儲氣庫注采井蒸氣云爆炸致災(zāi)范圍研究*

李麗鋒, 羅金恒, 趙新偉, 張華, 武 剛, 張 哲

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.中國石油大學(xué)(華東) 山東 青島 257061;3.中國石油新疆油田公司 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

地下儲氣庫是天然氣季節(jié)調(diào)峰、應(yīng)急保供和戰(zhàn)略儲備的重要基礎(chǔ)設(shè)施。儲氣庫系統(tǒng)“強(qiáng)注強(qiáng)采”的功能是區(qū)別于常規(guī)氣田的顯著特點(diǎn)，可致使其承受交變地應(yīng)力和交變載荷的作用，同時可能在腐蝕、沖蝕、巖層蠕變等潛在危害因素的共同作用下，影響儲氣庫穩(wěn)定性和安全可靠性[1-3]。儲氣庫工作氣量一般達(dá)幾億方，一旦發(fā)生泄漏，勢必危害儲氣庫周邊人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和深遠(yuǎn)的社會影響。例如，2015年10月，美國加州Aliso Canyou氣藏型儲氣庫SS-25井因套管破損引發(fā)天然氣泄漏，泄漏持續(xù)了111天，疏散1.1萬名居民，直接經(jīng)濟(jì)損失約3.3億美元，是美國歷史上最嚴(yán)重的天然氣泄漏事故[4]。

儲氣庫注采井發(fā)生天然氣泄漏后，如果立即點(diǎn)燃，則以噴射火導(dǎo)致的熱輻射危害為主；如果天然氣發(fā)生擴(kuò)散一定時間后再點(diǎn)燃，則會導(dǎo)致擴(kuò)散的蒸氣云爆炸或者蒸氣云火災(zāi)；此外，若未發(fā)生點(diǎn)燃，則形成漂浮混合氣體，可能造成中毒或窒息等災(zāi)害。因此，蒸氣云爆炸是儲氣庫注采井泄漏的主要災(zāi)害類型之一，研究其災(zāi)害影響范圍對于保障人員及財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。本文針對儲氣庫注采井蒸氣云爆炸災(zāi)害，通過研究儲氣庫注采井蒸氣云爆炸致災(zāi)范圍，為儲氣庫泄漏后果評估與事故應(yīng)急救援提供了決策支持。

1 蒸氣云爆炸致災(zāi)范圍確定方法

1.1 泄漏分析場景選擇

注采井泄漏包括通過井口設(shè)施泄漏和通過地層遷移泄漏兩種主要類型。通過井口設(shè)施泄漏可直接泄漏至大氣，并包括小泄漏、大泄漏和破裂泄漏三種失效模式[4]。通過地層遷移泄漏存在泄漏至其他地層而未泄漏至大氣、遷移一定距離后直接泄漏至大氣兩種情況。對于通過地層遷移泄漏且未泄漏至大氣的情況，泄漏后果只考慮天然氣損耗的經(jīng)濟(jì)損失，而對于泄漏至大氣的情況，則需考慮泄漏致災(zāi)影響。從泄漏模式來看，通過井口設(shè)施泄漏、通過地層遷移泄漏且泄漏至大氣的模式可能導(dǎo)致蒸氣云爆炸災(zāi)害發(fā)生?？紤]通過地層遷移泄漏模式的不確定因素眾多，天然氣泄漏速率表征難度極大，因此，在進(jìn)行蒸氣云爆炸災(zāi)害分析時，主要考慮通過井口設(shè)施泄漏模式。

1.2 通過井口設(shè)施泄漏的泄漏率計(jì)算模型

井口裝置泄漏點(diǎn)具有節(jié)流效應(yīng)，通過井口裝置泄漏可采用Beggs(1984)[5]建立的阻流模型計(jì)算泄漏速率。計(jì)算時，首先要判斷泄漏時氣體屬于亞音速流動還是音速流動，前者稱為次臨界流，后者稱為臨界流。臨界流的發(fā)生與否依賴于內(nèi)壓和大氣壓力之比。因此，通過井口裝置的泄漏速率可取按式1或式2計(jì)算的泄漏速率與注采井無阻流量中的最小值[6]。

(1)臨界流情形(音速)

(1)

(2)亞臨界流情形(亞音速)

(2)

其中：qc為氣體泄漏， m3/d；k為介質(zhì)的指定比熱；p1為上游壓力，指泄漏點(diǎn)處的壓力，kPa；p2為下游壓力，對于井口裝置來說，等于大氣壓力，kPa；d為泄漏孔尺寸，mm；Z1為泄漏點(diǎn)處的氣體偏差系數(shù)；T1為介質(zhì)流動溫度，K；γg為天然氣相對密度。

1.3 蒸氣云的散布模型

當(dāng)天然氣通過井口設(shè)施泄漏至大氣后，進(jìn)入大氣的氣體順風(fēng)散布，形成的云如果點(diǎn)燃可能燃燒或爆炸，若不發(fā)生點(diǎn)燃或者爆炸，則形成可能導(dǎo)致人員窒息的混合氣。本模型假設(shè)天然氣連續(xù)釋放，采用煙羽模型來描述氣體的擴(kuò)散，地面H高處連續(xù)點(diǎn)源的煙羽模型如式(3)所示[7-9]。

(3)

