城市污水管網(wǎng)氣體爆炸風險評估*

范小花　丁允超

(1.重慶科技學院安全工程學院　重慶 401331；　2.重慶大學化學化工學院　重慶 400030；3.重慶工程學院　重慶 400056)

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城市污水管網(wǎng)氣體爆炸風險評估*

范小花1,2丁允超3

(1.重慶科技學院安全工程學院重慶 401331；2.重慶大學化學化工學院重慶 400030；3.重慶工程學院重慶 400056)

針對城市污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸事故的危害性，分析了影響城市污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸事故的因素，建立了基于模糊綜合評價法的污水管網(wǎng)氣體爆炸風險評估模型。擬定了各因素風險級別(Ri)及其判斷依據(jù)，根據(jù)兩兩比較法確定了各影響因素的相對權(quán)重(Wi)。最后將該模型運用于某小區(qū)污水管道氣體爆炸風險評估，結(jié)果驗證了該模型的合理性，并提出了相應的管理對策。

污水管道氣體爆炸風險評估模糊綜合法

0　引言

隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展的加快，城市人口越來越密集，所產(chǎn)生的生活污水也越來越多。因此，人們對污水管網(wǎng)的安全運行越來越依賴。然而，近年來有關(guān)城市污水管網(wǎng)氣體爆炸事故卻時有發(fā)生[1]，造成了嚴重的人身傷亡和財產(chǎn)損失，特別是節(jié)假日。據(jù)統(tǒng)計，全國每年春節(jié)期間發(fā)生的下水道爆炸事故就有數(shù)百起[2]?？梢?，污水管網(wǎng)已然成為城市居民身邊的“隱形炸彈”， 它幾乎無處不在，又隨時可能發(fā)生爆炸。因此，對城市污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸事故的風險進行評估分析，是保證其安全運行的重要手段，可為相關(guān)管理機構(gòu)提供決策參考。

1　城市污水管網(wǎng)氣體爆炸事故的影響因素

1.1甲烷含量

城市污水管網(wǎng)內(nèi)的氣體主要是甲烷，其體積分數(shù)有時甚至高達90%以上[3]，污水管網(wǎng)發(fā)生的氣體爆炸事故主要就是由甲烷引起的。甲烷是一種易燃易爆的氣體，爆炸極限范圍為5%～15%。甲烷濃度達到爆炸極限范圍時，遇到火源即可發(fā)生爆炸，其濃度越高，發(fā)生爆炸風險就越大。城市污水管網(wǎng)(尤其是化糞池)中的甲烷濃度常在爆炸極限點上下徘徊，因此頻繁地在各大城市引爆。一般甲烷檢測儀的報警值設有兩個等級，低報警值設在爆炸下限的10%～25%之間，即甲烷體積分數(shù)為0.5%～1.25%，高報警值設在爆炸下限的50%，即甲烷體積分數(shù)2.5%，超過高報警值時人員必須馬上撤離。

1.2硫化氫、氨氣和一氧化碳含量

除甲烷外，污水管網(wǎng)里產(chǎn)生的易燃氣體還有硫化氫、氨氣和一氧化碳，其體積分數(shù)相對甲烷很少，尤其是氨氣和一氧化碳的體積分數(shù)幾乎可以忽略[3]。但是由于其有毒，低濃度時即可危及人的生命，因此其對污水管網(wǎng)的安全性也有極大的影響。硫化氫是一種神經(jīng)毒劑，低濃度時有惡臭，高濃度時由于人的嗅覺系統(tǒng)被麻痹而聞不到惡臭。因此不能依靠嗅覺來判斷有無硫化氫。硫化氫的產(chǎn)生主要是由于下水道管壁的粘泥中會產(chǎn)生硫酸鹽還原菌，它是一種厭氧菌，在厭氧條件下催化還原污水中的硫酸鹽有機物，生成硫化氫[3]。硫化氫的濃度越高，發(fā)生爆炸和中毒的風險越大。

