長輸油氣管線動火作業(yè)過程的煙囪效應及控制

張國梁, 蔣仲安, 王亞朋,2, 鄭登峰,3, 郝曉燕

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083; 2.青島科技大學環(huán)境與安全工程學院，山東青島 266042; 3.國家管網(wǎng)集團西部管道公司,新疆烏魯木齊 830013)

為將中國西部地區(qū)的油氣資源運輸?shù)綎|部人口密集地區(qū),實現(xiàn)資源的合理配置,長距離、大規(guī)模的輸油氣工程正在被快速建設。由于輸油氣管線距離較長,導致管道運行期出現(xiàn)缺陷和損壞的概率增加,需加強對管道的日常檢測與維護[1-2]。當管道存在缺陷進行動火作業(yè)時,由于兩側落差較大,會形成自然風壓和煙囪效應的特征,導致管道內氣體與空氣發(fā)生相對流動[3-6],而氣體的擴散與泄漏會導致許多嚴重的安全問題,特別是在有限空間內[7-12]。為抑制空間內的氣體擴散,及時有效排出污染物,一般會采用改變空間結構、安裝通風設備等措施[13-14]。對于煙囪效應引起的氣體擴散流動,目前的研究主要集中于對高層建筑電梯井以及發(fā)生火災時的火勢蔓延[15];但在其他領域也存在該問題,如長傾斜隧道、進出口落差較大的礦井以及長輸油氣管線等[16]。張倍等[17]對長輸油氣管線施工過程中煙囪效應進行了計算和分析,并提出了預防和利用煙囪效應的建議。但目前對油氣管線動火作業(yè)過程由于煙囪效應導致的氣體間擴散分析較少,因此筆者對換管作業(yè)過程的煙囪效應進行計算與模擬,并提出合理的防控措施。

1 長輸油氣管線煙囪效應

1.1 西三線管線焊口的動火換管作業(yè)

長輸油氣管線在運行期常見的缺陷主要有焊縫失效、管道腐蝕、管道變形、制造缺陷和第三方損壞等。采用換管的方式處理缺陷位置時,需進行切割、打磨和焊接等動火作業(yè)。

《油氣管道動火規(guī)范》[18]中規(guī)定進行動火作業(yè)前,需對管道進行放空,并進行氣體置換,經(jīng)檢測合格后,再對管道進行切割、打磨等操作。同時在氣體置換后的密閉空間或基坑內進行動火作業(yè)時,必須對氧含量進行檢測?！哆M入受限空間安全管理規(guī)范》[19]中規(guī)定進入受限空間作業(yè)時氧氣體積分數(shù)應保持在19.5%～23.5%,換算成質量分數(shù)后,受限空間最低允許氧氣質量分數(shù)為21.7%;若低于21.7%,需采取強制通風措施。

對哈密地區(qū)西三線管道進行檢查時,發(fā)現(xiàn)管線焊口XQⅢ-A0255-M003存在長度為35 mm,深度為15 mm,高度為1.3 mm的裂紋。經(jīng)完整性評價后,同時考慮到后續(xù)裂紋擴展的不確定性,確定需進行換管。管道位于一級地區(qū),換管位置在36和37閥室之間。閥室間距約為26 km,高程差約為220 m;其中動火點距36閥室21 km,高程差約為180 m,見圖1。

圖1 西三線換管作業(yè)示意圖Fig.1 West third line pipe exchange operation

動火作業(yè)前,進行氮氣置換。在完成36和37閥室放空及內漏監(jiān)測后,在36閥室注氮,注氮量為4.5 m3/s;當37閥室監(jiān)測點檢測合格后,停止注氮,進行切割和下料作業(yè)。但工作人員進入基坑作業(yè)5 min后,感覺不適,隨即停止作業(yè);且安全人員測得此時基坑內氧氣體積分數(shù)只有約17%,低于氧氣最低允許閾值。對事故進行分析后發(fā)現(xiàn),基坑內氧氣質量分數(shù)低主要是管道打開后,下游閥室和基坑間落差較大,形成煙囪效應,使管道內氮氣涌入基坑,導致氧氣質量分數(shù)快速下降。