1.4 蒸氣云爆炸災(zāi)害模型

TNT當(dāng)量法、TNO多能法、Baker-Strehlow模型是蒸氣云爆炸的常用理論分析模型，其中TNT當(dāng)量法簡單易行，可用于注采井蒸氣云爆炸危害分析，其主要思想是將蒸氣云爆炸的破壞作用轉(zhuǎn)換成TNT爆炸的破壞作用[10-11]。 蒸氣云爆炸產(chǎn)生的主要危害是沖擊波超壓，其超壓公式如式(4)所示。

(4)

式中，r為距離，m；MTNT為當(dāng)量TNT質(zhì)量，kg。

MTNT=2.07×10-7YfMCHc

(5)

式中，Yf為屈服因子，對碳?xì)浠衔餅?.03；Hc為燃燒熱，J/kg；MC為可燃?xì)怏w云的總質(zhì)量，kg。

MC=QeffL1/ua

(6)

式中，Qeff為當(dāng)量穩(wěn)態(tài)釋放速度，kg/s；L1=min(xLFL,uats)，xLFL為下可燃極限散布距離，m。

1.5 蒸氣云爆炸致災(zāi)影響范圍

蒸氣云爆炸產(chǎn)生的超壓會造成人員死亡或建筑物損傷，沖擊波超壓破壞準(zhǔn)則如表1所示。蒸氣云爆炸致災(zāi)范圍可用蒸氣云爆炸超壓傷害半徑與蒸氣云擴(kuò)散距離的一半相加來確定，計(jì)算時，要綜合考慮蒸氣云擴(kuò)散距離、按照沖擊波超壓破壞準(zhǔn)則和TNT當(dāng)量確定的超壓傷害半徑。為保守起見，選擇天然氣與空氣的爆炸極限下限值(天然氣在空氣中濃度為5%)確定蒸氣云擴(kuò)散距離，選擇蒸氣云爆炸超壓下限確定蒸氣云爆炸的超壓傷害半徑[7]。

表1 沖擊波超壓破壞準(zhǔn)則 kPa

2 分析與討論

依據(jù)前文所述的蒸氣云爆炸致災(zāi)范圍確定方法，以某儲氣庫井為例，研究分析了該注采井在井噴、持續(xù)15 min和不考慮壓降情況下的蒸氣云爆炸事故情景，并分析了不同風(fēng)速等因素對蒸氣云爆炸致災(zāi)范圍的影響。某注采井基本參數(shù)如表2所示，井噴時泄漏孔尺寸取油管內(nèi)徑76 mm，按照通過井口設(shè)施泄漏的泄漏率計(jì)算模型可知，天然氣泄漏速率為8.34 kg/s。

表2 某注采井基本參數(shù)

2.1 蒸氣云擴(kuò)散距離

在大氣穩(wěn)定度D條件下，隨著風(fēng)速的增加，天然氣泄漏擴(kuò)散速度加快，同一點(diǎn)的濃度隨著風(fēng)速的增大而降低；在風(fēng)速由1 m/s變?yōu)? m/s時，當(dāng)蒸氣云濃度為爆炸極限下限值時的擴(kuò)散范圍明顯減小，如圖1所示。

圖1 蒸氣云濃度為爆炸極限下限值時的擴(kuò)散半徑

2.2 蒸氣云爆炸超壓傷害半徑

隨著風(fēng)速的增加，天然氣泄漏擴(kuò)散速度加快，在風(fēng)速由1 m/s變?yōu)? m/s時，蒸氣云火爆炸對建筑物傷害范圍半徑顯著減小，如圖2所示；對人的嚴(yán)重?fù)p傷和致死范圍呈現(xiàn)總體下降趨勢，如圖3所示。

圖2 蒸氣云爆炸超壓對建筑物的傷害半徑

圖3 蒸氣云爆炸超壓對人的傷害半徑

2.3 蒸氣云爆炸致災(zāi)范圍

隨著風(fēng)速的增加，蒸氣云爆炸致災(zāi)范圍明顯降低，如表3所示。風(fēng)速的增大有利于天然氣事故物質(zhì)的擴(kuò)散，使得參與爆炸的天然氣云團(tuán)質(zhì)量快速下降，減小事故的傷害范圍。

表3蒸氣云爆炸致災(zāi)范圍

風(fēng)速/(m·s-1)建筑物人玻璃大部分破碎/m油儲罐破裂/m磚墻倒塌/m大型鋼架結(jié)構(gòu)破壞/m輕微傷害/m中等損傷/m嚴(yán)重?fù)p傷/m大部分死亡/m1149.3593.0372.2563.9993.9484.5776.1468.62384.5652.4140.5635.8452.9347.5942.7838.48564.9940.2031.0627.4340.6036.4832.7729.46

3 結(jié) 論

1)蒸氣云爆炸是儲氣庫注采井泄漏的災(zāi)害類型之一，建議在儲氣庫安全設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評估和應(yīng)急預(yù)案編制時予以考慮。

2)綜合井口設(shè)施泄漏率計(jì)算模型、蒸氣云散布模型和蒸氣云爆炸災(zāi)害模型，可確定注采井蒸氣云爆炸致災(zāi)影響范圍，為儲氣庫泄漏后果評估與應(yīng)急預(yù)案編制提供技術(shù)支持。

3)環(huán)境風(fēng)速的增加有利于事故物質(zhì)的擴(kuò)散、稀釋，從而事故安全疏散范圍可以顯著的減小。