化工厂天然气管道泄漏火灾研究*

张晓蕾，张洁

(1. 中国安全生产科学研究院职业安全健康信息与培训中心，北京 100012；2. 福州京东方光电科技有限公司，福建福清 350300)

化工厂天然气管道错综复杂，其安全成为广大研究者所关注的重要问题之一。天然气在管道输送过程中，由于操作不当或管道运行时间较长后有些管道因腐蚀生锈变薄，从而导致管道发生泄漏。天然气管线泄漏会造成严重的环境污染，同时极易引发火灾，危害人们的生命安全。

为了减少天然气喷射火产生的灾害，国内外学者对此展开了研究。Delichatsios[1]提出可通过弗劳德数来计算火焰的抬升高度，分析了动量-浮力控制湍流射流扩散火焰的过渡特性。Mc-Caffrey[2]提出的火焰温度分布的羽流三段模型，并在弗劳德数限制下，研究了合理的大尺度亚音速甲烷扩散火焰。黄有波等[3]通过火灾数值模拟软件FDS研究了泄漏孔形状对天然气管道喷射火特性的影响，研究发现天然气喷射火的火焰几何尺寸、火焰影响范围与泄漏孔形状有关。Huang等[4]研究了矩形喷射口和喷口速率对火焰几何形状的影响。Tong等[5]采用MATLAB软件对天然气管道喷射火事故进行了定量风险评价，并通过软件对喷射火造成的设备损伤范围和人员伤害范围进行了展示。Studer等[6]基于甲烷和氢气的喷射火试验建立了用于预测火焰长度、吹熄速率和辐射通量的模型。通常由于高压气体泄漏导致的喷射火焰能在短时间到达很高的强度，因此喷射火的危害主要有2个：①火焰对人员或设备的冲击；②在较短距离内产生高强度的热辐射通量，可能导致周围设备受到辐射损坏和机械故障[7]。如果管道或储存容器暴露在喷射范围之内，喷射火可使设备内的流体温度升高，导致压力的意外增加，引起多米诺效应产生额外的事故。

针对以上情况，笔者以某化工厂天然气管道为研究对象，讨论不同风速以及泄漏孔径条件下，该天然气管道发生泄漏之后产生的喷射火对周围建筑物及人员的影响规律。

1 模型可靠性验证

根据1985年美国标准局发布的大尺寸喷射火试验数据以及相关报告[8]，结合参考文献[9]并分析该报告，整理得到大尺寸喷射火的有效试验数据。

试验中的喷射火燃料为天然气，喷射火焰周围布置了5个热辐射计(距离：m)。试验装置布置如图1所示，试验工况以及试验数据见表1和表2。

图1 试验装置布置示意

表1 试验工况情况

表2 热辐射值试验结果数据 单位：kW·m-2

采用PHAST软件对上述试验工况进行数值模拟，可得到不同辐射计处喷射火焰热辐射数值，如图2所示。

图2 热辐射的试验值与数值模拟值对比

由图2可见：采用PHAST软件模拟火焰热辐射结果的变化趋势与试验结果大体一致，最大相对误差为18%。因此，基于PHAST软件的数值模拟具有较强的实用性和可靠性。

2 化工厂天然气管道泄漏喷射火热辐射特性

以某化工厂天然气管道为例，天然气中甲烷的体积分数为98.6%，环境温度20 ℃，大气稳定度D，管道直径为500 mm，泄漏速率为30 m/s，泄漏孔径分为小孔泄漏(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)，在不同泄漏孔径类型下分别取最大泄漏流量，风速分别为2，6，10 m/s。计算场景为天然气管道泄漏着火，研究不同风速和不同泄漏孔径对管道周围热辐射值变化规律的影响。其中热辐射值伤害准则是判定设备以及人员受伤害程度的标准，伤害准则如表3所示[10]。

表3 热辐射值伤害准则

2.1 风速影响

2.1.1 风速对管道喷射火下风向的影响

表4为3种风速下热辐射强度随下风向距离的变化曲线。一般认为，在稳态火灾燃烧的影响下，能够导致人员在1 min中内死亡概率为100%的临界热辐射值为37.5 kW/m2，而人体在20 s内感到疼痛的临界热辐射值为4 kW/m2，设备结构明显变形的临界热辐射值是25 kW/m2。

表4 不同风速下大孔泄漏对管道周围热辐射的影响规律

由表4可见：在高度为1.5 m，距离泄漏点8.16 m，风速为2 m/s时，热辐射值为12.31 kW/m2，致死率为5.88%；当风速为6 m/s时，热辐射值为30.48 kW/m2，致死率为93.70%；当风速为10 m/s时，热辐射值为64.81 kW/m2，致死率为99.78%。相对于风速为2 m/s时，风速为10 m/s时热辐射值增加了148%，且致死率水平接近100%。热辐射值随距离的变化规律见图3。