1.2 動火作業(yè)過程中煙囪效應

對長輸油氣管道進行施工時,由于管道兩側落差會導致煙囪效應,因此必須考慮其導致的風險。影響煙囪效應強弱的主要因素有管道兩側高差、管徑以及外部大氣環(huán)境等。

對動火作業(yè)時管道兩側的煙囪效應進行計算,1斷面為36閥室,2斷面為動火點。36閥室和動火點之間的能量方程為

(1)

式中,p1和p2分別為36閥室和動火點的大氣壓,Pa;ρ11和ρ12分別為36閥室和動火點的空氣密度,kg/m3;ρ21和ρ22分別為36閥室和動火點的氮氣密度,kg/m3;Z1和Z2分別為36閥室和動火點的海拔,m;v1和v2分別為36閥室和動火點的氮氣流動速度,m/s;Δh1-2為管道沿程阻力,Pa。

36閥室注氮管的氣體流速較小,可忽略為0;對氣體在管道內流動的沿程阻力進行分析,管道內平均氮氣速度約為出口速度的1/2,結果為

(2)

為得出基坑內管道打開點位置的氮氣出口速度v2,采用MATLAB求解式(2);其中管道長L為21 km,管道直徑d為1.219 m,λ為0.059,高差Δh為180 m。得到動火點氮氣涌出速度v2為0.67 m/s。

改變管道兩端的高差和沿程阻力系數(shù),再次求解方程組,得到氮氣出口速度見圖2。從圖2中看出,隨著高差增大,動火點氮氣出口速度逐漸增加,但增加幅度逐漸平緩。同時管道沿程阻力增大后,耗能增加,對應的氮氣出口速度下降。因此對于長輸油氣管線動火作業(yè)過程中的煙囪效應必須進行計算與分析,以采取合理措施進行預防。

圖2 不同條件下氮氣出口速度Fig.2 Nitrogen outlet speed under different conditions

2 幾何模型建立和求解

為分析長輸油氣管道動火作業(yè)過程中的煙囪效應,以西三線焊點為研究背景。該處油氣管道材料為φ121 9×18.4,X80M。建立油氣管道動火作業(yè)模型,見圖3。開挖的作業(yè)基坑底部寬度為5.6 m,長度為10 m,深度為3.6 m,兩側設置的放坡系數(shù)為1∶0.33;管道位于基坑中軸線位置,管徑為1.219 m,距基坑底部0.6 m。同時在兩側設置4條逃生通道,坡度為30°,以滿足搶修作業(yè)標準要求。運用Meshing對模型進行網(wǎng)格劃分,結果見圖3。

采用組分輸運方程和Realizablek-ε湍流模型,模擬在不同環(huán)境風速和高差下管道內氮氣向基坑的動態(tài)擴散過程。其中入口邊界為速度入口,出口邊界為Outflow,環(huán)境橫向風速為2 m/s。并采用CFD-post和Origin對模擬結果進行處理和分析,得出動火作業(yè)基坑的流場分布、不同條件下氮氣運移軌跡和氧氣質量濃度的空間分布。

圖3 動火作業(yè)基坑模型與網(wǎng)格劃分Fig.3 Model and grid division of hot operation foundation pit

3 數(shù)值模擬結果及分析

3.1 基坑內流場

根據(jù)西三線動火作業(yè)點的具體情況,模擬管道內氮氣在煙囪效應影響下向外擴散的流場分布。得到不存在環(huán)境風速和存在環(huán)境橫向風速條件下的基坑內風流流線與風速體(圖4),其中氮氣出口速度為0.67 m/s。

圖4 動火作業(yè)基坑內流線與風速體Fig.4 Streamline and wind speed body in hot operation

從圖4中看出:(1)管道內氮氣在煙囪效應的影響下,擴散到基坑內形成射流,與周圍氣體進行動量交換。隨著氣流向前運動,帶動的邊界層氣流增加,整體速度下降,但擴散半徑增大。

(2)當不存在橫向風速時,氣流向前運動到管道另一端后,在基坑的阻擋作用下會向上流動。當存在橫向環(huán)境風速時,氣流到達管道另一端后,不會向上擴散;而是在橫向風速的影響下沿著逃生通道,向基坑右端流動。

