基于大孔模型的天然氣管道泄漏火災(zāi)模擬分析*

王小完，南慶賓，駱濟(jì)豪，駱正山

(1.西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710055；2.北京理工大學(xué) 睿信學(xué)院，北京 102488)

天然氣是一種高效、清潔的能源，管道是天然氣輸送的生命線工程[1]。天然氣管道的建設(shè)規(guī)模越來越大，隨之而來的問題也越來越多，管道由于腐蝕、老化或第三方的破壞會導(dǎo)致天然氣泄漏，氣體在一定條件下遇明火會發(fā)生火災(zāi)或爆炸，嚴(yán)重影響人類生命安全和社會穩(wěn)定性，對大自然也造成了巨大的破壞。探究天然氣泄漏規(guī)律并界定火災(zāi)影響程度，能有效削弱此類事故造成的影響。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對天然氣管道泄漏規(guī)律做出了一定的探究，并模擬研究了相應(yīng)的火災(zāi)后果。EBRAHIMI Moghadam等[2]擬合了天然氣管道內(nèi)外部壓力、管徑、泄漏孔徑和氣體泄漏量之間的數(shù)值模型，吳峰[3]等量化評估了可燃?xì)庠票?、火球熱輻射的傷害?qiáng)度和傷害范圍。李又綠[4]、向素平[5]等建立模型量化評價了噴射火，蒸汽云火災(zāi)后果；劉自亮[6]運(yùn)用FLACS軟件模擬仿真了天然氣管道泄漏引起的爆炸和噴射火事故后果；陳國華[7]基于經(jīng)驗(yàn)公式并利用FLUENT軟件數(shù)值模擬了全尺寸噴射火事故；鄧漢猛[8]運(yùn)用PHAST軟件模擬分析了油田老舊管道泄漏火災(zāi)后果。

學(xué)者們對災(zāi)害后果進(jìn)行相應(yīng)的模擬仿真，但缺乏對其影響因素的探究。天然氣泄漏火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)成本較高，難以實(shí)現(xiàn)，較多的學(xué)者廣泛使用仿真軟件進(jìn)行模擬，PHAST平臺模型集成度高、評估的結(jié)果能夠以直觀的圖片或數(shù)值形式呈現(xiàn)，可有選擇性的設(shè)定變量和提取數(shù)據(jù)來分析火災(zāi)影響因素，為制定風(fēng)險防控措施提供相應(yīng)參考。

1 理論分析

(1)泄漏理論分析。在有關(guān)氣體泄漏擴(kuò)散過程的理論模型研究中，常用基于流體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒方程、能量方程和動量方程的高斯(Gaussian)模型和Sutton模型，根據(jù)泄漏孔口的直徑，泄漏擴(kuò)散模型又分為孔隙模型、大孔模型和管道模型。孔隙模型將管道等價代替為一個內(nèi)部壓力衡定大容器，但其只適用于泄漏孔徑不大于20 mm的情況；管道斷裂模型只適用于管道完全破裂的情況，管道模型只考慮氣體流量，不考慮管道內(nèi)外壓力、孔徑、溫度等因素；大孔模型適用于介于前兩者之間的情況，在高壓和低中壓條件下，計(jì)算更為精準(zhǔn)[8]。大孔模型適用于分析天然氣管道氣體泄漏的大多數(shù)情況。

(2)管道泄漏火災(zāi)分析。天然氣泄漏引起的火災(zāi)主要有噴射火、爆炸、閃火三種。天然氣泄漏時，在立即點(diǎn)燃的條件下可形成閃火或噴射火，若游離的氣云在狹窄密集的區(qū)域，云團(tuán)內(nèi)形成較高的爆炸壓力波，延遲點(diǎn)燃會造成爆炸。PHAST、FLACS、ALOHA是目前用來模擬氣體泄漏事故的常用軟件，PHAST專門用于油氣安全風(fēng)險定量計(jì)算分析，通過設(shè)置油氣管道壓力、溫度、大氣環(huán)境等參數(shù)，模擬計(jì)算泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)影響程度，能很好的評估事故影響范圍，為管道設(shè)計(jì)和制定應(yīng)急預(yù)案提供相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)[9]。

2 模型建立

基于天然氣泄漏理論和天然氣泄漏火災(zāi)類型，建立高斯煙羽大孔泄漏模型、SHELL噴射火模型、TNT當(dāng)量氣云爆炸模型，運(yùn)用PAHST軟件模擬分析天然氣火災(zāi)后果。

2.1 泄漏模型選擇

基于天然氣大孔泄漏模型理論，建立如下大孔泄漏模型[8]：

(1)

