天然氣站場(chǎng)管道振動(dòng)失效后果分析

馬小芳

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院　陜西　西安　710077)

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·失效分析與預(yù)防·

天然氣站場(chǎng)管道振動(dòng)失效后果分析

馬小芳

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院陜西西安710077)

討論了管道失效后果評(píng)估流程和失效后果分析中應(yīng)考慮的因素，總結(jié)了引起站場(chǎng)管道振動(dòng)的因素，并對(duì)振動(dòng)失效造成的后果進(jìn)行了分析和計(jì)算，定量計(jì)算出失效的后果，包括設(shè)備破壞面積、人員致死面積、爆炸半徑、經(jīng)濟(jì)損失。

站場(chǎng)管道；振動(dòng)；失效

1　管道的振源分析

引起管道振動(dòng)的一般是兩個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)：一個(gè)是流體系統(tǒng)，另一個(gè)是管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在天然氣輸送管道中，由于使用壓縮機(jī)來(lái)給管道中輸送的天然氣提供能量，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的壓力及氣流流速，造成氣流的運(yùn)動(dòng)，而在管道不平直的位置，在壓力脈動(dòng)下就會(huì)產(chǎn)生一定的干擾力，引起管道振動(dòng)。

管道及其相連接的各種設(shè)備、裝置及其支架構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。在有激擾力的情況下，這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身所具有的頻率稱為管道系統(tǒng)固有頻率。當(dāng)激擾力的頻率接近管道系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，管道將發(fā)生共振。

振動(dòng)屬于疲勞載荷，會(huì)在應(yīng)力集中處(結(jié)構(gòu)不連續(xù)處、存在缺陷的環(huán)焊縫或焊接性能較差的環(huán)焊縫)產(chǎn)生疲勞源，進(jìn)而引發(fā)疲勞微裂紋，在一定數(shù)量的疲勞循環(huán)后形成疲勞裂紋，引發(fā)泄漏。管道失效后果主要是由于泄漏的輸送介質(zhì)如果發(fā)生爆炸或火災(zāi)，或者輸送介質(zhì)中含有的毒性物質(zhì)，造成管道周?chē)娜藛T傷亡、財(cái)產(chǎn)損失以及環(huán)境污染。

2　管道失效后果評(píng)估流程

管道失效后果的分析是通過(guò)對(duì)有代表性的失效場(chǎng)景建立數(shù)學(xué)模型，分析管道失效后發(fā)生的災(zāi)害類(lèi)型和影響范圍，估算其造成的各種損失情況。定量后果分析模型需要考慮輸送介質(zhì)的物理化學(xué)特性、泄漏速率、點(diǎn)火概率、災(zāi)害種類(lèi)等因素。后果的定量評(píng)價(jià)可按照下述步驟進(jìn)行：1)確定管道的失效模式和災(zāi)害類(lèi)型；2)計(jì)算介質(zhì)泄漏速率和/或泄漏量；3)計(jì)算災(zāi)害的強(qiáng)度和影響范圍；4)估算災(zāi)害造成的損失情況[1]。

2.1管道失效災(zāi)害類(lèi)型

輸氣管道在發(fā)生泄漏之后，如果立即點(diǎn)燃，通常只會(huì)發(fā)生噴射火(JF)，而不是先發(fā)生火球，再發(fā)生噴射火，這是因?yàn)樽畛趸鹎驗(yàn)?zāi)害可以認(rèn)為是穩(wěn)定噴射火災(zāi)害的保守情形。如果延遲點(diǎn)燃，泄漏的氣體介質(zhì)擴(kuò)散之后，會(huì)發(fā)生蒸汽云爆炸(VCE)或者蒸汽云火(VCF)；如果沒(méi)有發(fā)生點(diǎn)燃，則只形成有毒火窒息氣團(tuán)(VC)。氣體擴(kuò)散后的影響范圍與介質(zhì)在空氣中的濃度有關(guān)，受介質(zhì)物理性質(zhì)、氣象條件等因素影響。輸氣管線典型的失效事故樹(shù)見(jiàn)圖1。

