不同泄漏條件下輸油管道泄漏事故后果研究

梅苑 帥健 李云濤 劉敏,2

1.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院 2.北京辰安科技股份有限公司

2018年全球石油消費量為4 662.1×106t油當量，占一次能源消費量的33.6%[1]。管道是石油運輸?shù)年P鍵基礎設施，將生產地區(qū)與煉油廠、化工廠、家庭消費者和商業(yè)需求連接起來[2]。但隨著管網的逐年運行，其使用年限逐漸達到管道的最大使用壽命。此時，油管承壓防腐能力大幅下降，在長期運行過程中，極易會因腐蝕、焊接缺陷、第三方損壞等原因而發(fā)生失效。研究認為輸油管道的主要失效形式為穿孔[3-5],一旦輸油管道發(fā)生失效，就會導致管道油品外泄,從而發(fā)生泄漏事故，若遭遇明火，則會發(fā)展成為池火與流淌火，造成巨大的人員傷亡和財產損失[6-7]。因此，從安全角度來看，對于輸油管道泄漏事故后果的研究具有重要的意義。

理論模型是研究油品泄漏的重要手段[8-11]。李云濤等[12]提出一種基于 FERC模型的油品流淌火災定量風險評估方法。胡燕康等[13]通過研究汽油管道失效概率、點火概率等，建立了一套油氣管道風險計算模型，并結合風險可接受標準得出汽油管道基于風險的安全距離。隨著計算流體力學的發(fā)展，CFD軟件日漸成熟，也成為研究油品泄漏擴散的主要研究方法[14-17]。Liang等[18]基于CFD軟件模擬地下原油泄漏擴散過程，發(fā)現(xiàn)模擬結果能夠較好地再現(xiàn)實驗過程，并在模擬結果的基礎上，運用模糊綜合評判方法，提出了地面溢油危險區(qū)域。Zhu等[19]利用FLUENT軟件對海底管道油品泄漏過程進行了模擬，基于模擬結果擬合出石油到達海面的時間和地點的相關公式。史曉蒙等[20]模擬了不同管道運行壓力和不同泄漏孔徑下油品在地面上的流散過程,得到了油品擴展速度關于泄漏流量的關系式和關于管道壓力、泄漏孔徑、流散時間的流散面積偏微分方程組。位子陽[21]模擬了不同海底輸油管道泄漏口方向與水流運動方向夾角下石油的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)泄漏石油初始泄漏角度對泄漏石油上升至水面時水平方向移動的最遠距離及時間都有明顯的影響。

目前，對于油品泄漏的研究主要集中于液池的擴展方面，而忽略對油品火災后果的考慮。輸油管道失效后，受泄漏方式與點火時間等因素的影響，會發(fā)展成不同類型的火災事故，主要的火災事故類型為池火、流淌火和閃火等，而閃火的危險程度遠小于池火和流淌火。因此,本研究基于FERC模型與固體火焰模型對輸油管道泄漏后流淌火及池火展開研究，旨在為油品泄漏火災事故應急救援提供一定的理論指導。

1 計算條件

1.1 計算工況

泄漏孔徑、點火時間、泄漏時間是影響流淌火以及池火發(fā)展的重要因素，因此，針對這3個因素設計相應的研究工況。設定油品泄漏后有5種點火時間，分別為：0 s、100 s、500 s、1 000 s、3 600 s。根據AQ/T 3046-2013《化工企業(yè)定量風險評價導則》的規(guī)定，泄漏孔徑(直徑)分別定為5 mm、25 mm、100 mm。輸送管道壓力為1.5 MPa，管徑為200 mm。根據GB/T 37243-2019《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》,可確定熱輻射通量準則對應的損傷閾值。選取熱輻射通量值為12.5 kW/m2時的距離為最大危險距離，其中的范圍為危險區(qū)域范圍。泄漏的油品為汽油，其相關物性參數(shù)匯總于表1。

表1 汽油物性參數(shù)

1.2 FERC模型

FERC模型的準確性已在先前的研究中得到證實[12,22-23]。模型考慮了摩擦力和油膜形狀對液池擴展的影響，包括運動方程和質量方程兩部分。其中，質量方程為式(1):

(1)

式中：Vp為擴展的總油品體積，m3，Vp=Aph；Ap為擴展面積，m2；h為油膜平均厚度，m；Qin,m為油品的質量泄漏速率，kg/s；ρL為油品的密度，kg/m3；mv為液池燃燒速率，與油品本身有關，為單位面積上的油品在1 s內燃燒掉的質量，kg/(m2·s)，對于擴展過程中未發(fā)生點火的液池擴展,mv取0。

運動方程為式(2):

(2)

式中:r為液池擴展半徑，m;t為擴展時間，s；g為重力加速度，m/s2；△為液面以上的油膜厚度的占比，取為1；φ為形狀因子；CF為摩擦阻力，kg·m/s。

泄漏停止后，當前沿位置的油膜厚度小于臨界值hδ時，液池將停止擴展。此臨界值與重力、油品表面張力、黏性等有關。通過相關力的平衡可得臨界值，一般用式(3)或式(4)進行估算：