式中：CPB為臨界壓力比，Pa為大氣環(huán)境的壓力(MPa)；P2為管道軸心處氣體壓力(MPa)；γ為鋼管泊松比。

(1)當(dāng)P2/Pa

(2)

式中：m為氣體泄漏速率(kg/s)；Cd為流量系數(shù)；Ah為泄漏口面積(m2)；Wg為氣體摩爾質(zhì)量(kg/mol)；Z為壓縮因子；R為理想氣體常數(shù)；T2為氣體在點(diǎn)軸心處的溫度(K)。

(2)當(dāng)P2/Pa≥CPB時，判定為亞臨界泄漏，其泄漏率為：

(3)

2.2 火災(zāi)后果分析模型

(1)噴射火模型。加壓天然氣泄漏射流后若立即點(diǎn)燃會形成噴射火，其傷害形式為火焰熱輻射，目前規(guī)則化計(jì)算火焰熱輻射強(qiáng)度的模型分為兩類：點(diǎn)源模型和固體模型，固體模型又分為SHELL錐模型和API RP521香蕉模型。SHELL模型適用于不大于180°的噴射角度，適用場景廣泛，能突破其它熱輻射模型的局限。SHELL模型將火焰假設(shè)為固體，且有表面熱輻射率，其模型如圖1所示。

圖1 SHELL模型示意圖

(2)蒸汽云爆炸模型。TNT 當(dāng)量模型、Bake-Strehlow-tang 模型和TNO多能模型是常用于計(jì)算氣云爆炸的模型。其中，TNT當(dāng)量爆炸模型將氣云爆炸效果等效轉(zhuǎn)化為TNT爆炸效果[10]，較其他兩種模型不需要精確參數(shù)且其模型簡便，能有效評估近距離爆炸傷害后果，很好的計(jì)算事故周圍的破壞強(qiáng)度，實(shí)用性較強(qiáng)，其模型計(jì)算式如下：

(4)

式中：mTNT為 TNT的當(dāng)量(kg)；HTNT為TNT的爆熱(kJ/kg)；He為氣云燃燒熱(kJ/kg)；m為可燃物質(zhì)質(zhì)量(kg)；E為爆炸效率；f為地面反射系數(shù)。

(3)傷害閾值表。PHAST模擬結(jié)果結(jié)合火災(zāi)傷害閾值表，能界定火災(zāi)強(qiáng)度及影響范圍。表1為不同熱輻射入射通量傷害閾值表[11]，表2、表3分別為爆炸超壓沖擊波傷害閾值表[12]。

表1 不同熱輻射入射通量傷害閾值表

表2 超壓對人員的危害情況

表3 超壓對建筑物的損壞

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 工程概況

廣西省某管道發(fā)生天然氣泄漏燃燒事故后經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，管道規(guī)格為API 5L-L360，其運(yùn)行的軸心壓力為0.8 MPa，正常運(yùn)行的溫度為50 ℃，其運(yùn)行于正常大氣壓環(huán)境下[8]。

3.2 計(jì)算過程

根據(jù)鋼管規(guī)格可知，此鋼管最大含碳量0.28%，為中碳鋼，彈性模量為206 GPa，切變模量為79.4 GPa，故取γ泊為0.28。其所處環(huán)境大氣壓力Pa=0.101 MPa，軸心處壓力P2=0.8 MPa，則參照公式(1)，Pa/P2=0.126，CPB=0.354，因?yàn)镻a/P2

表4 不同泄漏孔徑泄漏量

已知泄漏量的基礎(chǔ)上，運(yùn)用PHAST軟件將壓力容器代替管道進(jìn)行甲烷泄漏模擬，模擬計(jì)算其噴射火，蒸汽云爆炸火災(zāi)后果。模擬參數(shù)設(shè)定如表5所示。

表5 PHAST DNV 7.2參數(shù)設(shè)定

為了比對泄漏孔徑與大氣環(huán)境對火災(zāi)范圍的影響程度，選取了 50 mm和100 mm的泄漏孔徑、風(fēng)速為1.5 m/s、帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度為F的晚期爆炸最壞破壞半徑結(jié)果(圖2)；50 mm泄漏孔徑在3種不同大氣條件下晚期爆炸破壞半徑結(jié)果(圖3)；50 mm泄漏孔徑、風(fēng)速為1.5 m/s、帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度為F時晚期爆炸與超壓距離情況(圖4)；泄漏孔徑分別為25 mm、50 mm和100 mm、風(fēng)速為1.5 m/s、帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度為F時噴射火熱輻射水平與距離關(guān)系(圖5)；50 mm泄漏孔徑下不同大氣條件噴射火熱輻射水平與距離關(guān)系(圖6)。