3.2 管道內氮氣向外擴散過程

對管道內氮氣向基坑擴散的過程進行分析。在切割完成后,管道處于完全打開狀態(tài),氮氣在煙囪效應的影響下會流動到基坑內。模擬得到管道內氮氣隨時間的擴散軌跡見圖5。由圖5可以看出:氮氣由管道口沿X軸向外呈球形擴散,逐漸流向基坑的右半?yún)^(qū)域,80 s后基坑右半?yún)^(qū)域充滿氮氣;隨后氮氣擴散到地面并與空氣混合。同時右端管道口位置的氮氣也會在擾動氣流的影響下向基坑擴散,但擴散的量較微弱。當?shù)獨鈹U散到基坑右端后,在管道的阻礙作用下,除了向兩側逸散,大量氮氣會向基坑的右上方流動。所以基坑內氮氣主要位于右半?yún)^(qū),在該區(qū)域氧氣含量低,容易導致作業(yè)人員不適。

圖5 氮氣在基坑內的運動軌跡Fig.5 Trajectory of nitrogen in foundation pit

基坑內氮氣在管道兩側的擴散基本對稱,在管道一側距軸線1.1 m的工作區(qū)選取8個特征點進行分析,其中各點間距1 m,距基坑底部1.2 m,見圖6。各點的氮氣質量分數(shù)隨時間的變化過程如圖7所示。可以看出,基坑內各點氮氣質量分數(shù)在60 s內都會上升到最大值,之后在管道射流的影響下降低一定幅度后達到穩(wěn)定。不同位置氮氣質量分數(shù)最大值出現(xiàn)的時刻不同,越靠近管道出口位置,極值出現(xiàn)的時刻越早;但沿氮氣運動方向,各點氮氣質量分數(shù)的極值在逐漸增大。基坑內氧氣與氮氣質量分數(shù)呈相反的變化趨勢,當管道內氮氣流入基坑后,氧氣的質量分數(shù)會下降到標準值以下。

對換管位置的氮氣質量分數(shù)進行研究,分析豎向、軸向和徑向的氮氣質量分數(shù)分布,在管道打開位置選取3條直線,如圖6所示。分析不同時刻3個方向的氮氣質量分數(shù)變化(圖8)。隨著時間推移,沿豎直方向的氮氣質量分數(shù)整體增大,同時極大值也越來越明顯,40 s后分布趨勢穩(wěn)定。隨著距基坑底部距離的增加,氮氣質量分數(shù)先增大后減小,在管道口高度(1.2 m)到達最大值,在靠近地面位置,氮氣質量分數(shù)重新穩(wěn)定在0.77左右。徑向氮氣質量分數(shù)在管道兩側分布基本對稱,中間大,兩側小,極值點位于管道軸線附近;隨時間的變化趨勢與豎直方向類似,在兩側端點附近質量分數(shù)先增大后減小,逐漸穩(wěn)定在某一值。軸向整體氮氣質量分數(shù)隨時間的延長也在逐漸增大,但沿軸向距離氮氣質量分數(shù)卻呈下降趨勢,極大值位于管道出口附近;且由于右端管道內部分氮氣向外擴散,導致該管道口位置存在拐點。

圖6 基坑內測點位置布置Fig.6 Layout drawing of measuring points in foundation pit

圖7 不同測點氮氣質量分數(shù)變化Fig.7 Changes in nitrogen mass fractions at different measurement points

3.3 環(huán)境風速對氮氣擴散影響

哈密地區(qū)年平均風速約2 m/s,因此設置基坑地表的橫向風速為2 m/s,風向與氮氣運動方向一致。模擬得到圖6中8個測點的氮氣質量分數(shù)隨時間的變化(圖9)。與圖7對比可得:當存在環(huán)境風速時,各測點整體氮氣質量分數(shù)下降一定幅度,但大部分測點氮氣質量分數(shù)仍然高于規(guī)定值。在最初的幾十秒內依舊存在一個極大值點,但出現(xiàn)的時刻要比不存在橫向風流時提前。氮氣質量分數(shù)達到穩(wěn)定所需的時間增加。各點氮氣質量分數(shù)在第一個極值后隨時間的變化較紊亂,直到150 s后才逐漸趨于穩(wěn)定。