若采用定量的失效后果分析，則須對(duì)上述的災(zāi)害類(lèi)型分別建立評(píng)價(jià)模型，并考慮各種災(zāi)害類(lèi)型的發(fā)生概率，確定管道的失效影響，所建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，并與實(shí)際發(fā)生的事故進(jìn)行比較。

圖1　管道失效后果事故樹(shù)

2.2管道失效后果分析中應(yīng)考慮的問(wèn)題

2.2.1泄漏速率和泄漏量

分析時(shí)應(yīng)考慮泄漏速率的變化性，包括初始和穩(wěn)定狀態(tài)下泄漏速率的估算。介質(zhì)泄漏速率是泄漏持續(xù)時(shí)間的方程，并受失效位置、管道上下游邊界條件以及失效后搶修的反應(yīng)速度等因素的影響。

管道斷裂時(shí)介質(zhì)泄漏速率的計(jì)算比較復(fù)雜，需要考慮泄漏過(guò)程中管道壓力降低的影響，對(duì)于蒸氣壓高的液體介質(zhì)還需要考慮兩相流的影響；管道泄漏速率的計(jì)算可以參照傳統(tǒng)的尖銳孔泄漏方程，再考慮一個(gè)適當(dāng)?shù)南禂?shù)轉(zhuǎn)化為等效的穩(wěn)態(tài)泄漏速率。對(duì)于低蒸氣壓液體管道，釋放速率往往受泄漏點(diǎn)的介質(zhì)流動(dòng)速率和泄漏孔尺寸的影響。小孔或者中等孔徑情況下，輸送介質(zhì)會(huì)以噴射的形式釋放，較大的孔徑(>50 mm)泄漏時(shí)，泄漏速率與介質(zhì)流動(dòng)速率相近。

2.2.2氣象條件和環(huán)境因素

風(fēng)速對(duì)于噴射火和蒸氣云的方向、影響范圍以及熱輻射強(qiáng)度都有影響。天氣和風(fēng)速的分級(jí)可以參照Pasquill大氣穩(wěn)定度的天氣類(lèi)別劃分。在評(píng)價(jià)時(shí)，可以根據(jù)地方或者國(guó)家氣象信息部門(mén)獲得歷史天氣數(shù)據(jù)確定評(píng)價(jià)位置的大氣穩(wěn)定性，若缺少這方面的數(shù)據(jù)，可以選取D類(lèi)(不穩(wěn)定)和F類(lèi)(穩(wěn)定)作為典型的天氣狀況進(jìn)行分析。

當(dāng)建立小孔泄漏狀態(tài)下的噴射火泄漏模型時(shí)，輸送介質(zhì)泄漏可以看作是穩(wěn)定狀態(tài)，后果模型通常可假設(shè)一個(gè)豎直的噴射火焰，并受到風(fēng)向的影響，也可以按照不同的噴射角度建立更精確的火焰模型。精確的火焰模型，增加了方向性，但是在這個(gè)方向上發(fā)生失效的條件概率要相應(yīng)降低。

2.2.3點(diǎn)火概率

對(duì)于油氣輸送管道來(lái)說(shuō)，管道風(fēng)險(xiǎn)最重要的影響因素是泄漏的輸送介質(zhì)是否被點(diǎn)燃，以及是立即點(diǎn)燃還是延遲點(diǎn)燃。點(diǎn)火概率可以對(duì)管道歷史失效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出。在確定立即點(diǎn)燃、延遲點(diǎn)燃等情況發(fā)生概率的基礎(chǔ)上，再來(lái)確定各種災(zāi)害類(lèi)型的發(fā)生概率。

泄漏的氣體介質(zhì)或者液體介質(zhì)蒸發(fā)形成的蒸氣云飄散之后，如果遇到點(diǎn)火源，可能會(huì)發(fā)生蒸氣云火或蒸氣云爆炸。從現(xiàn)有的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，發(fā)生蒸氣云火或蒸氣云爆炸的概率很低。

