澳大利亞天然氣輸送并行管道間距的計算和分析

秦 璇 宋代詩雨

中國石油集團工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

近年來，隨著天然氣能源需求不斷增加,中國天然氣管道布局也得到了蓬勃發(fā)展。目前中國已形成的天然氣管網(wǎng)橫跨東西,縱貫南北。在許多地區(qū),由于受地形、交通、環(huán)保等因素的影響,采用了管道并行敷設的形式。但近年世界各國輸氣管道泄漏造成的爆炸事故時有發(fā)生,人們對天然氣管道安全輸送越來越重視,而英國在經(jīng)過大量實驗研究后,率先提出了安全距離的定義,規(guī)定了管道爆炸對周圍建筑物不產生影響的最小距離,這也對天然氣輸送管道并行敷設間距要求提出了新的思路[1-4]。

天然氣輸送管道并行敷設間距由多方面因素決定,主要從地形、交通、環(huán)保、熱輻射等方面考慮。本文將通過與中國天然氣輸送管道并行敷設間距相關規(guī)范的比較和分析,結合國外標準,運用DNV PHAST軟件淺析澳大利亞天然氣輸送管道并行敷設間距的確定。

1 并行天然氣管道間距

影響天然氣輸送管道并行敷設間距的因素很多,但是在確定并行管道間距時,主要需滿足兩方面的要求,一是滿足操作空間,不僅要針對現(xiàn)有地面操作或者施工的空間要求,同時也要滿足未來施工的要求,包括但不限于采用爆破法施工時的間距要求。二是滿足熱輻射要求,當發(fā)生緊急事故,如管道破裂、燃燒或爆炸時,沖擊波或者熱輻射不會對臨近管道正常生產運行造成影響。

1.1 滿足操作空間

滿足操作空間作為確定天然氣輸送管道并行敷設間距要求,主要是在新建管道施工時,盡量利用現(xiàn)有設施,不對已建管道工程造成影響或者破壞。機械化施工時,合理間距為施工間距,無機械化施工時,合理間距為維搶修間距[5-7]。在后續(xù)可能的施工中,因為有足夠的安全距離,特別是在采用爆破法開挖管溝時,不會對現(xiàn)有管道造成影響。在中國規(guī)范GB 50251-2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》第4.4節(jié)做了具體要求,在石方地段,后建管道采用爆破開挖時,并行距離宜大于20 m;不受地形、地段限制的并行管道,最小距離不應小于6 m[8],根據(jù)土壤類別要求的具體管道間距可以參考SY/T 7365-2017《油氣輸送管道并行敷設技術規(guī)范》表5.2.3[9]。

澳大利亞和新西蘭聯(lián)合組建標準技術委員會,形成了AS/NZS標準,澳大利亞天然氣管道工程設計遵循AS 2885.1《石油天然氣管道設計與施工》(以下簡稱AS 2885.1)標準,最新版標準于2019年已發(fā)布。該標準是基于風險控制的標準,主要功能為指導工程設計人員識別管道設計與施工中潛在的風險和危險,以確保在相應的地方采取必要的控制措施[10-11]。

AS 2885.1標準中沒有對天然氣輸送管道并行敷設間距做具體數(shù)值要求,而是通過計算管道抗侵蝕的能力,來確定天然氣輸送管道并行敷設間距。通過對不同類型的挖掘機挖斗對管道造成破孔大小進行分析,結合AS 2885.1標準中Y3章節(jié)瞬間擊穿管道模型(Puncture Energy Release Rates)的公式計算,得到天然氣輸送管道并行敷設間距[12]。

1.2 滿足熱輻射間距

相鄰兩條或多條并行管道中,當一條管道發(fā)生爆炸、燃燒時,會在沖擊波或熱輻射的影響下,影響其他管道運行,為了避免熱輻射或沖擊波的影響,并行管道間需要足夠的安全距離。

