溶塌陷主要集中在以貴州為中心的川、黔、滇以及與之毗鄰的湘、桂、鄂等碳酸巖成片分布地區。與此同時,西南地區天然氣資源蘊藏豐富,輸氣管網系統發達,管道沿線地質環境復雜多變,部分管段不可避免地穿過巖溶區域,在諸多自然、人為因素影響下若誘發巖溶塌陷則極易導致管道災害,對燃氣管道的安全平穩運行和沿線人民的生命財產造成極大的影響。因此,有必要科學準確地評估巖溶區燃氣管道災害后果的影響范圍與程度,為防災減災工作的有效開展提供理論指導。

工藝危險源分析軟件工具(process hazard analysis software tool,PHAST)是挪威船級社(Det Norske Veritas,DNV)開發的火災爆炸定量分析軟件,該軟件可以快速得到不同災害后果的各類數據,通過查看結果報告和相關曲線,確定災害影響范圍和程度,因此在輸氣管道災害后果評估領域得到了國內外學者的廣泛應用。Witlox等[2]選用PHAST軟件風險分析包Safeti中的最新后果模型,探討了天然氣等易燃物泄漏后引發的噴射火和蒸氣云爆炸危害,并依據實驗結果驗證了PHAST軟件仿真結果的有效性。Farahani等[3]以阿薩魯耶地區輸氣管網系統為研究對象,基于故障樹方法和PHAST軟件分析了地震荷載危害下鋼制燃氣管道斷裂泄漏引發的火災熱輻射傳播規律,并結合危害準則確定了波及區域內的人員傷亡數量及概率數值。中國學者對于PHAST軟件的應用相對稍晚,2009年,秦琴等[4]首次將PHAST軟件用于鋼制輸氣管道熱輻射危害距離研究中,通過與Brzustowski-Sommer計算方法進行對比驗證,得出基于PHAST軟件的仿真結果更加貼合客觀實際。陳磊等[5]以準噶爾盆地儲氣庫鋼制注采管道為研究對象,基于PHAST軟件仿真分析運行壓力、管輸介質對輸氣管道爆炸沖擊波超壓的影響規律,并著重探討了氣體云團的擴散范圍和爆炸超壓的危害半徑。王小完等[6]結合高斯煙羽大孔泄漏模型和PHAST軟件建立了廣西壯族自治區鋼制天然氣管道災害事故后果的仿真分析模型,并著重探討了不同泄漏孔徑、風速、大氣穩定度下火災熱輻射和爆炸沖擊波的最大危害強度及其影響范圍。李云濤等[7]基于PHAST軟件分析了813 mm天然氣鋼制管道全管徑斷裂后引發的火災危害后果,并結合臨界熱輻射劑量準則確定了臨界安全距離。至此,PHAST軟件對于輸氣管道災害后果模擬的適用性和準確性得到了學界的普遍認可。

上述研究為輸氣管道災害后果的風險評估提供了有效的參考借鑒,但在以下方面仍有一定局限:①現有研究主要針對火災熱輻射和爆炸沖擊波的危害強度開展仿真模擬,雖然部分研究涉及影響半徑、傷亡數量等分析,但缺乏結合危害準則的差異化損傷情況判定及針對性風險管控措施設計,與此同時,針對經濟損失、環境破壞等后果的評估有待進一步完善;②現有研究主要集中于鋼制管道,采用聚乙烯等非金屬材料的燃氣管道在巖溶塌陷作用下更容易發生失效,且燃氣管道通常位于人口財產密集區,其致災可能性與后果嚴重性更為顯著;③大多研究主要使用單一模型開展輸氣管道災害后果的仿真評估,難以避免固有的局限性。

鑒于此,提出一種巖溶區燃氣管道災害后果PHAST-Visual Studio集成分析方法,該方法基于Visual Studio開發系統編制“巖溶區燃氣管道災害后果分析軟件”,結合管道失效特征確定噴射火和蒸氣云爆炸兩種典型后果模式,研判適用于巖溶區燃氣管道災害的危害判定準則,從危害面積、傷亡人數、經濟損失和環境破壞4個維度提出災害后果嚴重程度的評估體系。結合實際案例基于PHAST仿真模擬分析災害后果的影響范圍,對區內人員、物體提出針對性風險管控措施,兼顧經濟社會發展、巖溶自然地質以及燃氣管道工程特征量化災害后果,以期為巖溶區燃氣管道災害后果的智能、準確、全面評估提供科學研究范式。