2.2.4熱輻射和影響

如果人員所在的戶外或者建筑處于管道失效后形成的火焰范圍內(nèi)，會(huì)造成致命的傷害；對(duì)于火焰包圍范圍之外的傷害主要來(lái)自于直接的熱輻射。熱輻射通過(guò)燃燒物質(zhì)的能量來(lái)計(jì)算。通?？刹捎命c(diǎn)源法進(jìn)行計(jì)算，點(diǎn)源法假設(shè)所有能量是從火焰的一個(gè)點(diǎn)釋放出來(lái)的。

熱輻射方程應(yīng)該考慮災(zāi)害種類(lèi)，噴射火通常具有相當(dāng)大的噴射動(dòng)量，因此火焰的正中心與泄漏孔之間會(huì)有一定距離，而熱輻射的影響在火焰中心和噴射方向上更強(qiáng)一些，受泄漏方向和風(fēng)向、風(fēng)速的影響。

3　失效后果計(jì)算方法

失效后果計(jì)算的流程如圖2所示。

圖2　失效后果計(jì)算流程

3.1流體特性

天然氣和石油產(chǎn)品都不是純凈物質(zhì)，所以選擇一種代表性物質(zhì)幾乎總是涉及到一些假定?？捎檬?1)計(jì)算混合物的一種特性：

特性混合物=∑xi×特性i

(1)

式中：xi=組份的摩爾分?jǐn)?shù)并且特性i可以是標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)、分子量或密度。

3.2孔尺寸范圍

泄漏直徑要小于或等于設(shè)備或管道自身的直徑，使用四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)孔尺寸：6.35 mm、25.4 mm、101.6 mm和破裂，見(jiàn)表1。例如，一根6.35 mm管道只有兩個(gè)孔尺寸：6.35 mm和破裂，因?yàn)樽畲罂赡艿倪x擇相當(dāng)于6.35 mm孔尺寸。對(duì)于壓縮機(jī)參照歷史失效數(shù)據(jù)，只選用25.4 mm和101.6 mm孔尺寸。

3.3泄漏率估計(jì)

將泄漏模擬為兩種類(lèi)型：瞬時(shí)和持續(xù)。瞬時(shí)泄漏是一種迅速發(fā)生使流體作為一個(gè)單一的大云團(tuán)或液池?cái)U(kuò)散的泄漏形式。持續(xù)泄漏是一種在長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，從而允許流體以一長(zhǎng)橢圓(取決于天氣條件)形式擴(kuò)散的一種泄漏形式。

表1　定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所使用的孔尺寸

音速流動(dòng)的氣體泄漏質(zhì)量流量為[2]：

(2)

亞音速流動(dòng)的氣體泄漏質(zhì)量流量為：

(3)

式中：Cdg為氣體泄漏系數(shù)，與裂口有關(guān)，裂口為圓形時(shí)取1.00，三角形時(shí)取0.95，長(zhǎng)方形時(shí)取0.90；A為裂口面積；p為氣體操作壓力，Pa；p0為大氣壓力，Pa；M為分子量；qmG為氣體泄漏質(zhì)量流量，kg/s；R為氣體常數(shù)，8.3144 J/(mol·K)；T為氣體溫度，K。

3.4泄漏類(lèi)型的確定

用來(lái)確定相應(yīng)的泄漏類(lèi)型的過(guò)程為：

1)所有“小孔”(6.35 mm)模擬為持續(xù)泄漏。

2)當(dāng)泄漏4 540 kg花了不到3 min時(shí)，通過(guò)給定孔尺寸的泄漏為瞬時(shí)泄漏。

圖3　確定泄漏類(lèi)型的過(guò)程

3.5燃燒爆炸后果

對(duì)于可燃物質(zhì)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通過(guò)泄漏燃燒影響的區(qū)域來(lái)衡量后果。有多種涉及可燃物質(zhì)的泄漏潛在結(jié)果，但是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一般將一個(gè)綜合的結(jié)果認(rèn)定為所有可能結(jié)果的均值，該綜合結(jié)果是根據(jù)概率加權(quán)理論得出的。但是，此處的概率值并不是泄漏可能性，而是泄漏發(fā)生后產(chǎn)生的不同的泄漏結(jié)果的可能性[3]。

