油氣儲運管道爆炸荷載及安全防控措施研究

肖竹韻，王緒亭，陳 琳*，馮 悅，劉先鋒，張文倩，王 甜，張冠群，鄭 健

(1.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192；2.天津中心漁港港務(wù)有限公司，天津 300457)

2017年，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》并指出：目前中國運營的油氣管道里程為12×104km，到2025年將達(dá)到24×104km，預(yù)計原油管道總里程為3.7×104km，成品油管道為4.0×104km，天然氣管網(wǎng)為16.3×104km，形成主干互聯(lián)、區(qū)域成網(wǎng)的全國網(wǎng)絡(luò)，我國油氣管道將進(jìn)入高速建設(shè)及發(fā)展階段[1]。新實施的《安全生產(chǎn)法》中進(jìn)一步明確并強(qiáng)調(diào)了生產(chǎn)經(jīng)營單位的安全生產(chǎn)主體責(zé)任，提出了安全生產(chǎn)風(fēng)險分級管控和隱患排查治理雙重預(yù)防機(jī)制的建設(shè)要求，對違規(guī)建設(shè)、經(jīng)營等一系列行為的處罰制定了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。在上述安全生產(chǎn)形勢下，倍增式的發(fā)展規(guī)模對油氣管網(wǎng)的本質(zhì)安全及運營效率提出了更高的要求。

油氣儲運管道運輸介質(zhì)主要包括天然氣、成品油及原油，其普遍存在爆炸性和易燃性，一旦出現(xiàn)泄漏釋放可能發(fā)生安全事故，形式主要為能量釋放相對穩(wěn)定的泄漏事故以及能量極具快速釋放的火災(zāi)、爆炸事故[2-3]。針對油氣儲運管道，國內(nèi)外學(xué)者主要從工藝系統(tǒng)設(shè)計、輸送過程控制以及風(fēng)險管理三個角度開展研究，基于建設(shè)時期及運營過程兩階段進(jìn)行重點分析，得出施工質(zhì)量、運行控制、外部破壞及自然災(zāi)害是主要的風(fēng)險因素[4]，而對于油氣儲運管道事故后果的評估分析，特別是針對管道爆炸荷載和風(fēng)險防控研究相對缺乏。

本文以“天然氣管道”為例，系統(tǒng)分析油氣儲運管道風(fēng)險因素及事故模式，應(yīng)用TNO多能法比例縮放爆炸預(yù)測模型開展爆炸荷載計算，首次對爆炸荷載與體積分?jǐn)?shù)、可燃?xì)庠瓢霃疥P(guān)系開展研究，分析得出爆炸波超壓衰減規(guī)律，逐步明確了爆炸制約因素，并從“防止管道泄漏、防止爆炸系統(tǒng)形成、消除點火源、限制爆炸蔓延”工程技術(shù)角度歸納、提煉管控措施。該成果為油氣儲運管道風(fēng)險管控的研究奠定基礎(chǔ)并提供技術(shù)支持。

1 管道失效概率及致險因素

1.1 管道失效概率

歐美國家注重建立油氣管道安全事故數(shù)據(jù)庫，定期對外發(fā)布相關(guān)數(shù)據(jù)；我國油氣管道企業(yè)引進(jìn)吸收完整性管理理念，編制形成油氣儲運管道完整性國家標(biāo)準(zhǔn)，對研究管道事故失效概率、分析管道主要風(fēng)險因素具有重要意義。根據(jù)2000年—2016年美國管道和危險材料安全管理局(PHMSA)、歐洲天然氣管道數(shù)據(jù)組織(EGIG)、英國陸上管道運行協(xié)會(UKOPA)、加拿大國家能源委員會(NEB)和我國某油氣管道企業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，氣體管道失效概率呈現(xiàn)出如下趨勢(如圖1所示)[5]。整體來看，我國輸氣管道失效頻率與國外相當(dāng)，且在一定程度上呈現(xiàn)出下降趨勢。

圖1 國內(nèi)外氣體管道失效概率對比圖

1.2 管道失效致險因素

根據(jù)上述管道事故失效概率數(shù)據(jù)，結(jié)合中國石油天然氣股份有限公司管道分公司初步統(tǒng)計2000年—2015年的134起管道事故及事件，分析得出打孔盜油、制造缺陷與施工質(zhì)量、腐蝕等是管道失效的主要致險因素，其占比分別達(dá)到50%、19%、10%[6]。打孔盜油主要受經(jīng)濟(jì)發(fā)展制約，隨著立法和宣傳以及國民經(jīng)濟(jì)的提升，這一致險因素的比例將不斷降低。