1 PHAST-Visual Studio集成災害后果評估方法

1.1 災害后果模式分析

在巖溶塌陷作用下埋地管道發生失效破壞后將引發燃氣泄漏,根據氣體是否(延遲)點燃、空間是否受限等條件,災害后果被分成火球、蒸氣云爆炸、閃火和噴射火4種模式。不同條件下燃氣管道災害后果的演化過程如圖1所示。

圖1 燃氣管道災害后果演化過程Fig.1 The evolution of consequences of gas pipeline disaster

考慮到管道流量特征以及泄漏特征的實際情況,巖溶區埋地燃氣管道發生失效后呈現連續泄漏特征,在受限空間下其對應的災害后果模式主要包括噴射火和蒸氣云爆炸。考慮到燃氣的主要成分為甲烷,參照美國石油協會(American Petroleum Institute,API)研究結果并結合大量災害事故統計數據[8],其對應的噴射火發生概率經驗數值為0.1,蒸氣云爆炸發生概率經驗數值為0.04。

1.2 災害危害判定準則

(1)火災危害準則。噴射火等引發的火災主要通過熱輻射形式影響周圍人員、建構筑物和環境。當火災熱輻射到達一定強度時,會引起物體的燃燒或者變形,甚至會危害人員的生命財產安全。因此,人員傷亡和物體破壞程度與熱輻射的強度和作用時間密切相關。基于此,選用熱通量危害準則[9-10]開展火災后果判定(表1)。

表1 熱通量危害準則Table 1 Hazard criteria of heat flux

(2)爆炸危害準則。當燃氣管道發生泄漏并誘發爆炸時,爆破能量在向外釋放過程中表現為沖擊波、碎片和容器殘余變形能量等形式,其中空氣沖擊波破壞力最強、影響范圍最廣。由于沖擊波破壞通常是由超壓引起的,因此選用沖擊波超壓危害準則[11-15]開展爆炸后果判定(表2和表3)。

表2 物體沖擊波超壓危害準則Table 2 Hazard criterion of shock wave overpressure for objects

表3 人員沖擊波超壓危害準則Table 3 Hazard criterion of shock wave overpressure for humans

1.3 災害后果評估體系

1.3.1 綜合人員危害面積計算

巖溶區燃氣管道災害后果主要包括噴射火和蒸氣云爆炸兩種模式,通過對兩種后果模式的影響范圍進行概率加權求和即可得到綜合危害面積數據。設定噴射火和蒸氣云爆炸對應的人員危害半徑分別為rpi,jf和rpi,vce,則其對應的危害面積Api,jf和Api,vce可分別表示為

(1)

(2)

基于此,巖溶區燃氣管道災害綜合人員危害面積Acpi可表示為

Acpi=upi,jfApi,jf+upi,vceApi,vce

(3)

式(3)中:upi,jf和upi,vce分別為巖溶區燃氣管道失效泄漏后發生噴射火和蒸氣云爆炸的概率。

1.3.2 傷亡人數計算

設定噴射火和蒸氣云爆炸對應的人員死亡半徑分別為rpd,jf和rpd,vce,人員死亡面積的計算過程與人員危害面積類似,計算得到綜合人員死亡面積Acpd。基于此,巖溶區燃氣管道災害導致的死亡人數Mcpd可表示為

Mcpd=ρpAcpd

(4)

式(4)中:ρp為災害發生區域的人口密度,人/m2。

巖溶區燃氣管道災害導致的受傷人數Mcpi可表示為

Mcpi=ρp(Acpi-Acpd)

(5)

1.3.3 經濟損失計算

設定噴射火和蒸氣云爆炸對應的物體破壞半徑分別為rod,jf和rod,vce,物體破壞面積的計算過程與人員危害面積類似,計算得到綜合物體破壞面積Acod。

燃氣泄漏造成的直接經濟損失Egl可表示為

(6)

式(6)中:mgl為泄漏燃氣的總質量,kg;eg為單位體積燃氣價格,元/m3;ρg為燃氣密度,kg/m3。

營業中斷造成的間接經濟損失Ebi可表示為

Ebi=tbiebp

(7)

