一种评估天然气管道爆炸危害的方法与流程

本发明涉及管道危害防护领域，具体涉及一种评估天然气管道爆炸危害的方法。

背景技术：

天然气管道在服役过程中，由于地质灾害、腐蚀介质、人为因素、质量问题等引起管道可能出现断裂、变形、时效、腐蚀等现象，从而造成管道的泄漏，造成严重后果。

天然气管道泄漏后由于管内高压，气体大量从泄漏点散出，同时会发生泄漏位置会发生裂纹扩展，加速气体泄漏过程。由于管道断裂以及天然气气体体积极速膨胀，会形成剧烈的物理爆炸，产生强烈的冲击波，造成严重危害。

高压天然气管道泄漏后，由于具有较高的内压以及较高的天然气浓度(以甲烷为主)，在泄漏点附近并不会发生点火爆炸。天然气泄漏后，体积迅速膨胀，并向空中进行扩散，并与大气中的氧气充分混合，形成预混蒸气云，从而满足气体的爆炸极限，在一定条件下会发生点燃。由于天然气与空气混合充分均匀，点燃过程极为剧烈，火焰前沿速度可达50-100m/s，形成爆燃，并向周围释放大量热辐射对人员、建筑和设置造成巨大伤害，严重威胁管道服役安全，从而对油气管道铺设区域的公共安全带来极大潜在威胁。

天然气管道爆炸既有管道断裂、气体泄漏的物理爆炸，又有气体膨胀后与空气混合的化学爆炸。在管线设计及建设过程中必须针对冲击波及热辐射等信息进行综合考虑，设定管线建设、服役的安全半径，从而降低管道失效所带来的危害。

技术实现要素：

为了评估天然气管道泄漏发生爆炸的危害范围，本发明基于天然气管道全尺寸气体爆破结果，提供了一种评估天然气管道爆炸危害的方法，利用冲击波及热辐射测试结果对高压天然气管道的爆炸危害半径及人员死亡概率进行估算，从而确定天然气管道的安全距离，降低管道失效所带来的危害，为管线建设提供技术支持和理论依据。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种评估天然气管道爆炸危害的方法，包括以下步骤：

1)在距钢管不同距离上安装冲击波及热辐射传感器，从而获得在距火球不同位置上的冲击波及热辐射值；利用冲击波在不同位置上的压力值，估算出冲击波对人的危害范围；利用热辐射伤害的方程，计算出特定时间范围内不同位置上的热辐射危害概率单位；根据热辐射危害概率单位得到热辐射影响范围；

2)将冲击波对人的危害范围与热辐射影响范围进行对比，从而确定影响范围较大的为该规格管线的安全距离。

本发明进一步的改进在于，假设有衣服保护时人暴露面积为皮肤表面面积的20％，热辐射伤害的方程为：

裸露死亡：P_r＝-36.38+2.56ln(t*q^4/3)

有衣服保护死亡：P_r＝-37.23+2.56ln(t*q^4/3)

二度灼伤：P_r＝-43.14+3.0188ln(t*q^4/3)

一度灼伤：P_r＝-39.83+3.0186ln(t*q^4/3)

其中q为热辐射量，t为时间，P_r为概率单位，*表示乘号。

本发明进一步的改进在于，根据热辐射危害概率单位得到热辐射影响范围的具体过程为：由于热辐射危害概率单位服从正态分布，将热辐射危害概率单位带入概率公式计算出不同位置上的热辐射危害概率，根据热辐射危害概率得到热辐射影响范围。

本发明进一步的改进在于，概率公式为：

其中，式中，P为危害概率，P_r为概率单位，u为变量。

本发明进一步的改进在于，热辐射危害概率包括烧伤率以及致死率。

本发明进一步的改进在于，特定时间范围为1～10s。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

由于高压天然气管道的爆炸可分为由天然气膨胀、泄出所引起的物理爆炸以及由天然气点燃、燃烧所引起的化学爆炸两部分。现有技术中通常是利用该天然气组分下的燃烧值以及天然气体积，估算出天然气燃烧、爆炸所引起的化学爆炸当量，从而进行危害范围评估。该技术中只考虑化学爆炸的危害，评估结果的准确性较差。本发明基于天然气管道全尺寸气体爆破结果，利用冲击波及热辐射测试结果对高压天然气管道的爆炸危害半径及人员死亡概率进行估算，从而确定天然气管道的安全距离，不仅考虑了天然气管道爆炸时气体膨胀所引起的冲击波影响，又考虑了天然气燃烧、爆炸所引起的热辐射危害影响，评估结果可较为准确的确定天然气管道的爆炸安全距离，降低管道失效所带来的危害，为管线建设提供技术支持和理论依据，具有重要的工程应用价值。本发明适用于高压天然气管道发生泄漏进而产生蒸气云爆炸的危害估计。

附图说明

图1为垂直方向冲击波结果。

图2为垂直方向冲击波压力随着距离的演化规律。

图3为垂直方向上热辐射值随距离变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供的一种评估天然气管道爆炸危害的方法，适用于高压天然气管道发生泄漏进而产生蒸气云爆炸的危害估计，具体包括以下步骤：