由于天然氣易燃、易爆的特性,管道泄漏時一旦遇到火源即有可能引起蒸氣云爆炸、火球火災、噴射火,嚴重威脅管道運營,同時根據(jù)API 581《基于風險的檢驗》顯示,燃氣泄漏發(fā)生噴射火事故概率為0.1,主要以噴射火作為主工況進行分析[13-14]。

目前,計算熱輻射的典型數(shù)學模型主要有兩種:點源模型(Point Source Model)和固體火焰模型(Solid Flame Model)。點源模型通過將熱輻射集中在中心點來計算,也是API 521《泄壓和減壓系統(tǒng)》中使用的模型[15-17]。由于噴射火焰具有長度較長、影響范圍較大的特點,在計算時使用固體火焰模型計算[18]，典型的噴射火示意圖見圖1。滿足熱輻射要求造成的管道間距則需要通過DNV PHAST軟件計算。

圖1 典型的噴射火示意圖

需要注意,基于DNV PHAST軟件在計算熱輻射距離時,管道失效是按照完全爆炸模型(Full Bore)計算,若管道僅為部分穿孔,則考慮瞬間擊穿管道模型(Puncture Energy Release Rates)計算。

2 并行管道間距的確定

2.1 管道完全爆炸模型

根據(jù)AS 2885.1標準規(guī)定,確定天然氣輸送管道并行敷設間距,需要以4.7 kW/m2和12.6 kW/m2作為臨界熱通量來分別計算熱輻射曲線。根據(jù)韓國學者Jo Y D的研究認為,管道危險距離反應的是在最不利的天氣條件下,管道斷裂時引起的火災造成室外個體暴露在熱輻射下30 s內死亡概率為1%所對應的最小距離[19]。故首先通過DNV PHAST軟件計算爆炸初30 s后的準穩(wěn)態(tài)體積流,再利用計算值來確定點火后的熱輻射曲線,這些數(shù)據(jù)通過PHAST軟件獲得,并作為管道完全爆炸模型的結果。

在建立PHAST模型時,根據(jù)已知管道的壓力、管徑,結合當?shù)仫L速,按照10°、20°和30°泄漏方向分別計算出不同的熱輻射距離,同時根據(jù)API 521計算熱輻射公式,計算熱輻射距離,將由PHAST計算出的敷設曲線中的最大距離與API 521計算熱輻射公式中的最大距離相比較,取最大值作為管道完全爆炸模型時的管道間距。

API 521計算熱輻射公式[20]:

(1)

2.2 瞬間擊穿管道模型

根據(jù)AS 2885.1標準規(guī)定,熱輻射計算時還應考慮瞬間擊穿管道模型,計算公式:

(2)

(3)

式中:Q為釋放能量,MJ/s;R12.6、R4.7分別為輻射強度12.6、4.7 kW/m2時的熱輻射，m。

而釋放能量計算可以通過式(4)～(6)計算：

(4)

m′=1.1×10-3PDA

(5)

(6)

式中:A為泄漏孔有效面積,mm2;d為泄漏孔大小,mm;GHV為燃氣熱值,MJ/m3;m′為質量流量,kg/s;PD為設計壓力,MPa;ρ為標準狀態(tài)下的氣體密度,kg/m3。

從式(4)～(6)可以發(fā)現(xiàn),熱輻射的影響范圍與管道的泄漏孔面積有關,而泄漏孔主要考慮管道被不同類型的挖掘機斗齒破壞,造成大小不一的泄漏孔,主要對常規(guī)齒、單虎齒、雙虎齒的進行分析。

在計算時,首先根據(jù)AS 2885.1標準中關于的規(guī)定,對比管道抗傾入阻力和判斷管道是否發(fā)生侵入情況,即Rp>BF時,管道不發(fā)生侵蝕情況,其中Rp為管道抗侵入的阻力,根據(jù)式(7)計算,F為挖掘機鏟斗在管道上造成的力,根據(jù)式(8)計算,B為一個綜合系數(shù),具體取值見表1,挖掘機相關參數(shù)見表2。

(7)

F=7.5WOP-0.04(WOP)2

(8)