制造缺陷與施工質(zhì)量是指由于制造本身或施工過程而導(dǎo)致的焊縫缺陷、凹陷、劃傷等。腐蝕主要分為大氣腐蝕、地下腐蝕和內(nèi)腐蝕三種類型，較為普遍的地下腐蝕主要針對埋地管道或埋地部件受到土壤條件、涂層及陰極保護(hù)三方面影響；內(nèi)腐蝕是指因管壁與管內(nèi)介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后使管壁發(fā)生受損[7]。制造缺陷與施工質(zhì)量、腐蝕對于油氣儲運管道最為顯著的影響即導(dǎo)致泄漏事故的發(fā)生。根據(jù)可燃?xì)怏w瞬時釋放或連續(xù)釋放事件樹(見圖2～圖3)，其事故模式可分為噴射火、爆炸、火球等，其中以爆炸產(chǎn)生的沖擊波后果最為嚴(yán)重。為有效防范油氣管道爆炸事故的發(fā)生，開展爆炸荷載計算方法及傳播規(guī)律的研究具有現(xiàn)實及理論意義。

圖2 可燃?xì)怏w瞬時釋放事件樹

2 爆炸荷載研究

爆炸是可燃?xì)怏w與空氣混合形成預(yù)混氣云，在地面上與空氣充分混合，達(dá)到發(fā)生爆炸的條件后發(fā)生空中爆炸，瞬間形成大量高溫、高壓氣體，產(chǎn)生的超壓沖擊波對周邊人員及建構(gòu)筑物更易產(chǎn)生災(zāi)難性后果[8]。隨著爆炸過程的發(fā)生，爆炸壓力往往會迅速增加，直到達(dá)到最大爆炸壓力[9]。

2.1 TNO爆炸模型

TNO多能法(Multi-Energy Method，MEM)是典型的比例縮放爆炸預(yù)測模型，該方法假設(shè)蒸汽云為半球形，中心點火，在基于大量實驗驗證和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，獲得一組爆炸強(qiáng)度曲線，主要用于確定障礙(非封閉)及無障礙空間蒸氣云爆炸特征的分析[10]。

2.1.1 爆炸強(qiáng)度確定

TNO多能法應(yīng)用過程中，需要選取適當(dāng)?shù)谋◤?qiáng)度等級，爆源強(qiáng)度為1～10的任一整數(shù)，代表不同的爆炸強(qiáng)度，具體取值可參考表1。

表1 爆炸強(qiáng)度等級確定等級表

在確定爆炸強(qiáng)度等級后，根據(jù)比例距離r′從爆炸波特征曲線圖中獲取無量綱峰值超壓Ps′、無量綱正壓持續(xù)時間tp′，計算爆炸波超壓和持續(xù)時間。爆炸波動波形根據(jù)爆炸強(qiáng)度等級，從爆炸波形圖(圖4)中確定，其中

圖4 多能模型的超壓隨距離的變化關(guān)系

(1)

Ps=Ps′·Pa

(2)

(3)

式中：r為目標(biāo)點與爆源中心的實際距離，m；E為可燃?xì)庠频谋芰?，J，可根據(jù)泄漏氣體的量和熱值計算。甲烷的燃燒熱為890.8 kJ/mol=890.8×62.5=55 675 kJ/kg；Pa為大氣壓力，取值為1.0×105Pa；aa為大氣中的聲速，取值為340 m/s。

2.1.2 爆炸云團(tuán)計算

可燃性云團(tuán)中的可燃物質(zhì)量根據(jù)可燃物質(zhì)泄漏模式和擴(kuò)散形式的不同，計算過程中采取保守估算的方法，假設(shè)泄漏的全部氣體或液化氣體都用來形成可燃性云團(tuán)。

天然氣的爆炸極限為5%～15%，最劇烈的爆炸濃度約為9.5%。爆炸源半徑的計算按照將爆炸源等效于體積相等的半球形，爆炸源半徑[11-12]按照下式計算

(4)

(5)