3.6燃燒后果分析方法

步驟一：預(yù)測(cè)可燃性后果的概率

結(jié)果中描述的三種概率是：不點(diǎn)火、提前點(diǎn)火和推遲點(diǎn)火。

1)特定事件概率——在持續(xù)泄漏自動(dòng)點(diǎn)火不可能的狀況下，發(fā)生事故的概率見(jiàn)表2。

表2　最后相態(tài)氣體——在自動(dòng)點(diǎn)火溫度以下

2)特定事件概率——在瞬時(shí)泄漏自動(dòng)點(diǎn)火不可能的狀況下，發(fā)生事故的概率見(jiàn)表3。

表3　最后相態(tài)氣體——在自動(dòng)點(diǎn)火溫度以下

步驟二：計(jì)算每一結(jié)果的后果。

根據(jù)API 581，結(jié)果的公式表示如下：

A=axb

(4)

式中：A為結(jié)果區(qū)；a、b為與物質(zhì)和后果相關(guān)的常數(shù)；x為泄漏質(zhì)量。

步驟三：組合后果區(qū)的計(jì)算。

1)用相關(guān)的事件樹(shù)概率乘以每一結(jié)果的后果區(qū)。

2)將步驟一、二中發(fā)現(xiàn)的概率和后果的積相加，然后除以點(diǎn)火概率。

方程為：

Acomb=(P1A1+P2A2+…+PiAi)

(5)

式中：Acomb為組合的后果區(qū)；Pi為特定事件概率；Ai為單個(gè)結(jié)果后果區(qū)。

由于所有結(jié)果的后果區(qū)的面積計(jì)算式均為A=axb，并且各種結(jié)果發(fā)生的概率值相對(duì)穩(wěn)定，所以我們?cè)谟?jì)算時(shí)直接使用組合后果區(qū)的面積。

持續(xù)泄漏后果等式：

設(shè)備破壞面積A=43x0.98

(6)

致死事故面積A=110x0.96

(7)

其中，A為面積；x為泄漏率。

瞬時(shí)泄漏后果等式：

設(shè)備破壞面積A=41x0.67

(8)

致死事故面積A=79x0.67

(9)

其中，A為面積；x為泄漏率。

4　風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算及評(píng)定

4.1風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

風(fēng)險(xiǎn)值包含兩種評(píng)價(jià)單元破壞風(fēng)險(xiǎn)和人員致死風(fēng)險(xiǎn)，其計(jì)算公式如公式10和公式11[4]：

(10)

(11)

4.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定

將設(shè)備的可能性類(lèi)別和加權(quán)平均的后果類(lèi)別顯示在一個(gè)5×5的風(fēng)險(xiǎn)矩陣中，如圖4所示。當(dāng)將結(jié)果繪制在矩陣中時(shí)，它們給出被評(píng)估的裝置的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的指示。矩陣的不同陰影區(qū)顯示風(fēng)險(xiǎn)的“高”、“中高”、“中”和“低”等幾個(gè)類(lèi)別。

圖4　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣圖

1) 失效后果等級(jí)確定

失效后果類(lèi)型是通過(guò)可能性加權(quán)平均面積實(shí)現(xiàn)的，可能性加權(quán)平均面積按照下面公式計(jì)算：

可能性加權(quán)平均面積=

(12)

可能性加權(quán)平均面積轉(zhuǎn)換成一個(gè)后果類(lèi)別是通過(guò)對(duì)面積值的簡(jiǎn)單的類(lèi)別分配來(lái)完成的。根據(jù)選擇的分配，根據(jù)研究的需要獲得一個(gè)與任一類(lèi)別相關(guān)的一個(gè)面積是可能的。表4給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)量級(jí)分配。

2) 失效概率等級(jí)確定

可能性類(lèi)別是通過(guò)設(shè)備的失效概率確定的，然后簡(jiǎn)單地將類(lèi)別分配。選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)量級(jí)分配并示于表5。