式中:tw為管道壁厚,mm;σu為極限抗拉應力,MPa,根據(jù)API 5 L表7取值[21];L為鏟斗齒長度,mm;W為鏟斗齒寬度,mm;WOP為鏟斗工作壓力,kN。

表1 綜合系數(shù)B取值表

表2 挖掘機相關參數(shù)表

通過式(7)～(8)計算后,若Rp

(9)

(10)

σflow=68.95+σy

(11)

(12)

CDL=2c

(13)

式中:MT為膨脹系數(shù);σy為材料規(guī)定的最小屈服強度,MPa;D為管道外徑,mm;PD為設計壓力,MPa;CDL為缺陷臨界長度，m;σH為環(huán)向應力，MPa;σflow為屈服應力，MPa。

根據(jù)式(9)～(13)判斷出會發(fā)生泄漏的管道,再根據(jù)式(4)～(6)計算出安全間距,由此確定天然氣輸送管道并行敷設間距。

3 工程實例

澳洲某管道工程,介質為天然氣,密度1.347 kg/m3,燃氣熱值37.11 MJ/m3,其他管道參數(shù)見表3。

首先根據(jù)式(7)～(8),判斷是否會發(fā)生管道傾入的工況。由于計算時與綜合系數(shù)B有很大的關系,在校核時根據(jù)兩個極端工況,分別計算B=0.75和B=1.3時管道是否侵入的情況。不同挖掘機鏟斗類型管道是否發(fā)生侵入計算結果見表4。

表3 澳洲某管道工程管道參數(shù)表

表4 不同挖掘機鏟斗類型管道是否發(fā)生侵入計算結果表

當分析出哪些管道可能發(fā)生侵入工況后,再將可能發(fā)生侵入工況的管道,通過式(9)～(13)判斷管道侵入的具體工況,若發(fā)生破損,則采用DNV PHAST軟件,按照完全爆炸模型計算,若發(fā)生泄漏,則采用式(4)～(6)計算安全間距,判斷天然氣輸送管道并行敷設距離。具體判斷結果見表5。

表5 不同挖掘機鏟斗類型管道侵入類型判斷結果表

根據(jù)表5的判斷標準,泄漏的管道根據(jù)瞬間擊穿管道模型計算,計算結果見表6。

表6 瞬間擊穿管道模型計算結果表

完成泄漏工況計算后,破損管道工況根依據(jù)DNV PHAST軟件,分別按照10°,20°和30°泄漏角度,在風速為5 m/s,濕度50%的情況下計算,計算結果見表7。

表7 管道完全爆炸模型計算結果表

在計算完表7中兩種工況后,可以得出結論,若管道發(fā)生泄漏工況,天然氣輸送管道并行敷設間距為70 m；若管道發(fā)生破損爆炸工況,天然氣輸送管道并行敷設間距為217 m。

4 結論

合理確定天然氣輸送管道并行敷設間距對于長輸管道安全運行有重要意義。通過與中國天然氣輸送管道并行敷設確認規(guī)范及方法的比較,引入并介紹分析了澳大利亞天然氣輸送管道并行敷設間距計算方法,并通過DNV PHAST軟件計算結果AS 2885.1標準的方法在實際工程中的應用,得出以下結論:

1)中國在天然氣輸送管道并行敷設要求方面,通過強度來保證安全,已經(jīng)摒棄了安全距離的概念和要求,從防腐、施工、維護管理角度對管道間距提出要求。

2)利用澳大利亞規(guī)范計算時,根據(jù)管道傾入情況,分為泄漏和完全爆炸工況,泄漏工況通過AS 2885.1標準公式計算,完全破損工況通過DNV PHAST軟件計算。根據(jù)AS 2885.1標準公式計算的安全距離與中國標準接近,而根據(jù)DNV PHAST軟件計算的安全距離遠遠大于中國標準規(guī)定。

3)泄漏和完全爆炸工況相比較,完全破損工況為最惡劣工況,天然氣輸送管道并行敷設間距最大。