1)在距钢管不同距离上安装冲击波及热辐射传感器，从而获得在距火球不同位置上的冲击波及热辐射值；利用冲击波在不同位置上的压力值，对比《安全评价方法应用南》可以估算出冲击波对人的危害范围。利用热辐射伤害的方程，将不同位置上的热辐射值带入后可计算出特定时间范围内不同位置上烧伤或致死的热辐射危害概率单位；由于危害概率单位服从正态分布，将热辐射危害概率单位带入概率公式可计算出不同位置上的热辐射危害概率(烧伤率、致死率等)，根据热辐射危害概率得到热辐射影响范围。

2)将冲击波影响范围与热辐射影响范围进行对比，从而可确定影响范围较大的为该规格管线的安全距离。

3)天然气管道的管径、压力的不同会影响冲击波压力、热辐射值以及火焰持续时间，进而改变不同位置上的冲击波压力值、热辐射致伤、致死概率，估算适合该规格管线的安全距离。

下面通过实施例进行详细说明。

天然气管道(干线管道)管径较大、压力较高(如西气东输二线干线管道外径为1219mm，输送压力为12MPa)，泄漏爆破具有严重的危害，由于高压气体极速膨胀会产生剧烈的物理爆炸，形成冲击波，此外可燃气体的点燃还会向外辐射出大量的热能，形成强烈的热辐射，因此在估算其危害范围时既要考虑冲击波的影响，还要考虑热辐射的影响。此次试验钢管外径为1422mm，气体内压为12MPa，在管道周围不同位置安装一冲击波、热辐射传感器，测量不同位置上的冲击波、热辐射数据大小，用于爆炸危害的评估。

1)冲击波

安装冲击波传感器，用于接收管道爆炸时的冲击波压力，冲击波传感器布置在钢管垂直方向上的不同位置。具体是在垂直方向上，10～200m范围内，每隔10m安装一个冲击波传感器，采集信号进行傅立叶变化处理，过滤掉高频杂乱信号，得到不同位置上的冲击波压力随着时间的变化规律结果(见图1)以及冲击波压力随着距离的变化规律(见图2)。

根据《安全评价方法指南》，当超压处于0.02～0.03MPa之间时，人会受到轻微损伤，结合处理所得数据可以看出：只有在爆炸点附近(20m距离内)，爆炸冲击波才会对人造成损伤。

2)热辐射

热辐射传感器与地面呈一定角度安装，用于接收来自空中点火后的热辐射，热辐射传感器放置在钢管垂直方向上，起爆位置距离50～300m范围内，每隔50m设置一个热辐射传感器，用于不同距离测点的数据采集，所测数据如表1所示。

表1热辐射测试数据

表1为钢管垂直方向上不同位置上的热辐射值。根据上述数据绘制了不同方向上热辐射的变化曲线(见图3)。

假设有衣服保护时人暴露面积为皮肤表面面积的20％，热辐射伤害的方程为：

裸露死亡：P_r＝-36.38+2.56ln(t*q^4/3)

有衣服保护死亡：P_r＝-37.23+2.56ln(t*q^4/3)

二度灼伤：P_r＝-43.14+3.0188ln(t*q^4/3)

一度灼伤：P_r＝-39.83+3.0186ln(t*q^4/3)

其中q为热辐射量，t为时间，P_r为概率单位，*表示乘号。

根据不同时间下的热辐射量，利用上述公式计算垂直钢管方向不同位置上的热辐射危害概率单位，如表2～表6所示。

表2钢管垂直方向100m距离位置上不同时间的热辐射危害概率单位

表3钢管垂直方向150m距离位置上不同时间的热辐射危害概率单位

表4钢管垂直方向200m距离位置上不同时间的热辐射危害概率单位

表5钢管垂直方向250m距离位置上不同时间的热辐射危害概率单位

表6钢管垂直方向300m距离位置上不同时间的热辐射危害概率单位

从表2～表6中可以看出，随着曝露时间的增加，热辐射危害概率单位数值逐渐增大。此外在相同暴露时间时，随着距离的增大，热辐射危害概率单位数值逐渐降低。

危害概率服从正态分布，热辐射危害概率单位与危害概率P满足下式：

其中，式中，u为变量。

根据表2～表6，计算了垂直钢管方向6秒内不同距离位置上的危害概率，如表7所示。

表7垂直方向上不同距离热辐射持续6秒的危害概率

从表7中可以看出，当人曝露在热辐射6秒钟，距钢管100m时有衣服保护的死亡概率为26.11％，一度烧伤的概率达100％。距钢管150m时有衣服保护的死亡概率为1.29％，一度烧伤的概率达99.01％。距钢管200m时有衣服保护的死亡概率为0％，一度烧伤的概率达61.41％。距钢管250m时有衣服保护的死亡概率为0％，一度烧伤的概率达16.60％。距钢管300m时有衣服保护的死亡概率为0％，一度烧伤的概率达3.67％。按照1％以下的致死率为安全距离来估计，当人曝露在热辐射6秒钟时，有衣服保护的安全距离为154.5m。

综合考虑冲击波及热辐射的危害，该规格天然气管道的爆炸危害安全距离为154.5m。

由于天然气管道爆炸分为物理和化学的两部分，现在技术中只考虑化学的，或者只考虑物理的，评估结果不准确，本发明基于天然气管道全尺寸气体爆破结果，提供了一种利用冲击波及热辐射测试结果对高压天然气管道的爆炸危害半径及人员死亡概率进行估算，从而确定天然气管道的安全距离，为管线建设提供技术支持和理论依据。本发明适用于高压天然气管道发生泄漏进而产生蒸气云爆炸的危害估计。