森林火災對埋地輸氣管道影響的數值模擬

裴 斌 鄧豐林 陳 鵬 楊云峰 楊 斯

1.中國石油西南管道昆明輸油氣分公司， 云南 昆明 650000；2.中國石油管道建設項目經理部中緬項目部， 云南 昆明 650000

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森林火災對埋地輸氣管道影響的數值模擬

裴 斌1鄧豐林1陳 鵬1楊云峰1楊 斯2

1.中國石油西南管道昆明輸油氣分公司， 云南 昆明 650000；2.中國石油管道建設項目經理部中緬項目部， 云南 昆明 650000

中緬油氣管道國內段多埋設于山林區(qū)，一旦發(fā)生森林火災，就可能對埋地管道造成影響。針對埋地管道的實際情況建立相應的三維物理模型，通過現場調研確定埋地管道及周圍土壤參數，修正建筑火災升溫曲線作為受火面森林火災升溫曲線；采用結構化有限容積法對埋地管道及周圍土壤的溫度場進行模擬研究；通過FLUENT軟件模擬，得到火災發(fā)生及撲滅后一段時間內的管道溫度變化規(guī)律，找到管道最高溫度的位置并分析其出現的原因。實際發(fā)生的森林火災具有一定的蔓延速度，固定區(qū)域的停留時間較短，相比之下模擬結果較為保守。

數值模擬；埋地管道；溫度場；森林火災

0 前言

天然氣的管道輸送具有輸氣量大，安全性好，自動化程度高等優(yōu)點。中緬天然氣管道作為我國西南天然氣進口通道，為我國西南地區(qū)天然氣供應提供了保障。中緬管道國內段通過地區(qū)地形相當復雜，多是山林區(qū)域，森林覆蓋率高，加上這些地區(qū)多兼具低緯氣候、季風氣候、山原氣候的特點，容易發(fā)生火險[1]。

一旦發(fā)生森林火災，土壤的熱力平衡將受到破壞，熱量向土壤內部傳遞，從而影響到埋地管道的防腐層、管壁以及輸送介質的正常狀態(tài)，可能造成防腐層、管壁的失效，以及輸送介質性質的改變[2]。

國內已有學者對此類問題進行了研究，楊麗蕓等人[3]對火災下埋地管道地表邊界條件進行研究，確定了各邊界條件適用范圍；鄧松圣等人[4]建立了火災下埋地管道的非穩(wěn)態(tài)模型，得出管道周圍溫度場的一般規(guī)律。本文以中緬管道國內段為研究背景，以FLUENT軟件為求解手段，采用結構化有限容積法對三維埋地管道模型的溫度場進行研究。

1 數學模型

為簡化計算，提出以下基本假設：林火燃燒穩(wěn)定連續(xù)；將土壤簡化為各向同性的均勻介質，忽略土壤中水分的影響；林火對管道熱力影響區(qū)的范圍為水平橫向-13 m≤x≤13 m、水平縱向0≤z≤50 m、垂直方向-8 m≤y≤0 m[5]。

基于上述簡化與假設，建立火災對埋地管道影響數學模型如下[6-10]：

土壤導熱方程：

Cs

(1)

式中：λs為土壤導熱系數，W/(m·K)；Cs為土壤容積熱容量，kJ/(m3·K)；Ts為土壤溫度，K；t為時間，s。

管壁、防腐層導熱方程：

(2)

式中：r為徑向位置，m；φ為環(huán)向弧度；z為軸向位置，m；k取1,2分別代表鋼管壁、防腐層；λk為第k層的導熱系數，W/(m·K)；Ck為第k層容積熱容量，kJ/(m3·K)；Tk(k=1,2)分別代表鋼管壁、防腐層的溫度，K；t為運行時間，s。

鋼管外壁和防腐層內壁滿足式(3)～(4)：

(3)

(4)

防腐層外壁和管道周圍土壤滿足式(5)～(6)：

(5)

(6)

式中：R1、R2分別為輸氣管道外壁、防腐層外壁半徑，m；Ts為土壤溫度，K。

邊界條件滿足式(7)～(8)：

(7)

y=0時，λs(Ta-Ts)