式(7)中:tbi為停業時間,d;ebp為燃氣公司日營業收入,萬元/d。

依據《中華人民共和國民法典》《最高人民法院關于修改<最高人民法院關于審理人身損害賠償案件適用法律若干問題的解釋>的決定》規定的獲賠償款項,燃氣管道火災、爆炸案件的傷亡人員主要獲得醫藥費、誤工費、死亡賠償金、喪葬費等賠償。

人員受傷賠償造成的間接經濟損失Ecpi的計算公式為

(8)

式(8)中:Mcpi,n為巖溶區燃氣管道災害導致的第n類程度的受傷人數,人;emc,n為第n類程度受傷的人均醫藥費賠償額度,萬元/人;eclwt,n為第n類程度受傷的人均誤工費賠償額度,萬元/人。

人員死亡賠償造成的間接經濟損失Ecpd可表示為

Ecpd=Mcpd(edc+efe)

(9)

式(9)中:edc為死亡賠償金額度,萬元/人;efe為喪葬費額度,萬元/人。

1.3.4 環境破壞計算

(1)綠化植被破壞。巖溶區燃氣管道火災、爆炸等災害將對區域內的綠化植被造成毀壞,毀壞程度取決于區域內的植被覆蓋率以及災害導致的植被破壞面積。設定噴射火和蒸氣云爆炸對應的植被破壞半徑分別為rvd,jf和rvd,vce,植被破壞面積的計算過程與人員危害面積類似,計算得到綜合植被破壞面積Acvd。

巖溶區燃氣管道災害導致的植被破壞量Nvd可表示為

Nvd=CvAcvd

(10)

式(10)中:Cv為災害發生區域的植被覆蓋率,%。

(2)溫室氣體排放。“生態安全”理念逐步被引入油氣安全與戰略管理的研究領域。化石燃料燃燒是全球氣候變暖的重要誘因,在巖溶區燃氣管道火災、爆炸等災害事故中將導致CO2、CH4、N2O等溫室氣體排放,巖溶區燃氣管道災害過程中的溫室氣體排放總量的計算公式為

(11)

式(11)中:Ggc為巖溶區燃氣管道災害過程中的溫室氣體排放總量,萬t;mgc為燃燒燃氣的總質量,kg;Vg為燃氣凈發熱值,kJ/m3;Fcd、Fme、Fno分別為CO2、CH4、N2O排放因子,kg/TJ。

1.4 巖溶區燃氣管道災害后果分析軟件編制

基于所建立的災害后果評估體系,結合Visual Studio集成開發系統開展“巖溶區燃氣管道災害后果分析軟件”的編制,從而實現災害后果影響程度分析的智能化和高效化,簡化計算過程并提升量化評估效率。

1.4.1 軟件功能

軟件旨在實現以下功能:選擇開展后果評估的單元類型(危害面積子單元、傷亡人數子單元、經濟損失子單元和環境破壞子單元),通過實地調研和PHAST軟件仿真得到核算所需的基礎數據,輸入軟件后將自行計算得出災害綜合人員危害面積,災害導致的受傷人數和死亡人數,燃氣泄漏、營業中斷、人員傷亡賠償等造成的經濟損失,以及綠化植被破壞量和溫室氣體排放量。與此同時,借助Microsoft Access數據庫以實現不同核算數據的儲存及歸檔,在研究后期便可通過數據調用功能,針對巖溶區燃氣管道災害后果的影響程度開展整體量化分析,為災害風險等級的確定提供數據支撐。

1.4.2 軟件編制思路

為實現以上功能,軟件的編制思路為用戶首先確定災害后果評估單元,然后依次輸入研究區域的基礎活動數據,軟件計算量化火災、爆炸災害造成的危害面積、傷亡人數、經濟損失和環境破壞情況,并通過Microsoft Access數據庫實現分析數據的儲存、歸檔及調用。軟件總體編制思路和界面演示如圖2和圖3所示。