图3 热辐射值随距离的变化规律

由图3可见：当风速一定时，热辐射值随距离的增加先升高而后逐渐降低。在不同风速下，热辐射的最高值均在下风向距离泄漏中心8.2 m附近。同时，在距离泄漏中心较远的区域，即距离50 m以上，风速对热辐射强度的影响明显减弱。

2.1.2 风速对管道喷射火平面的影响

采用PHAST软件对天然气管道发生喷射火时的影响情况进行数值模拟，设定孔径为大孔泄漏，热辐射值为4 kW/m2，模拟结果如图4所示。

由图4可见：俯视图的影响区域近似为圆形，喷射火平面辐射范围受到风速的影响向下风向偏移，风速越大，偏移越明显。当风速为10 m/s时，X方向的影响范围为143 m，Y方向的影响范围为140 m。

2.2 孔径影响

2.2.1 孔径对管道喷射火下风向的影响

在风速为10 m/s时，3种泄漏孔径下热辐射强度随下风向距离的变化曲线见表5。

图4 热辐射影响的俯视图

表5 不同泄漏孔径对管道周围热辐射的影响规律

由表5可见：随着泄漏孔径的增大，热辐射影响的范围越大，致死率水平越高。在下风向距离为8.16 m时，热辐射值达到最大，且致死率接近100%。当距离地面高度为1.5 m，当处于小孔泄漏时，伤害距离为16 m；当处于中孔泄漏时，伤害距离为40 m；当处于大孔泄漏时，伤害距离为90 m。

2.2.2 孔径对管道喷射火平面的影响

图5 小孔泄漏条件下热辐射的影响范围

图6 中孔泄漏条件下热辐射的影响范围

图7 大孔泄漏条件下热辐射的影响范围

在风速为10 m/s条件下，化工厂天然气管道发生喷射火时，模拟3个不同泄漏孔径对周围的影响情况，结果如图5～图7所示。值为4 kW/m2，X方向的影响距离为10 m，Y方向的影响距离为5 m；当热辐射值为12.5 kW/m2，X方向的影响距离为12 m，Y方向的影响距离为11 m；当热辐射值为37.5 kW/m2，X方向的影响距离为16 m，Y方向的影响距离为20 m。因此，由热辐射伤害准则可以得到，对于小孔泄漏，危害半径为9.5 m时，设备全部损坏，人在1 min内致死率100%。

由图6可见：在中孔泄漏的条件下，当热辐射值为4 kW/m2，X方向的影响距离为22 m，Y方向的影响距离为19 m；当热辐射值为12.5 kW/m2，X方向的影响距离为30 m，Y方向的影响距离为32 m；当热辐射值为37.5 kW/m2，X方向的影响距离为48 m，Y方向的影响距离为55 m。因此，对于中孔泄漏，危害半径为10.1 m时，设备全部损坏，人在1 min内致死率100%。

由图7可见：在大孔泄漏的条件下，当热辐射值为4 kW/m2，X方向的影响距离为38 m，Y方向的影响距离为40 m；当热辐射值为12.5 kW/m2，X方向的影响距离为70 m，Y方向的影响距离为80 m；当热辐射值为37.5 kW/m2，X方向的影响距离为125 m，Y方向的影响距离为140 m。因此，对于大孔泄漏，危害半径为74.5 m时，设备全部损坏，人在1 min内致死率100%。

3 结论

火灾的燃烧与发展是一个十分复杂的过程，外界因素发生变化，火灾场的各种变量也随之改变。通过试验验证、数值模拟相结合的方式，借助PHAST模拟软件，研究了不同工况下风速以及泄漏孔径的大小对周围建筑物及人员的热辐射影响。

1)相比试验结果，采用数值模拟得到的喷射火的热辐射值偏高，但是其分布规律与试验结果基本一致，最大相对误差为18%，因此可采用PHAST软件模拟大尺寸喷射火产生的事故危害。

2)风速对喷射火有较大的影响，风速越大，热辐射影响的范围越大。相对于风速为2 m/s时的热辐射，风速提高至10 m/s时热辐射增加了148%，且致死率水平接近100%。

3)热辐射随距离的增加先增加后逐渐降低，但在距离泄漏中心较远的区域，即距离50 m以上，风速对热辐射强度的影响明显减弱。

4)泄漏孔径对火焰热辐射的影响范围较大，泄漏孔径越大，热辐射影响的距离越远，以设备全部损坏为标准，对于大孔泄漏来说，热辐射影响的危害半径为74.5 m。