(8)

式中：αa為地表向大氣的放熱系數，W/(m2·K)，αa；u為當地風速,m/s；Ta為地表上方溫度,K；L1為熱力影響區(qū)域水平方向x軸邊界位置，m;L2為z軸方向邊界位置，m；H為熱力影響區(qū)域深度方向邊界位置，m。

2 模型參數

關于森林火災，Philpot在1965年提出了最熱火，火焰溫度高達1 500 ℃；Clemont和MCMahon于1980年提出最冷火，火焰溫度為800 ℃；駱介禹等人[11]在火焰溫度估測一文中提到火焰溫度為850～1 000 ℃；閔明保等人[12]提到溫度800～1 000 ℃時，木材全部燒盡。幾乎所有文獻關于林火溫度的描述都在800～1 000 ℃，因此參照ISO 834《國際阻燃、防火測試標準》的建筑物火災升溫曲線將森林火災升溫曲線修正如下：

Tt=T0+345ηlog(8t+1)

(9)

式中：Tt為火焰溫度，K；T0為初始環(huán)境溫度，K；t為著火時間，min；η為修正系數，取0.725。

根據SY/T 5922-2003《天然氣管道運行規(guī)范》[13]，管道中心線兩側5 m的范圍內不種植樹木，僅播種種草，在埋地管道上方靠近中心線兩側的溫度要遠低于林火溫度。因此將受火面劃分為樹木燃燒區(qū)域和枯草燃燒區(qū)域。

受火面的溫度分布滿足式(10)：

(10)

圖1 埋地管道計算模型

圖1為埋地管道計算模型，其中受火面深色區(qū)域代表樹木燃燒區(qū)域，淺色區(qū)域代表枯草燃燒區(qū)域。取管道埋深1.2 m，徑向50 m，軸向13 m，總燃燒面積為1 300 m2。

中緬油氣管道國內段輸氣干線管道直徑 Φ 1 016 mm×17.5 mm，管道外防腐層厚度3 mm，管道最小埋深(從地表至管道軸心的垂直距離)1.2 m，管道天然氣的輸送溫度298.15 K，管道天然氣主要成分為甲烷，流速4.26 m/s；管道周圍土壤平均密度取 2 400 kg/m3，平均比熱容取1 840 J/(kg·K)，平均導熱系數取2.0 W/(m·K)；管道材料為X 70/X 80鋼密度取7 850 kg/m3，比熱容取 434 J/(kg·K)，平均導熱系數取45 W/(m·K)；防腐層為三LPE結構，密度950 kg/m3，比熱容取2 512 J/(kg·K)，平均導熱系數取0.48 W/(m·K)；風速對溫度場的影響較小，取定值3 m/s，地表與大氣的換熱系數為23.12 W/(m2·K)。管道周圍土壤溫度初始條件t=0，T0=298.15 K。

3 數值模擬及分析

使用Gambit軟件將計算區(qū)域劃分成結構化網格，其解表明計算結果與網格劃分無關。采用結構化有限容積法以及Fluent軟件，模擬埋地管道及土壤溫度場。Fluent軟件在計算此類傳熱問題時，通過在Energy面板上打開Energy Equation 選項來激活傳熱計算。受火地表的邊界類型為對流換熱邊界條件，管內流體的入口邊界為速度入口，出口邊界為出流邊界，其余邊界均設為絕熱邊界。傳熱介質的參數按照現場調研數據設定。

不同著火時間埋地管道防腐層溫度變化曲線見圖2，不同時刻沿管道方向管內壁溫度變化曲線見圖3。

圖2 不同著火時間埋地管道防腐層溫度變化曲線

圖2中的三條曲線分別描述了火災持續(xù)50、80、100 h后被撲滅的管道防腐層溫度變化情況。每條曲線都在著火時升高，火滅后下降。曲線的最高點出現在火滅后的一段時間里，這是由于表面的火撲滅后，土壤內部仍有大量熱量向下傳遞，導致管道溫度繼續(xù)升高；到達最高點后，管道溫度會緩慢下降，這是由于火撲滅之后，土壤與空氣的對流換熱，換熱量相對較小，從而導致管道溫度降低十分緩慢。管道內壁溫度變化也具有相同規(guī)律。