圖2 總體編制思路Fig.2 Overall compilation idea

圖3 軟件界面演示Fig.3 Software interface demonstration

2 案例分析

貴州省畢節市織金縣位于黔中經濟核心區,屬高中山及中山山地地貌,區內可溶性碳酸鹽巖分布較為廣泛,在長期溶蝕作用下地層裂隙和地下溶洞不斷發育并相互貫通。近年來,在礦山無序開采、城鎮化建設、持續強降雨、地震活動等多重因素影響下,每年發生明顯地面塌陷超過40次,并愈發呈現增強趨勢。縣域管道工程隸屬畢節市天然氣管道“縣縣通”項目,是“一干兩支”中金沙-納雍天然氣支線項目的重要組成部分,選擇項目內分輸燃氣管段作為研究案例,基于PHAST-Visual Studio集成災害后果評估方法開展案例分析。

2.1 災害后果影響范圍分析

結合織金縣常年環境特征的實際情況,模型基本參數設置如表4所示。對于不同季節,區域內溫度、風速等環境參數差異顯著,且環境參數對模擬結果影響很大。因此,分別針對年平均值、夏季和冬季3種不同環境條件開展模擬分析。

表4 模型基本參數設置Table 4 Model basic parameter settings

2.1.1 火災危害范圍分析

燃氣管道通常在一定輸送壓力下運行,在巖溶塌陷作用下管道發生失效泄漏時會形成傾斜射流[16],如果在泄漏口處被點燃,即會誘發噴射火等火災危害。當火災產生的熱輻射強度足夠大時,將引發周圍物體燃燒或變形,強烈的熱輻射可能造成設備燒毀甚至人員傷亡。燃氣管道火災的危害性主要通過火焰范圍和熱輻射引起的傷害半徑來表征。基于PHAST軟件對燃氣管道的火災危害開展仿真模擬,具體結果如表5所示。

表5 燃氣管道火災危害情況Table 5 Fire hazard of gas pipeline

由表5可知,不同環境條件下研究區域燃氣管道火災的影響規律如下。

(1)火災熱輻射強度沿下風距離總體呈拋物線形狀的變化趨勢。在3種不同的環境條件下,火焰最大長度排序為:夏季(36.12 m)>年平均(32.54 m)>冬季(30.74 m);最大危害距離排序為:夏季(27.41 m)>年平均(27.24 m)>冬季(27.16 m),即巖溶區燃氣管道火災風險管控的重點季節為夏季。

(2)在距離泄漏點0.30～27.24 m范圍內(年平均值)、1.22～27.41 m范圍內(夏季)以及12.38～27.16 m范圍內(冬季),火災導致的熱輻射強度超過4 kW/m2,在該強度下建筑、設備等物體不會發生顯著破壞(僅當輻射時間超過30分鐘時,造成玻璃結構破裂),但會造成人員輕傷(輻射時間達20 s時可能導致二度燒傷),因此火災發生后應及時對上述范圍內的人員開展燒傷救護處置,同時確保在區內活動的搶修、救援人員穿著專業防護服。

(3)在距離泄漏點12.38 m范圍內(冬季),火災導致的熱輻射強度超過12.5 kW/m2,在上述范圍內應著重關注木質、塑料結構以及合成材料設備的損傷情況,避免物體發生燃燒或融化;同時火災發生后應有效控制上述范圍內人員承受的熱輻射時間,盡可能將輻射時間控制在10 s內以避免人員一度燒傷,同時嚴格將輻射時間控制在60 s內以避免出現人員死亡。

2.1.2 爆炸危害范圍分析

管道破裂后可燃氣體與空氣混合形成蒸汽云擴散。在擴散過程中達到一定濃度范圍時,遇到火源則極易導致爆炸,爆炸的危害程度主要與沖擊波超壓有關。基于PHAST軟件對燃氣管道的爆炸危害開展仿真模擬,具體結果如表6所示。

表6 燃氣管道爆炸危害情況Table 6 Explosion hazard of gas pipeline

由表6可知,不同環境條件下研究區域燃氣管道爆炸的影響規律如下。

(1)爆炸超壓沿峰值點向兩側呈拋物線形狀的遞減趨勢。在3種不同的環境條件下,爆炸最遠影響距離排序為:夏季(49.22 m)>年平均(47.21 m)>冬季(45.72 m),最大危害半徑排序為:夏季(6.01 m)>年平均(5.71 m)>冬季(5.50 m),即巖溶區燃氣管道爆炸風險管控的重點季節也為夏季。

