摘要：论述了城市埋地天然气管道泄漏事故的原因和后果。建立了火灾危险区域计算关系式，结合北京市近年来典型的管道事故，对事故后果的主要影响因素(管道运行压力、管道破损面积等)进行了定量分析。火灾危险区域半径大于城镇燃气设计规范中规定的管道距建筑物的最小距离，管道运营公司应当加强与公众及第三方施工单位的联系，降低管道泄漏及火灾风险。

       关键词：天然气管道；事故；泄漏后果；风险评价；火灾危险区域预测；安全管理

    随着我国燃气事业的快速发展，燃气管网的管理水平亟待提高。导致事故的原因和事故后果的定量分析对于降低管网运行风险，保证人民生命财产安全具有重要意义^[1]。世界上的现代化大都市的城市燃气几乎都经历了从人工煤气到天然气这一发展过程。2006年，北京市结束了近50年人工煤气的历史，实现管网全天然气化。北京燃气事业经过50年的发展历程，特别是1997年陕甘宁天然气进京后，城市燃气已具有相当大的规模，现有360×10⁴户用户、约11000km管网、55×10⁸m³/a供应量、5级压力级制。表1为北京市天然气管网管长与压力概况。本文结合北京市的管网特点和所发生的管道事故开展火灾危险预测，对火灾危险进行定量化研究，为管网风险评价提供参考。

    管道风险是事故发生概率和事故后果的函数^[2、3]，火灾危险预测应当首先分析导致事故的原因。根据初步统计，2007年北京市燃气突发事故约102起。其原因分类见表2^[4]。从表2可知，造成城市燃气事故的主要原因是外力破坏。

表2 2007年北京市燃气事故原因分类统计^[4]    起

    美国和欧洲的安全工程师利用风险评价的方法对天然气管道泄漏事故后果做了大量定量分析和统计，形成了具有统计学意义的参考数据。根据燃气泄漏后的各种表现形式，可以确定出具有普遍性的危险发生模式。下面以燃气泄漏后的各种表现形式为出发点，根据危害发生机理建立相应的事故后果计算关系式。

   美国石油学会(American Petroleum Institute)的相关资料提供了燃气发生泄漏后各种表现形式的概率^[5]，研究者可以根据不同情况对其进行一定的修正。燃气持续性泄漏后发生安全排放、喷射火焰、闪火、蒸气云爆炸的概率分别为0.8、0.1、0.06、0.04^[5]。

    喷射火焰(Jet Fire)是指气体从裂口喷出后立即燃烧，如同火焰喷射器。闪火(Flash Fire)是指泄漏的可燃气体在空气中扩散后发生的滞后燃烧，不产生冲击波破坏^[6]。蒸气云爆炸是指蒸气云团的可燃混合气体遇火源突然燃烧，是在无限空间中的气体爆炸。

   天然气发生泄漏后，如果立即点燃，此时天然气还没有和空气充分混合，点燃发生在外层，而内层的燃气因为浓度太高不能被点燃。因为天然气的密度小于空气，气云的浮力起主导作用，所以燃烧的气云向上抬升并变成球形，进而促进天然气与空气混合形成持续的火灾。短时间上升和膨胀的火球最后发展为稳定的喷射火焰，其产生的热辐射会对在场人员造成伤害^[7]。

    美国、欧洲和加拿大的研究机构建立了相应的管道事故数据库，以进行现役管道的安全评价，减少事故发生的可能性。欧洲燃气管道事故数据库(European Gas pipeline Incident Data Group，EGIG)的统计方法是根据以下泄漏的尺寸将管道破损进行分类记录^[8]：

    ① 微孔(或裂纹)：缺陷直径≤2cm。

    ② 孔洞：2cm＜缺陷直径≤管道直径。

    ③ 断裂：缺陷直径＞管道直径。

    欧洲燃气管道1970年—2007年间的统计数据显示，第三方破坏造成的各种破损形式的比例分别为：微孔或裂纹(Pinhole/crack)27%，孔洞(Hole)55%，断裂(Rupture)18%。第三方破坏造成的管道破损以孔洞为主。

天然气泄漏导致的风险与泄漏速率密切相关，气态燃气泄漏量可从伯努利方程推导得到，燃气泄漏的质量流量与其流动状态有关。当满足式(1)的条件时，气体流动属于声速流动，燃气的泄漏速率(以质量流量计)用式(2)计算^[9]。

 

式中p₀——环境绝对压力，Pa

    p——容器内介质绝对压力，Pa

    κ——燃气等熵指数，甲烷取1.29

    q_m——燃气泄漏速率(质量流量)，kg/s

    C_dg——气体泄漏系数，与泄漏口形状有关，见表3

    A——泄漏口的面积，m²

    M——燃气的摩尔质量，甲烷为0.016kg/mol

    R——摩尔气体常数，取8.314J/(mol·K)

    T——气体温度，K，取288K

    当满足式(3)时，气体流动属于亚声速流动，燃气泄漏速率用式(4)计算^[9]。

 

    燃气燃烧过程中火焰表面在高温下向外部空间发射辐射能。彼德森(Pietersen)提出用以下模型来观测热辐射对人员的伤害^[10]。在场人员暴露在热辐射之下受到伤害的概率与暴露时间和热辐射通量有关。

   ① 彼德森模型^[10]

 

式中P——人员伤害概率

    t——人员暴露时间，s

    q——人体接收到的热辐射通量，W/m²

人员伤害概率与死亡百分数的关系为^[11、12]：

 

式中D——死亡百分数

    u——积分变量

    死亡百分数D通过式(6)与个体受到伤害的概率P关联^[11]。式(6)表示概率密度与概率分布函数的关系，个体受到伤害的概率P是死亡百分数D的度量，它们的数值对应关系可以方便地利用标准正态分布表查得。当P=2.67时，D=1%；P=5.00时，D=50%；P=8.06时，D=99.9%^[11、13]。