1、基于定量風險評價的長油氣管道火災風險研究摘要隨著城市建設的發展和行業的需要，越來越多的長距離油氣管道在我國建成并投入使用。由于運輸期間的內在和外在因素，會發生油氣的泄漏。如果油氣與空氣混合后的濃度達到了燃燒或爆炸的極限，一旦周邊存在點火源，就可能出現導致災難或嚴重財產損失的火災爆炸事故。因此，近些年油氣管道風險分析與評估的相關研究是安全工程領域關注的焦點。所以有必要進行火災風險研究評估來保證長距離油氣管道安全。本文中，首先分析長距離油氣管道的風險特征，然后基于定量風險分析進行長距離油氣管道火災風險研究。以天然氣管道為例，基于CASSTQRA軟件繪制火災影響區域（死亡半徑）和個人風險等值線。對于

2、天然氣管道，死亡半徑是148.42米，3×10-7和1×10-6的個人風險等值線所涵蓋的區域不是高密度的居民區、高密度或高敏感區域的公眾聚集場所、重要目標和特殊高密度場所。天然氣管道的火災風險是可以接受的。最后，本文提出了保證運輸安全的響應預防控制措施。研究結果對于長距離油氣管道的風險評估和安全管理具有現實意義。關鍵詞：火災；長距離管道；個人風險；定量風險評價術語D0泄漏直徑（m）0泄漏氣體密度（Kg/m3）環境氣體密度（Kg/m3）C(x)氣體濃度（Kg/m3）b2分布參數y所選點到泄漏軸的距離（m）Q0泄漏氣體速度（Kg/s）Cd泄漏系數Q點熱源的輻射通量（W）效率因素

3、Hc氣體燃燒熱L火焰長度（m）1 介紹作為一種清潔、高效、高質量的已知能源，油氣被廣泛應用于化工行業、電力、城市燃料，和其他工業和民用領域。隨著城市建設和工業的發展，越來越多的油氣通過管道運輸，將來在中國將會廣泛使用。長距離管道已成為運輸油氣和其他化學物質最安全高效的方式之一。但是油氣管道的泄漏也會在運輸過程中發生，由于天然氣管道可能會由于內部或外部因素發生破裂，如腐蝕、材料老化、質量缺陷等等。如果天然氣與空氣形成的混合氣體的濃度達到燃燒或爆炸極限，就有導致火災爆炸事故的可能。根據對中國2000年以來大量油氣管道事故的統計。一旦發生火災爆炸事故，人們的生活、周邊設施和建筑將會受到嚴重影響。比如

4、在我國，2002年1月1日，一地下天然氣管道發生破裂，混合氣體發生爆炸。在事故的影響下，大慶市至少六人死亡；兩人重傷、兩人輕傷。2004年4月20日，淮南市的事故中，另一天然氣管道在維修期間爆炸，兩人死亡、一人重傷、六人輕傷。此外，在眾所周知的2013年11月22日青島輸油管道爆炸事故中有62人死亡、136人受傷。因此，天然氣管道運輸的風險研究對于保護人身安全和財產安全具有重要的現實意義。因此，研究長距離油氣管道的風險以避免生命和財產的損失是很有意義的。油氣管道的風險分析和評估的相關研究是安全工程領域近幾年關注的焦點。提出了一些用來模擬油氣泄漏擴散和評估天然氣管道風險的模型，比如QRA模型、U

5、DM模型、BM模型和FEM3模型，還有一些應用于不同情況下的模型，比如化工設備、工藝管道等。還有一些用來分析天然氣發生泄漏后擴散的軟件，比如PHAST。但對于油氣管道的風險管理，火災事故的個人風險是很重要的。所以本文首先基于油氣管道風險分析建立火災數學模型和油氣噴射火模型；油氣管道火災事故的后果評估基于定量風險評估展開，應用CSAATQRA軟件重新繪制影響區域和個人風險。此外，在文章的后面提出了一些建議。其結果對于油氣管道的風險評估和安全管理很有幫助。2.長距離油氣管道風險分析21影響區域分析長距離管道事故的影響區域是確定長距離油氣管道風險的重要因素。通常，受影響區域可分為死亡半徑和損傷半徑。

6、影響半徑為油氣管道泄漏事故的臨界距離，不期望發生死亡、環境污染或財產損失等。因此長距離管道的影響區域是一個距周邊指定的距離。由于長輸油管道事故可能在管道的任一位置發生，可以將其看作一系列危險源。當管道事故的所有危險點都是同一場景時，影響區域的管道兩側都可以被認為是一個以事故點為圓心的圓，影響半徑R是沿著管道移動的圓的半徑，可以大致認為是沿著管道或圓形區的矩形區域。因此越靠近管道，事故影響的風險越高。油氣管道的事故后果如圖1所示。 圖1長距離油氣管道事故影響區域圖2.2個人風險個體風險是衡量潛在生命損失和定量風險評估的關鍵量化指標。所謂的個人風險是指某一固定位置各種潛在的火災、爆炸、毒性氣體泄漏

7、事故導致的個體死亡概率，即個體死亡率。通常以風險等值線的形式給出，通過與可接受風險標準的比較可以衡量個人風險的大小。在周邊人員、設施和環境中我國將長距離油氣管道的個人風險標準定義為其他重大危險源。在高密度住宅區（居民區、賓館、度假區等）和公共聚集場所（辦公室、商場、飯店、娛樂場所）可接受個人風險不能超過1×10-6/年。在高敏感區（學校、醫院、幼兒園、護理場所）、重要場所（聚會、政府組織、軍事管理區、文化文物保護單位）和特殊高密度場所（大型體育場館、大型交通樞紐）可接受個人風險不能超過3×10-7/年。··· 圖2個人風險等值線示意圖3.火災后