(2)在爆炸峰值點3.30～5.71 m半徑范圍內(年平均值)、3.68～6.01 m半徑范圍內(夏季)以及3.12～5.50 m半徑范圍內(冬季),爆炸導致的沖擊波超壓大于20 kPa,在該強度下建筑物墻面開始出現裂縫,人員受到輕中度傷害。因此,應注重上述范圍內建筑物墻面的安全防護;爆炸發生后應關注上述范圍內人員的聽器損傷、內臟輕度出血水腫、腦震蕩以及軟組織損傷等情況,并及時開展救護。

(3)在爆炸峰值點2.51～3.30 m半徑范圍內(年平均值)、2.67～3.68 m半徑范圍內(夏季)以及2.31～3.12 m半徑范圍內(冬季),爆炸導致的沖擊波超壓大于50 kPa,在該強度下木質建筑的房架出現松動,墻體由于大裂縫瀕臨倒塌,鋼制結構開始損壞,人員由中度傷害逐步發育至重度傷害,致死率達到10%。因此,在上述范圍內應盡可能避免木質建筑,注重提升鋼骨架和輕型鋼混建筑物的安全水平;爆炸發生后應關注上述范圍內人員的內臟嚴重損傷、大面積出血等情況,并及時開展救護。

(4)在爆炸峰值點2.51 m半徑范圍內(年平均值)、2.67 m半徑范圍內(夏季)以及2.31 m半徑范圍內(冬季),爆炸導致的沖擊波超壓大于100 kPa,在該強度下即使是較為堅固的鋼混建筑物也已出現損壞,人員受到嚴重傷害,致死率高達70%～100%。因此,上述區域為巖溶區燃氣管道爆炸災害風險管控最為重點的區域,災害發生后應第一時間針對該范圍內的人員生命和物質財產開展救援。

2.2 災害后果影響程度計算

立足于織金縣經濟社會發展、巖溶自然地質和燃氣管道工程特征,結合PHAST軟件的仿真模擬結果以及編制的“巖溶區燃氣管道災害后果分析軟件”,基于年平均環境條件評估燃氣管道災害導致的后果影響程度,評估過程中的基礎參數來源如表7所示。

表7 基礎參數來源Table 7 Source of basic parameters

2.2.1 綜合人員危害面積計算

針對火災危害,依據熱通量危害準則,選取最小熱輻射危害強度為4 kW/m2,其對應的火災危害區域呈橢圓形狀,側風方向的危害半徑為16.76 m,下風方向的危害半徑為13.47 m,結合區域形狀進一步將式(1)由以正圓為基準修改為以橢圓為基準的數學模型,通過計算得到巖溶區燃氣管道火災的危害面積為709.27 m2。針對爆炸危害,依據人員沖擊波超壓危害準則,選取最小沖擊波超壓危害強度為20 kPa,其對應的爆炸危害區域呈正圓形狀,側風和下風方向的危害半徑均為5.71 m,通過計算得到巖溶區燃氣管道爆炸的危害面積為102.43 m2。基于此,進一步結合噴射火、蒸氣云爆炸的經驗概率與式(3),最終得到巖溶區燃氣管道災害的綜合人員危害面積為75.02 m2。

2.2.2 傷亡人數計算

基于熱通量危害準則和人員沖擊波超壓危害準則,選取導致人員死亡的最小熱輻射強度為37.5 kW/m2,最小沖擊波超壓強度為98 kPa。基于此,研究區域燃氣管道失效泄漏導致的火災將不會造成人員死亡,而爆炸造成的人員死亡半徑為3.3 m,人員死亡面積的計算過程與人員危害面積類似,最終得到綜合人員死亡面積為1.37 m2。考慮到縣域燃氣管道沿線大多為人口稠密的農村居民區,同時結合管道周邊人口的實際分布情況,基于向上取整原則計算得到巖溶區燃氣管道災害可能導致的死亡人數為1人。通過剔除綜合人員死亡面積,結合式(5)并基于向上取整原則計算得到災害可能導致的受傷人數為8人(其中,重度傷害1人,輕中度傷害7人)。

2.2.3 經濟損失計算

(1)燃氣泄漏造成的直接經濟損失。考慮到研究管段主要為縣域農村居民區供氣,參照區域燃氣價格標準(一般生活用氣),單位體積燃氣價格取為2.61元/m3,結合仿真結果和燃氣管道災害事故歷史維搶修水平,燃氣泄漏速率取為1.49 kg/s,泄漏時間取為1.5 h,結合式(6)計算得到巖溶區燃氣管道失效泄漏造成的直接經濟損失為3萬元。