表1 火災發(fā)生80 h后管道不同位置處的溫度值

位置/m溫度/K?x㊣=0340?x㊣=25346?x㊣=50352

火災發(fā)生80 h對應的管道溫度場見圖4，火災發(fā)生80 h后管道不同位置處的溫度值見表1。由圖3～4以及表1可以看出，火災發(fā)生80 h后，沿著管道方向的溫度不一致，會出現大約12度的溫度差。這是由于從遠處來的管內流體溫度保持不變，當通過著火段時，會沿著流動方向不斷與相對高溫的管道內壁進行對流換熱，導致在z=0 m處的管內流體和管壁溫度差Δt要大于z=50 m處的溫度差。

對流傳熱的基本計算式(11)[14]：

φ=hAΔt

(11)

式中:Δt為流體和管壁的溫差，K;h為表面?zhèn)鳠嵯禂担琖/(m2·K);A為傳熱面積，m2;φ為熱流量，W。

在森林火災中，某一片區(qū)域的火災持續(xù)時間不可能長達100 h。根據木材在火災燃燒時炭化速率3 mm/min[15]，得出一棵高3.6 m的大樹，完全炭化的時間不超過20 h。而且在發(fā)生森林火災時，樹木不可能完全炭化，樹木持續(xù)燃燒的時間會遠低于20 h?；馂陌l(fā)生100 h時各時間點防腐層與管內壁的最高溫度見表2，由表2可見，若管道上方火災持續(xù)20 h，管道的最高溫度在27 ℃左右。對于輸氣管道，甚至輸油管道，這個溫度是安全的，不會對埋地管道造成影響。

而假設森林火災持續(xù)了100 h后撲滅，防腐層的最高溫度出現在110 h，z=50 m處，溫度為93.67 ℃；管內壁最高溫度也出現在110 h，z=50 m處，溫度為87.85 ℃。三LPE管道防腐層的失效溫度160～180 ℃，而X 80/X 90鋼的失效溫度則更高。從模擬結果看，即使林火燃燒持續(xù)100 h，林火對管道的影響也不足以使管道失效引發(fā)更大的危害。

表2 火災發(fā)生100 h時各時間點防腐層與管內壁的最高溫度

時間/h防腐層溫度/℃管內壁溫度/℃1021.7321.872027.6727.083038.4236.764049.6547.025059.6956.266068.2064.137075.3270.738081.2576.249086.1980.8410090.3184.6811093.6787.8512093.3387.7813088.4183.5014081.6577.4515074.7771.21

4 結論

通過對森林火災下埋地管道的溫度場數值模擬研究，得到森林火災下管道的溫度變化規(guī)律。數值模擬結果表明，燃燒產生熱量并向下傳遞，導致土壤溫度以及管道溫度的上升；當火災撲滅之后，管道的溫度會有一個繼續(xù)上升的過程，然后再降低。火災持續(xù)時間越長，火災撲滅后繼續(xù)升溫的時間越長；沿著管道軸流方向，各截面溫度分布不一致。最高溫度出現在受火段管道末端的防腐層處，如果防腐層的質量不合格，在高溫下容易發(fā)生脫落或剝離；當發(fā)生森林火災時，火災不會對正常埋深的管道產生危害。

森林火災實際狀況十分復雜，受到地形、地表植被和風速等因素的影響；土壤的孔隙度以及含水率也會對計算結果產生一定影響。本研究基于危害最大化原則，簡化地表火災以及土壤狀況，其計算結果偏于保守。

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2015-09-22

中國石油集團中緬天然氣管道云南段放空系統(tǒng)安全評估項目(XNYX-KM-2014-FM-69)

裴 斌(1985-)，男，云南昆明人，工程師，學士，主要從事油氣管道生產運行工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.007