8、果數學模型通常輸氣管道的火災后果要比輸油管道嚴重。所以下面對氣體火災后果數學模型進行探討。我們已經認識到更嚴重的氣體管道事故是噴射火，不論是增壓或壓力液化可燃材料。尤其，活性化學燃料的噴射火可能比烴類池火更嚴重。泄漏的高壓天然氣將以射流的形式從泄漏管道噴出，如果泄漏氣體在溢出時被點燃，就會造成噴射火，外圍人員和建筑將被破壞。泄漏的高壓易燃材料可能形成射流，如果液體泄漏出來就被點燃，就會發生噴射火。噴射火模型建立如下。應用噴射火等效直徑計算噴射火直徑。等效射流直徑可以由方程（1）得到。Deq=D00 (1)如果泄漏氣體在泄漏時密度0在泄漏時立即達到環境氣體的密度，那么當量泄漏直徑Dep就相當于實

9、際泄漏直徑D0.氣體濃度C(x)可以由公式（2）導出，其中X是噴射源沿噴射軸的距離。Cx=b1+b2 b10.32xDeq0+1- (2)在上面的公式中，b1和b2是分布參數。任意一點在噴射軸上投影的氣體濃度C(x,y)都可以由公式（3）得到，x為沿噴射軸的噴射源的距離。Cx,y=Cxe-b2yx2 (3)式中，C(x)為沿著噴射軸距離為x的氣體濃度。隨著與噴射源距離的增加，氣體速率逐漸降低直到達到環境風速，這時氣體的運動將不再符合射流規律。因此，進行噴射火后果評估時，應該計算液化氣體的臨界速度和臨界濃度。假設沿射流軸距噴射源X米處的泄漏氣體速率是U(x)，見公式（4）。U(x)U0=0b14

10、1.32xDeq0=1-(Deqx)2 (4)其中，U0是噴射流的初始速度，當氣體通過泄漏流動時，U0等于泄漏氣體速度。U0可由下面的公式（5）計算。U0=Q0Cd(D02)2 (5)在計算噴射火熱通量時，將其當做射流軸上一系列的點熱源，整個熱輻射通量可以用噴射擴散公式計算。熱源各點熱輻射通量的計算如公式（6）。q=Q0Hc (6)火焰長度等于射流軸上泄漏源到可燃混合氣體燃燒下限的距離。有時為了簡化計算，把射流軸的長度當做噴射火的火焰長度。噴射火的火焰長度可以由簡化的公式（7）得到。其中，參數L表示火焰高度，單位為米。L=(HcQ0)0.444161.66 (7)熱輻射強度Ii表示沿噴射軸與一

11、些點熱源距離為x的位置的熱輻射強度，可由公式（8）得到。參數代表輻射率，其值為0.2。Ii=q4x2 (8)那么在x處的熱輻射強度就是各個熱源在該點的輻射強度之和。I=nIi (9)在公式（9）中，n是所選的點熱源數量，通常為5.因此，不同傷害或損害標準下的對人的潛在影響區可以由上面的公式導出。4.案例研究基于上述火災數學模型，可以獲得管道運輸的天然氣泄漏后的后果圖和個人風險等值線。本文中，以天然氣管道為例來研究油氣管道的火災風險。天然氣管道的直徑為600mm；管道內的壓力為10MPa。管道長度5Km。假設發生瞬間完全破裂，并且在操作期間由于某種原因發生火災事故。根據影響區域分析和個人風險研究

12、的結果，基于QRA方法對天然氣管道火災事故進行后果評估，使用CSAATQRA軟件繪制影響區域和個人風險等值線。在計算界面輸入所有的管道參數，可以得到影響區域和個人風險。火災事故對人的影響區域如圖3所示。紅線區域是人的影響區域，死亡半徑為148.42米。圖3天然氣管道射流火災的后果模擬然后，個人風險等值線繪制在圖4中。黃線是3×10-7個人風險等值線，橘色線是1×10-6個人風險等值線。從圖4可以看出，兩條個人風險等值線所包圍的不是高密度的居民區、高密度公眾聚集場所或高敏感區、重點對象和高密度場所。所以，天然氣管道的火災風險是可以接受的。圖4天然氣管道火災事故的個人風險等值線

13、5.結論和建議通過上面的研究，本文可以得出下列結論。（1）在長距離油氣管道運輸中，一旦泄漏油氣與空氣的混合物被點火源點燃，就會發生火災。在三種火災事故中，更嚴重的是噴射火，無論是加壓還是壓力液化可燃材料。長距離油氣管道的火災風險研究對于保證人員和財產安全具有重要的理論和實踐意義。（2）長距離管道事故的影響區域是確定長距離油氣管道風險的重要因素。影響半徑可分為死亡半徑和受傷半徑。因此，長距離管道的影響區域是與周邊特定的臨界距離。（3）長距離油氣管道的個人風險可接受標準在國內被定義為重大危險源。在高密度的居民區和高密度的公眾聚集場所不能超過1×10-6/年。在高敏感區域、重要對象和特殊高密度場所，可接受個人風險不能超過3×10-7/年。（4）對于長距離油氣管道，CASSTQRA軟件可有效模擬影響區域和繪制個人風險等值線。機遇火災數學模型和CASSTQRA軟件，以天然氣管道為例計算影響區域和個人風險。對于天然氣管道，死亡半徑為148.42米，3×10