(2)營業中斷造成的間接經濟損失。依據燃氣管道的歷史事故統計,管道失效泄漏后的平均停氣時間為10 h,結合研究管段所屬燃氣公司的最新年度報告,公司日營業收入約為1.1萬元,結合式(7)計算得到巖溶區燃氣管道失效泄漏導致營業中斷造成的間接經濟損失為0.46萬元。

(3)人員傷亡賠償造成的間接經濟損失。依據《最高人民法院關于審理人身損害賠償案件適用法律若干問題的解釋》《工傷保險條例》等,輕傷誤工費一般賠償3～7 d,重傷停工留薪期一般不超過12個月,出院后需要適度休息的一般按照實際情況賠償2～3個月,致殘時一次性傷殘補助金至少發放7個月,受害人有固定收入的,誤工費按照實際減少的收入計算,受害人無固定收入的,按照其最近三年的平均收入計算。考慮到研究區域燃氣管道火災、爆炸導致的人員輕傷主要包括二度燒傷、聽器損傷、內臟輕度出血水腫、腦震蕩以及軟組織損傷等,而重傷則主要包括一級燒傷、內臟嚴重損傷、大面積出血等,因此輕中傷誤工費賠償2個月,重傷誤工費賠償12個月,同時由于研究管段位于農村地區,因此實際收入標準參照《織金縣2022年國民經濟和社會發展統計公報》中給出的農村常住居民年人均可支配收入(13 222元/年),即輕中傷誤工費為0.22萬元/人,重傷誤工費為1.32萬元/人,輕中傷醫藥費賠償額度為1萬元/人,重傷醫藥費賠償額度為20萬元/人。由于研究區域燃氣管道災害導致的可能受傷人數為8人(其中,重度傷害1人,輕中度傷害7人),結合式(8)計算得到巖溶區燃氣管道災害人員受傷賠償造成的間接經濟損失為29.86萬元。

針對災害事故的死亡賠償,2022年最高人民法院審判委員會討論通過的《最高人民法院關于修改<最高人民法院關于審理人身損害賠償案件適用法律若干問題的解釋>的決定》提出“改革人身損害賠償制度,統一城鄉居民賠償標準”。基于此,參照《織金縣2022年國民經濟和社會發展統計公報》,城鎮居民年人均可支配收入為37 645元,按20年計算,即死亡賠償金為75.29萬元/人;城鎮居民年人均工資性收入16 005元,以6個月總額計算,即喪葬費為0.80萬元/人。由于研究區域燃氣管道災害導致的可能死亡人數為1人,結合式(9)計算得到巖溶區燃氣管道災害人員死亡賠償造成的間接經濟損失為76.09萬元。

2.2.4 環境破壞計算

(1)綠化植被破壞。基于熱通量危害準則和沖擊波超壓危害準則,選取造成綠化植被破壞的最小熱輻射強度為4 kW/m2,最小沖擊波超壓為20 kPa,植被破壞面積的計算過程與人員危害面積類似,計算得到綜合植被破壞面積為75.02 m2。由于巖溶區燃氣管道災害對綠化植被的毀壞程度受到區域內植被覆蓋率的顯著影響,結合國民經濟和社會發展統計公報,近年來區域內深入實施“森林擴面提質增效三年行動計劃和十大生態修復工程”,2022年區域森林覆蓋率達到63.02%,結合式(10)計算得到巖溶區燃氣管道災害導致的植被破壞量為47.28 m2。