失效概率=∑單孔失效概率

(13)

表4　失效后果等級(jí)

表5　失效概率等級(jí)

5　其他后果計(jì)算

5.1持續(xù)噴射火熱輻射

熱輻射通過(guò)燃燒物質(zhì)的能量來(lái)計(jì)算。通?？刹捎命c(diǎn)源法進(jìn)行計(jì)算，點(diǎn)源法假設(shè)所有能量是從火焰的一個(gè)點(diǎn)釋放出來(lái)的。點(diǎn)源法的熱輻射通量計(jì)算公式為[5]：

qP=ηqmGHc

(14)

式中Hc為燃燒熱，J/kg；qP為電熱源熱輻射通量，W；qmG為泄漏氣體質(zhì)量流量，kg/s，η為效率因子，一般為0.35。

噴射火線射流軸線上某點(diǎn)熱源i到距離該點(diǎn)x處一點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度為：

(15)

式中qi為點(diǎn)熱源i到目標(biāo)點(diǎn)x處的熱輻射強(qiáng)度，W/m2；Ro為輻射率，可取0.2；R為點(diǎn)熱源到目標(biāo)點(diǎn)的距離，m。

目標(biāo)點(diǎn)的入射熱輻射強(qiáng)度等于所有點(diǎn)熱源對(duì)目標(biāo)點(diǎn)熱輻射強(qiáng)度的綜合：

(16)

式中n為計(jì)算時(shí)選取點(diǎn)熱源數(shù)，一般取n=5。

5.2瞬時(shí)泄漏造成的爆炸損害半徑計(jì)算

根據(jù)荷蘭應(yīng)用科研院建議，可以按照下式預(yù)測(cè)蒸汽云爆炸的沖擊波損害半徑：

R=Cs(NE)1/3

(17)

式中，Cs為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取決于損害等級(jí)，可參照表6取值；E為爆炸能量，kJ；N為效率因子，一般取N=10%；R為損害半徑，m。

表6　損害等級(jí)表

爆炸能量E按下式計(jì)算：

E=VHC

(18)

式中HC為可燃?xì)怏w的高燃燒熱值，可參照表7取值，kJ/m3；V為參與反應(yīng)的可燃?xì)怏w的體積，m3。

表7　氣體高燃燒熱值

6　經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

1)單元破壞經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)S

評(píng)價(jià)單元破壞經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)S=評(píng)價(jià)單元破壞風(fēng)險(xiǎn)值×每平方米的設(shè)備成本

(19)

2)營(yíng)業(yè)中斷經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)Y

估計(jì)單元/設(shè)施停車(chē)時(shí)每天的損失(元/天)中斷天數(shù)D按圖5估算：

lgD=0.59lg(S×10-6)+1.21

(20)

經(jīng)營(yíng)中斷經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)：Y=每天的損失×D

(21)

圖5　中斷天數(shù)估計(jì)

7　結(jié)　論

1)站場(chǎng)管道振動(dòng)失效會(huì)引起嚴(yán)重后果，需根據(jù)站場(chǎng)環(huán)境，合理設(shè)置設(shè)備，降低引起振動(dòng)的可能。

2)定量計(jì)算得出失效的后果，包括設(shè)備破壞面積、人員致死面積、爆炸半徑和經(jīng)濟(jì)損失。

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Vibration Failure Analysis of Pipe in Gas Station

MA Xiaofang

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’an,Shaanxi710077,China)

The consequence evaluation process of pipe failure and the relevant factors caused failure are discussed.The factors leading to vibration are summarized, and then through the analysis and calculation, the consequences caused by vibration failure are quantitatively calculated such as the equipment destroying area, personnel lethal area, explosive radius and economic loss.

station pipe; vibration; failure

馬小芳，女，1979年生，編輯，2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)專(zhuān)業(yè)，目前主要從事期刊編輯和標(biāo)準(zhǔn)化管理工作。E-mail：maxiaofang@cnpc.com.cn.

TE973

A

2096-0077(2016)04-0059-05

2016-04-01 編輯：屈憶欣)