1.3二氧化碳、二氧化硫含量

污水管網(wǎng)中也會產(chǎn)生二氧化碳和二氧化硫等不燃氣體，相對而言二氧化硫濃度很小，可忽略不計，主要考慮二氧化碳。二氧化碳是伴隨著污水厭氧發(fā)酵產(chǎn)生甲烷而產(chǎn)生的[3]，是一種惰性氣體，對甲烷混合氣體的爆炸極限有較大影響，因為其隔離了甲烷分子和氧分子。使甲烷混合氣體的爆炸極限范圍縮小，甚至為零。因此，二氧化碳濃度越大，污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸的風險越小。但是，由于二氧化碳是窒息性氣體，高濃度時會排擠空氣中的氧氣，使人供氧不足，窒息死亡。因此，二氧化碳也是污水管網(wǎng)的危險因素之一。

1.4溫度

溫度會影響可燃氣體的爆炸極限。初始溫度越高，可燃氣體的爆炸極限范圍越寬，爆炸危險性增加。此外，溫度對甲烷、二氧化碳和硫化氫的產(chǎn)生以及產(chǎn)生量也有很大的影響。較高溫度下，產(chǎn)甲烷菌處于較高的產(chǎn)甲烷狀態(tài)，較低溫度下，產(chǎn)甲烷的能力相對較弱。產(chǎn)硫化氫的硫酸鹽還原菌屬于中溫菌，30 ℃時代謝最旺盛，產(chǎn)硫化氫的速度也最快；溫度小于20 ℃時難于生存，幾乎沒有硫化氫生成[3]。因此，當溫度升高時，甲烷、硫化氫的濃度都隨之升高，發(fā)生氣體爆炸的風險更大。

1.5氣流速度

氣體流速對可燃氣體爆炸的影響較大。當管道內(nèi)的可燃氣體已經(jīng)發(fā)生爆炸時，由于氣流速度會加劇火焰?zhèn)鞑ニ俣?，因而氣流速度越快會加劇爆炸的劇烈程度，從而造成更嚴重的破壞。但是，當污水管網(wǎng)內(nèi)的可燃氣體只是燃燒，還未發(fā)生爆炸時，由于氣體流速加快了熱量的傳遞過程，氣體流速越大，熱量傳遞越快，導致管道內(nèi)溫度下降越快，火焰越容易熄滅，管道內(nèi)可燃氣體也就越不容易發(fā)生爆炸；反之，氣流速度越小，熱量的傳遞越慢，能量越集中, 可燃氣體的燃燒反應會不斷地進行下去，使得管道內(nèi)溫度不斷升高，越容易形成爆炸。此外，氣流速度越高，可燃氣體爆炸下限上升，爆炸上限降低，即可燃氣體的爆炸極限范圍縮小。有研究表明[4]，當氣體流動速度大于0.85 m/s時，甲烷爆炸下限和爆炸上限將重合，此時的氣流速度稱為臨界流速，任何大于此臨界流速的可燃混合氣體在同等條件下都不可能發(fā)生爆炸。因此，可以通過提高混合氣體的流動速度來預防城市污水管網(wǎng)的爆炸問題。

1.6污水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

污水管網(wǎng)直徑越小，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍铰?，可燃氣體的爆炸極限范圍越窄[5]；當污水管網(wǎng)內(nèi)徑足夠小時，火焰便不能在管道內(nèi)傳播，此時可燃氣體的爆炸極限范圍變?yōu)榱?。此時的管網(wǎng)直徑稱為臨界直徑，小于臨界直徑的管網(wǎng)發(fā)生可燃氣體爆炸的風險為零。因此可通過合理設計管網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸來降低發(fā)生可燃氣體爆炸的風險。

2　模糊綜合評價

2.1建立風險因素集

由前述對風險因素的分析，可建立影響城市污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸事故的因素集：U={U1，U2，U3，U4，U5，U6}={甲烷，硫化氫等其他可燃氣體，二氧化碳等不燃氣體，溫度，氣流速度，污水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)}。