(2)溫室氣體排放。結合近年燃氣管道泄漏事故統計數據。例如,2016年2月20日遂寧市燃氣管道爆炸起火事故,15:19遂寧市消防119指揮中心接到群眾報警后奔赴現場,15:48成功關閉燃氣總閥門;2020年9月4日巴中市水寧寺板門婭燃氣管道泄漏火災事故,09:38巴中市清江專職隊接警后奔赴現場,10:07現場明火已基本熄滅并成功關閉燃氣閥門;2021年9月3日畢節市七星關區碧陽大道燃氣泄漏爆炸事故,14:26泄漏燃氣在遇到挖掘機尾氣管產生的火花后引發爆燃,15:00完成主管道關閥斷料,經過十余分鐘的撲救,15:14火勢得以完全撲滅。基于此,針對燃氣管道失效泄漏誘發的火災爆炸事故,消防部門及燃氣公司關閥堵漏作業的響應時間通常為30 min。基于《IPCC 2006年國家溫室氣體清單指南 2019修訂版》[17]確定燃氣燃燒過程中的溫室氣體排放因子。結合仿真得到的燃氣泄漏速率1.49 kg/s,將燃燒質量取為由事故發生至關閥堵漏作業完成期間泄漏的燃氣總量,即為2 682 kg。結合式(11),同時依據《中華人民共和國氣候變化第四次國家信息通報》中采用的全球增溫潛勢[18],將CH4及N2O統一轉化為CO2排放當量CO2e,最終計算得到巖溶區燃氣管道災害過程中CO2排放量為8 367.95 kg,CH4排放量為0.15 kg,N2O排放量為0.01 kg,合計CO2排放當量為8 375.71 kg。

3 結論

將PHAST仿真方法和Visual Studio集成開發平臺相結合對巖溶區燃氣管道的災害后果開展分析,通過將模型仿真數據和勘探實地數據同時嵌入后果評估體系,彌補以往研究的評估主觀性問題;通過參考政府、行業、企業等頒布的標準條例,將社會科學思想帶入工程風險評價研究;通過計算機軟件編程提高災害后果分析效率;結合災害危害準則研判差異化建筑傷情(玻璃結構、木制結構、塑料結構、合成材料、鋼制結構等)和人員傷情(燒傷、聽器損傷、腦震蕩、軟組織損傷、內臟損傷出血等),并提出針對性風險管控措施;立足危害面積、傷亡人數、經濟損失和環境破壞4個維度,兼顧經濟社會發展特征、巖溶自然地質特征和燃氣管道工程特征量化災害后果,從而有助于顯著控制巖溶區燃氣管道的災害風險水平。得出如下結論。

(1)火災熱輻射強度沿下風距離總體呈拋物線形狀的變化趨勢。在3種不同的環境條件下,最大危害距離排序為:夏季(27.41 m)>年平均(27.24 m)>冬季(27.16 m),即巖溶區燃氣管道火災風險管控的重點季節為夏季。在距離泄漏點0.30～27.24 m范圍內(年平均值)、1.22～27.41 m范圍內(夏季)以及12.38～27.16 m范圍內(冬季),火災導致的熱輻射強度超過4 kW/m2;在距離泄漏點12.38 m范圍內(冬季),火災導致的熱輻射強度超過12.5 kW/m2。

(2)爆炸超壓沿峰值點向兩側呈拋物線形狀的遞減趨勢。在3種不同的環境條件下,爆炸最大危害半徑排序為:夏季(6.01 m)>年平均(5.71 m)>冬季(5.5 m),即巖溶區燃氣管道爆炸風險管控的重點季節也為夏季。在爆炸峰值點3.30～5.71 m半徑范圍內(年平均值)、3.68～6.01 m半徑范圍內(夏季)以及3.12～5.50 m半徑范圍內(冬季),爆炸導致的沖擊波超壓大于20 kPa;在爆炸峰值點2.51～3.30 m半徑范圍內(年平均值)、2.67～3.68 m半徑范圍內(夏季)以及2.31～3.12 m半徑范圍內(冬季),爆炸導致的沖擊波超壓大于50 kPa;在爆炸峰值點2.51 m半徑范圍內(年平均值)、2.67 m半徑范圍內(夏季)以及2.31 m半徑范圍內(冬季),爆炸導致的沖擊波超壓大于100 kPa。

(3)當研究區域發生燃氣管道災害時,其造成的綜合人員危害面積為75.02 m2;災害導致的可能死亡人數為1人,受傷人數為8人(其中,重度傷害1人,輕中度傷害7人);燃氣泄漏造成的直接經濟損失為3萬元,營業中斷造成的間接經濟損失為0.46萬元,人員受傷賠償造成的間接經濟損失為29.86萬元,人員死亡賠償造成的間接經濟損失為76.09萬元;災害導致的植被破壞量為47.28 m2;災害過程中合計CO2排放當量為8 375.71 kg。