圖2 不同泄漏孔徑晚期爆炸最壞破壞半徑

圖3 不同大氣環(huán)境下晚期爆炸最壞破壞半徑

圖4 50 mm泄漏孔徑爆炸超壓與距離

圖5 不同泄漏孔徑下熱輻射水平與距離

圖6 不同大氣環(huán)境下噴射火熱輻射與距離

表6 不同孔徑和大氣環(huán)境影響表

4 討論

PHAST側(cè)重于界定火災(zāi)后果范圍及強(qiáng)度，基于集成的計(jì)算模型，其結(jié)果可呈現(xiàn)為示意圖，如圖2-圖6所示，也可導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果，結(jié)合PHAST 7.2計(jì)算數(shù)據(jù)(表6)與火災(zāi)傷害閾值表(表1-表3)能界定火災(zāi)影響程度及范圍。

(1)依據(jù)表1數(shù)據(jù)，界定噴射火熱輻射強(qiáng)度和傷害程度。以泄漏孔徑50 mm、風(fēng)速為1.5 m/s、帕斯奎爾大氣穩(wěn)定度F為例(圖5)，順風(fēng)0～1.69 m內(nèi)，熱輻射水平介于1.6～4.0 kW/m2，長時間輻射也不會感到明顯的不舒服；順風(fēng)距離1.69～2.82 m內(nèi)，熱輻射水平介于4.0～12.5 kW/m2，處于此環(huán)境中20 s以上會感覺到疼痛，但未必起泡；順風(fēng)距離2.82～3.96 m內(nèi)，輻射水平介于12.5～25 kW/m2，此范圍有火焰時會造成塑料融化、木材燃燒，人員每10 s會造成1度燒傷，每1 min就會有1%的人死亡；順風(fēng)距離3.96 m～5.09 m內(nèi)，輻射水平介于25～37.5 kW/m2，在長期輻射，沒有火焰的情況下會造成木柴燃燒，人員10 s就會造成重大損傷，每1 min就會有100人死亡；順風(fēng)距離5.09～11.88 m內(nèi)，輻射水平大于37.5 kW/m2，會損壞事故周圍所有設(shè)備，人員每10 s就會有1%的致死概率，達(dá)到1 min時會造成100%的致死率。

(2)提取爆炸超壓距離結(jié)果，結(jié)合表2和表3界定傷害范圍及強(qiáng)度。以50 mm泄漏孔徑和1.5/F大氣環(huán)境下為例(圖4)，在順風(fēng)距離0～ 14.08 m和27.23～46.01 m內(nèi)，超壓小于0.1 bar，基本上不造成人員傷害，對建筑物基本無影響；在順風(fēng)距離14.08～16.90 m和22.53～27.23 m內(nèi)，超壓介于0.1～ 0.25 bar，會造成人員輕傷，破壞部分建筑物門窗；在順風(fēng)距離16.90～18.78 m內(nèi)，超壓介于0.45～ 0.75 bar，會造成人員重傷，且建筑物門窗會全部破壞；在順風(fēng)距離18.78～22.53 m內(nèi)，超壓大于0.75 bar，范圍內(nèi)人員當(dāng)場死亡，房屋全部倒塌。

(3)通過控制變量對比分析可知，在保持泄漏孔徑一致的情況(圖3，圖6)時，受大氣環(huán)境影響下，最大熱輻射量的浮動為8%～18%、最大順風(fēng)距離浮動為2%～13%、爆炸最壞情況半徑浮動在4%～32%；在保持大氣環(huán)境一致的情況時(圖2，圖5)，受管道泄漏孔徑大小的影響，最大輻射量的浮動為89%～92%、最大順風(fēng)距離浮動為70%～74%、爆炸最壞情況半徑浮動在47%～65%。由此可見，泄漏孔徑的大小較大氣環(huán)境對天然氣泄漏引發(fā)的火災(zāi)影響作用更明顯。

5 結(jié)論

基于大孔泄漏模型計(jì)算天然氣泄漏泄漏量和泄漏速率，模擬不同工況下天然氣火災(zāi)后果，可得出以下結(jié)論：

(1)天然氣泄漏孔徑大小與大氣環(huán)境穩(wěn)定程度相比，前者對天然氣泄漏引起火災(zāi)的影響作用更顯著。

(2)選擇性的對模擬結(jié)果提取分析，參照火災(zāi)傷害閾值表能界定火災(zāi)傷害等級與環(huán)境破壞程度，驗(yàn)證了PHAST火災(zāi)模擬的科學(xué)性。PHAST平臺能全面、直觀的模擬天然氣火災(zāi)強(qiáng)度與范圍，具有鮮明的科學(xué)價值及現(xiàn)實(shí)意義，其結(jié)果能為現(xiàn)場安全評價、制定管道火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案提供相應(yīng)參考。