式中：r為目標(biāo)點與爆源中心的實際距離，m；Q是泄漏的天然氣量，m3；V是天然氣和空氣混合后的爆炸云體積，m3。

2.2 爆炸壓力傳播規(guī)律

2.2.1 氣體濃度對爆炸超壓的影響

可燃?xì)怏w泄漏后與空氣形成混合氣體，只有當(dāng)混合氣體中的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到一定范圍時才有可能發(fā)生爆炸，這個濃度范圍稱為爆炸極限。在爆炸極限范圍內(nèi)，可燃?xì)庠茲舛仁怯绊懣扇細(xì)庠票▔毫Φ闹匾蛩兀嚓P(guān)研究表明甲烷在空氣中的爆炸極限范圍為5%～15%。為研究氣體濃度對可燃?xì)庠票ǔ瑝旱挠绊懸?guī)律，本文進(jìn)行了直徑0.5 m的半球形甲烷-空氣混合氣體爆炸數(shù)值分析，試驗參數(shù)主要考慮如下四方面簡化條件：(1)環(huán)境按無風(fēng)情況考慮，可燃?xì)怏w泄漏后，以地面上的泄漏點為中心呈半球形向外擴(kuò)張，可燃?xì)怏w在氣云內(nèi)部濃度均勻分布；(2)爆炸中心位于半球形氣云中心位置；(3)地面及建筑物表面均按絕熱、光滑表面分析；(4)環(huán)境溫度均按20℃考慮。數(shù)值模擬采用FLACS軟件，計算域大小為地面以上20 m×20 m×10 m的開敞空間，地面中部為一個半徑1 m的半球形可燃?xì)庠?，?nèi)部為化學(xué)計量比濃度的甲烷-空氣預(yù)混氣體。點火前甲烷與空氣混合均勻，預(yù)混氣體溫度為20℃，壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，處于靜止?fàn)顟B(tài)。地面設(shè)為壁面邊界條件，無速度滑移，法向壓力、溫度和密度梯度均為0，邊界設(shè)置為outflow邊界條件。

選取體積分?jǐn)?shù)為5%、7%、9.5%、12%和15%的甲烷-空氣混合氣體進(jìn)行數(shù)值模擬，球心為起爆點，下圖為距爆心距離分別為 0.7 m 和 0.9 m 處可燃?xì)庠票ㄗ畲髩毫﹄S甲烷濃度的變化關(guān)系，橫坐標(biāo)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的超壓值。

由圖5可知，隨著甲烷體積分?jǐn)?shù)的增加，在一定范圍內(nèi)，峰值超壓逐漸增加，當(dāng)甲烷濃度為9.5%時，峰值超壓達(dá)到最大，最大爆炸壓力達(dá)3.473 kPa，而后隨著甲烷濃度的繼續(xù)增大，峰值超壓有所下降。研究得出，甲烷-空氣爆炸的最危險體積分?jǐn)?shù)為9.5%時爆炸強(qiáng)度最大，對周邊建構(gòu)筑物及人員的傷害最大。

圖5 爆炸超壓與甲烷體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

2.2.2 氣云半徑對爆炸波超壓的影響分析

對開敞空間里1 m、2 m、5 m、10 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m等不同半徑的半球形甲烷-空氣混合氣體進(jìn)行爆炸數(shù)值分析，甲烷體積分?jǐn)?shù)選取爆炸強(qiáng)度最大的9.5%進(jìn)行模擬，球心為起爆點，圖6為不同半徑下可燃?xì)庠票óa(chǎn)生的最大超壓隨氣云半徑大小的變化關(guān)系，橫坐標(biāo)為可燃?xì)庠瓢霃?，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的超壓值。

由上可知，在開敞空間里隨著可燃?xì)庠瓢霃降脑龃螅úǖ淖畲蟪瑝褐饾u增大，在半徑100 m時最大超壓達(dá)到約40 kPa。根據(jù)沖擊波超壓破壞、傷害判別準(zhǔn)則，初步判斷半徑10 m以上的可燃?xì)庠票赡軙斐山ㄖ锊Ａ扑?；半?0 m以上的可燃?xì)庠票赡軙斐砷T窗破壞和磚墻小裂紋；半徑30 m以上的可燃?xì)庠票赡軙斐蓪θ梭w產(chǎn)生輕微傷害；半徑60 m以上的可燃?xì)庠票赡軙斐纱u墻裂紋和鋼混屋面起裂，并對人體產(chǎn)生中等損傷。

2.2.3 爆炸波超壓衰減規(guī)律分析

對相同氣云半徑條件下，不同相對距離下爆炸最大超壓進(jìn)行歸一化分析，甲烷體積分?jǐn)?shù)仍選取爆炸強(qiáng)度最大的9.5%進(jìn)行模擬，最大超壓變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 爆炸超壓沿徑向衰減規(guī)律