(3)

(4)

式中：σ為液體表面張力，N/m；VL為運動黏性系數(shù)。

取式(3)與式(4)所計算的最大值作為最終油品擴展的臨界厚度。

1.3 固體火焰面模型

固體火焰模型是被國內外學者多次驗證的池火計算模型[24]，且在流淌火計算方面也具有較好的預測性[12，25]，具有考慮的影響因素全面、算法簡單、準確度較高等優(yōu)點。本研究將采用固體火焰模型對流淌火和池火的熱輻射進行計算。

火焰外圍物體所受到的輻射熱流密度計算如式(6)：

q=τEF

(6)

式中：q為輻射熱流密度，kW/m2；τ為大氣透射率，不考慮濕度等影響，取值為1；E為向外輻射的功率，kW/m2，E=58×(10-0.00823D)[26]；D為液池直徑，m；F為視覺因子，反映目標物體接受到的輻射占總發(fā)射的比例，范圍為為0～1，由于考慮了最壞事故場景下的熱輻射影響，視覺因子取為1[24]。

2 結果與討論

2.1 點火時間對油品泄漏火災的影響

池火為液池穩(wěn)定后遇到點火源發(fā)生的火災，在泄漏過程中不考慮點火，因此本節(jié)僅針對流淌火展開研究。圖1為在中孔及大孔泄漏條件下，泄漏時間為3 600 s時不同點火時間下的流淌區(qū)域半徑變化。從圖1可以看出，點火時間對于流淌區(qū)域擴展具有顯著的影響。當點火時間較短，即點火時間為0 s和100 s時，流淌區(qū)域半徑變化曲線幾乎保持一致，在停止泄漏之前(3 600 s之前)，曲線呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢。這是因為，流淌火中油品燃燒速率與流淌面積呈正相關，在泄漏前期，流淌區(qū)域面積較小，因此油品整體的燃燒速度也較小，導致油品的泄漏速率大于燃燒速率，流淌區(qū)域持續(xù)擴展。隨著流淌面積的增加，油品燃燒耗量逐漸提升，當油品燃燒速率等于泄漏速度時，流淌區(qū)域半徑將保持穩(wěn)定。而在點火發(fā)生延遲時，即點火時間為500 s與1 000 s時，流淌區(qū)域半徑發(fā)展將超過穩(wěn)定燃燒的區(qū)域半徑，并在點火后出現(xiàn)一個下降區(qū)段。分析認為，當點火時間延長之后，流淌區(qū)域在點火時能夠達到較大的面積，此時燃燒速率大于泄漏速率，流淌區(qū)域半徑開始減小。當點火時間為3 600 s時，與泄漏時間相同，即流淌面積在擴展至最大范圍后發(fā)生燃燒，因此整個過程不會再出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的局面。另外，從圖1可以看出，在同一泄漏孔徑條件下，若泄漏持續(xù)時間足夠長，油品穩(wěn)定燃燒時的區(qū)域半徑與點火時間無關。

圖2為不同點火時間下流淌火輻射熱流密度隨距離的變化。可明顯看出，當點火時間較短，即點火時間為0 s和100 s時，熱輻射影響范圍幾乎相同。這是因為點火時間較早，流淌區(qū)域半徑在達到穩(wěn)定燃燒時便不會再增加，因此最大流淌區(qū)域半徑相同，相應的熱流密度變化曲線也保持一致。而當點火時間較晚，即點火時間為500 s、1 000 s和3 600 s時，點火時間越晚，最大流淌區(qū)域半徑越大，因此距火災同等距離下的輻射熱流密度值也越大，產生的事故危險區(qū)域范圍也越大。另外，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，泄漏孔徑會改變點火時間對輻射熱流密度的影響效果。如當油管為中孔泄漏時，輻射熱流密度為12.5 kW/m2，點火時間為1 000 s時最大危險距離為19.23 m，點火時間為3 600 s的工況對應的距離則為31.62 m，兩者相差12.39 m。而當油管為大孔泄漏、點火時間為1 000 s時，最大危險距離為67.20 m，點火時間為3 600 s的工況對應的距離為128.06 m，兩者相差60.86 m，較于前者危險區(qū)域范圍大幅度提高。由此說明,泄漏孔徑越大，點火時間延長會增強輻射熱流密度，流淌火產生的危害將會更加嚴重，危險區(qū)域范圍更大。