2.2確定各風險因素的等級

根據(jù)第1部分中各因素對城市污水管網(wǎng)氣體爆炸風險的影響分析，可擬定出各因素風險級別(Ri)及判斷依據(jù)，結(jié)果見表1。

2.3確定各風險因素的權(quán)重

根據(jù)兩兩比較法，將因素集U中各因素進行兩兩比較[6]，比較結(jié)果用Uij表示因素Ui對Uj的重要程度，由此可建立一個關(guān)于Uij的判斷矩陣A=(Uij)n×n，結(jié)果見表2。

表1　各因素風險等級及判斷依據(jù)

表2　兩兩因素判斷表

根據(jù)已建立的判斷矩陣A=(Uij)n×n，運用“方根法”求取各因素的相對權(quán)重。首先計算權(quán)重向量近似值(即將A矩陣各行相乘并開n次方)：

(1)

為了檢驗所建立的判斷矩陣的合理性，運用一致性檢驗判別式CR=CI/RI進行檢驗，其中CI為一致性指標。

(2)

(3)

2.4污水管網(wǎng)氣體爆炸的模糊綜合風險評估等級

城市污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸事故的風險等級RT可根據(jù)式(4)得出：

(4)

評估等級為0，表示無影響，1為輕微影響，2為小影響，3為中等影響，4為大影響，5為重大影響。

3　實例驗證

運用以上模型對某小區(qū)污水管道發(fā)生氣體爆炸的風險程度進行評估。經(jīng)測定，該小區(qū)的污水管道中，甲烷、硫化氫、二氧化碳的質(zhì)量分數(shù)分別為2.85%，0.000 2%，1.55%，溫度為24.6 ℃，氣流速度為0.32 m/s，管道直徑為600 mm。對照各因素風險等級判斷表1，得各因素的風險等級為Ri=(4,1,4,3,4,4)。

4　結(jié)語

(1)影響城市污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸風險的因素有甲烷、硫化氫等其他可燃氣體、二氧化碳等不燃氣體、溫度、氣流速度、污水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

(2)甲烷的濃度對污水管網(wǎng)發(fā)生氣體爆炸的風險影響最大，其次是硫化氫等其他可燃氣體的濃度和溫度，其它3個影響因素的權(quán)重相對較小。

(3)針對某小區(qū)污水管道的具體情況，運用所建立的風險評估模型，評價結(jié)果證明所建立的風險評估模型是合理的?？赏茝V應用于其他污水管網(wǎng)的氣體爆炸風險評估中。

[1]郭芳.排除城市地下“隱形炸彈”——重慶成功試點污水管網(wǎng)安全監(jiān)控預警示范工程[J].中國經(jīng)濟周刊，2013(9)：71-74.

[2]包亮.城市下水道及化糞池可燃氣體監(jiān)控預警系統(tǒng)研制與應用[D].重慶:重慶大學，2009.

[3]彭述娟.山地城市污水管道氣體爆炸風險評估及預警研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[4]劉仁龍，邱德彬，范興，等.城市下水道內(nèi)可燃氣體爆炸安全閾值的研究[J].安全與環(huán)境學報，2013，13(1):220-223.

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Risk Assessment of Gas Explosion in the Urban Sewer

FAN Xiaohua1,2DING Yunchao3

(1.SafetyEngineeringInstitute,ChongqingUniversityofScienceandTechnologyChongqing401331)

The risk of gas explosion in urban sewer is very large, so in this paper, the factors affecting the gas explosion in urban sewer are analyzed and the risk assessment model based on the fuzzy comprehensive evaluation method is established. The risk level (Ri) and its judgment of each factor are worked out, and the relative weight (Wi) of each factor is determined according to the two comparison method. Finally, the model is applied in the risk assessment of the gas explosion in a residential district sewage pipe, the result shows that the model is reasonable and the corresponding management strategies are put forward.

urban sewergas explosionrisk assessmentfuzzy comprehensive method

國家安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目(2016GJ-C1-040)，重慶科技學院校內(nèi)基金資助項目(ck2014z17)。

范小花，女，博士，主要從事企業(yè)安全評價及風險控制方面的研究。

2015-10-21)