圖中r0為氣云半徑；r為測點距離爆心距離；ΔPmax為最大超壓極值；ΔP為距離爆心r位置處的最大超壓。從圖7中可以看出，可燃?xì)庠圃谄鸨?，爆炸最大超壓沿徑向存在先增大后減小的趨勢：在氣云區(qū)內(nèi)，從爆心傳出的沖擊波最大超壓ΔP隨傳播距離的增大而增大，在氣云與空氣初始交界面r=0.8r0附近位置處達(dá)到最大值；在氣云區(qū)外，由于沖擊波在空氣中傳播，沒有進(jìn)一步燃燒能量補(bǔ)充，ΔP逐漸減小，大約在2r0處下降至極值的0.4倍左右。

3 管道爆炸算例

以港區(qū)某段天然氣長輸管道為例，其中管道運行溫度25℃，運行壓力4 bar，管線直徑800 mm，沿垂直方向泄漏，泵流速0.5 kg/s，管道壁厚10 mm。應(yīng)用Phast 8.1模擬其蒸氣云爆炸事故后果，軟件設(shè)定0.25 bar、0.40 bar、0.60 bar為參考超壓閾值，經(jīng)計算該場景下天然氣泄漏量為1 332.8 kg，0.25 bar、0.40 bar、0.60 bar超壓等級的傷害半徑分別為45.99 m、23.58 m、10.47 m。

沖擊波超壓對建筑破壞的相應(yīng)閾值取值和模擬結(jié)果見表2。

表2 沖擊波超壓對建筑破壞的相應(yīng)閾值取值和模擬結(jié)果

此外，天然氣泄漏量換算成體積Q為1 998.28 m3，按照爆炸極限換算成為混合體積量V為210 344.76 m3，則爆源半徑為21.58 m。按照第2節(jié)中爆炸荷載的計算方法可知，當(dāng)比例距離r′超過0.5時，爆炸超壓值會有顯著的降低，按照式(1)計算的結(jié)果顯示，當(dāng)r為46 m時，r′達(dá)到量0.508。因此爆炸影響范圍取為半徑46 m，爆炸強(qiáng)度等級取7級對應(yīng)的超壓荷載為0.1 MPa。

4 安全防控措施

由上述算例及相關(guān)事故可知，管道泄漏爆炸可能造成嚴(yán)重性的區(qū)域事故，因此，如何加強(qiáng)對油氣儲運管道的安全防控顯得十分必要?？紤]到爆炸是可燃?xì)怏w與空氣混合形成預(yù)混氣云，在地面上與空氣充分混合，達(dá)到發(fā)生爆炸的條件后發(fā)生的激烈場景，基于“防止管道泄漏、防止爆炸系統(tǒng)形成、消除點火源、限制爆炸蔓延”四方面提出安全風(fēng)險防控措施，具體見表3。

表3 油氣儲運管道安全防控措施表

5 總結(jié)

(1)油氣儲運管道運輸介質(zhì)具有易燃易爆等特性，一旦泄漏易導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出腐蝕、第三方破壞、運行管理及自然災(zāi)害是誘發(fā)事故的主要危險因素。

(2)以“9.5%體積分?jǐn)?shù)的甲烷-空氣爆炸”為例，應(yīng)用TNO多能法比例縮放爆炸預(yù)測模型研究爆炸荷載計算方法，經(jīng)分析得出以下結(jié)論：

①隨著可燃?xì)庠瓢霃降脑龃螅úǖ淖畲蟪瑝褐饾u增大；

②可燃?xì)庠圃谄鸨?，爆炸最大超壓沿徑向存在先增大后減小的趨勢，在氣云區(qū)內(nèi)，從爆心傳出的沖擊波最大超壓ΔP隨傳播距離的增大而增大，在氣云與空氣初始交界面r=0.8r0附近位置處達(dá)到最大值；在氣云區(qū)外，由于沖擊波在空氣中傳播，ΔP逐漸減小，大約在2r0處下降至極值的0.4倍左右。

(3)實例計算港區(qū)內(nèi)天然氣長輸管道泄漏發(fā)生超壓爆炸事故影響范圍，防止管道泄漏、防止爆炸系統(tǒng)形成、消除點火源、限制爆炸蔓延”四方面提出安全風(fēng)險防控措施，為油氣管道的日常管理提供技術(shù)參考。