2.2 泄漏孔徑對油品泄漏火災的影響

圖3為不同泄漏孔徑下的流淌區(qū)域半徑及液池區(qū)域半徑隨時間的變化(泄漏時間為3 600 s)。由圖3可以看出，隨著泄漏孔徑的增加，流淌火及池火的最大區(qū)域半徑呈現(xiàn)顯著上升的趨勢。對于流淌火(見圖3(a))，當點火時間為0 s時，大孔泄漏所達到的最大流淌區(qū)域半徑為36.21 m，而小孔泄漏最大流淌泄漏半徑僅為1.63 m。另外，對于流淌火(圖3(b))，當點火時間較晚，流淌區(qū)域半徑存在下降的區(qū)段時，達到穩(wěn)定燃燒的流淌區(qū)域半徑所用的時間隨泄漏孔徑的增加而變長。大孔泄漏需經歷1 653 s才能到達穩(wěn)定燃燒流淌區(qū)域半徑，而小孔泄漏卻僅需386 s。分析認為，在同樣條件下，泄漏孔徑越大，單位時間內油品泄漏量越多，達到點火時間時泄漏出的油品總量就越多，因此，發(fā)生點火后燃燒速率與泄漏速度達到穩(wěn)定時的時間也就越長。池火較于流淌火最大區(qū)域半徑提升效果更為明顯(圖3(c))，大孔泄漏最大區(qū)域半徑較小孔泄漏提升115.59 m。

圖4為不同泄漏孔徑下流淌火及池火的輻射熱流密度隨距離的變化。對于流淌火，當點火時間為0 s(見圖4(a))，輻射熱流密度為12.5 kW/m2，小孔泄漏工況最大危險距離為14.12 m，而大孔泄漏工況對應的距離卻為37.55 m，高于前者2倍以上。在池火中(見圖4(c))，火災輻射熱流密度影響效果也同樣與泄漏孔徑呈正相關。不同之處在于，相對于前者，池火中泄漏孔徑的增大對于輻射熱流密度影響范圍提升更為顯著。對于池火，當輻射熱流密度為12.5 kW/m2時，小孔泄漏工況最大危險距離為19.22 m，大孔泄漏工況對應的最大距離為127.85 m，為流淌火大孔泄漏時的3.4倍。由此也能說明，在相同條件下，池火的危害程度遠高于流淌火。

2.3 泄漏時間對油品泄漏火災的影響

圖5所示為不同泄漏時間下的流淌區(qū)域半徑及液池區(qū)域半徑變化(大孔泄漏條件下)，其中流淌火的點火時間為0 s。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著泄漏時間的延長，流淌區(qū)域半徑及液池區(qū)域半徑的擴展都得到了顯著的提升。然而，對于流淌火工況而言(見圖5(a))，不同泄漏時間下的流淌區(qū)域半徑變化曲線存在較大的差異。分析認為，當泄漏時間為60 s和600 s時，泄漏時間過短，未能達到穩(wěn)定燃燒所需的時間，流淌區(qū)域半徑曲線未出現(xiàn)平滑區(qū)段。在池火中(見圖5(b))，不同泄漏時間下的液池區(qū)域半徑變化曲線特征較為相似，液池區(qū)域半徑隨泄漏時間的延長而快速上升，直至停止泄漏。

圖6為大孔泄漏條件下不同泄漏時間流淌火及池火熱輻射隨距離的變化?？梢钥闯?，流淌火及池火的輻射熱流密度強度與泄漏時間呈正相關，泄漏時間的延長會加強兩種火災對周圍環(huán)境的影響。另外，對于點火較早的流淌火，流淌區(qū)域半徑并不會持續(xù)增大，當流淌火達到穩(wěn)定燃燒時，其產生的輻射熱流密度最強，對應的危險距離也最大，此時火災不受泄漏時間的影響。而對于池火而言，點火發(fā)生于泄漏穩(wěn)定之后，因此池火產生的輻射熱流密度強度將一直受泄漏時間的影響，危險區(qū)域范圍不斷擴大。以上分析從一定程度上同樣說明了池火的危害性高于流淌火。

3 結論

(1)最大流淌區(qū)域半徑與輻射熱流密度的影響范圍隨點火時間的延長而增大。點火時間較早，流淌區(qū)域半徑曲線呈先增加后穩(wěn)定的趨勢，最大流淌區(qū)域半徑為穩(wěn)定燃燒階段的區(qū)域半徑；發(fā)生延遲點火時，最大流淌區(qū)域半徑發(fā)展將超過穩(wěn)定燃燒的區(qū)域半徑，并在點火后出現(xiàn)一個下降區(qū)段。油品穩(wěn)定燃燒時的區(qū)域半徑與點火時間無關。泄漏孔徑會改變點火時間對輻射熱流密度的影響效果。

(2)流淌火與池火中，隨著泄漏孔徑的增加，最大流淌區(qū)域半徑呈現(xiàn)數(shù)倍激增的趨勢，輻射熱流密度輸出強度也隨之提高，危險區(qū)域范圍擴大。在相同的泄漏孔徑下，池火的最大液池區(qū)域半徑遠高于流淌火火災的流淌區(qū)域半徑，對應的輻射熱流密度輸出強度也遠高于流淌火。由此說明，在相同條件下，池火的危害程度遠高于流淌火。

(3)對于流淌火，當泄漏時間大于達到穩(wěn)定燃燒需要的時間時，隨著泄漏時間的增加，流淌區(qū)域半徑保持不變，為穩(wěn)定燃燒時的流淌區(qū)域半徑，此時危險區(qū)域范圍達到最大。在池火中，不存在穩(wěn)定燃燒階段，液池區(qū)域半徑及輻射熱流密度將一直受泄漏時間的影響，危險區(qū)域范圍持續(xù)擴大。