選取管道水平切面(Y=1.2 m平面)和豎直切面(Z=0 m平面),觀察10 s時氮氣的擴散情況,并與環(huán)境風速為零時進行對比,見圖10(圖中數(shù)據(jù)為質量分數(shù))?？梢钥闯?風速為0時,氮氣在出口位置會呈球形向四周擴散;但當存在環(huán)境風速時,氮氣在風流的推動作用下,向兩側擴散的范圍變小,主要向管道正前方擴散,同時擴散速度加快。

圖8 不同時刻換管位置N2質量分數(shù)Fig.8 Nitrogen mass fraction at pipe change position at different time

圖9 風速為2 m/s時不同測點氮氣質量分數(shù)變化Fig.9 Nitrogen mass fraction changes at different measurement points when wind speed being 2 m/s

圖10 不同風速下的氮氣擴散分布Fig.10 Nitrogen diffusion diagram at different wind speeds

哈密等西部地區(qū)的風速呈明顯“冬春大、夏秋小”的季節(jié)性特征，全年風速極差值較大。模擬在高差為180 m，不同環(huán)境風速時管道打開點一側工作區(qū)特征線(距管道軸線1.1 m，高度1.2 m)穩(wěn)定狀態(tài)下氮氣質量分數(shù)變化趨勢，模擬結果如圖11所示。可以看出：管道一側工作區(qū)位置氮氣質量分數(shù)沿氮氣運動方向最初保持在0.77，在靠近氮氣出口附近開始增加，到達一定位置后又下降。風速越大，氮氣質量分數(shù)極值出現(xiàn)的位置越靠近管道出口。當風速較小時，在出口右端的工作區(qū)位置，氮氣質量分數(shù)基本都高于規(guī)定值；但隨著風速增大，工作區(qū)氮氣質量分數(shù)整體下降。當風速為6 m/s時，氮氣質量分數(shù)穩(wěn)定在0.78附近，滿足作業(yè)需求，不對人員產(chǎn)生危害。

圖11 不同風速下工作區(qū)位置的氮氣質量分數(shù)變化Fig.11 Nitrogen mass fraction changes in working area at different wind speeds

3.4 不同高差下氮氣擴散

高差是影響長輸油氣管線動火作業(yè)過程煙囪效應強弱的關鍵因素。管道內氮氣向基坑擴散主要是由于兩端高差導致。不同高差下，氮氣向外擴散的速率存在明顯差異。不同高差對基坑內氮氣質量分數(shù)的影響見表1。環(huán)境風速為2 m/s，風向與氮氣運

表1 不同高差下參數(shù)設定

動方向相同時，模擬得到相同時刻不同高差下的擴散情況如圖12(圖中數(shù)據(jù)為質量分數(shù))所示?？梢钥闯觯?隨著管道兩端高差上升，氮氣向基坑擴散的初始速度增加，但增加的幅度逐漸降低；同時氮氣向管道兩側擴散的范圍也在逐漸擴大，蔓延到兩側的工作區(qū)。以氮氣質量分數(shù)為0.78為限，高差增加后，整體擴散速度加快。氮氣會逐漸充滿整個管道打開點區(qū)域，導致兩側工作區(qū)位置氮氣質量分數(shù)上升，逐漸超過人體正常作業(yè)承受的閾值。

圖12 不同高差下氮氣在水平切面的擴散情況Fig.12 Nitrogen diffusion in horizontal section under different height differences

圖13 不同高差下工作區(qū)的氮氣質量分數(shù)變化Fig.13 Nitrogen mass fraction change in working area under different height differences

作業(yè)人員在基坑內要對管道進行切割、打磨和焊接等操作，平均作業(yè)高度約1.2 m，基坑一側的寬度為2.8 m。當基坑內氮氣擴散達到穩(wěn)定后，在管道一側1.2 m高度，距管道軸線1.1 m位置建立特征線，對其氮氣質量分數(shù)的變化趨勢進行分析,結果如圖13所示?？梢钥闯?不同高差下管道出口至基坑另一端區(qū)域的氮氣質量分數(shù)存在明顯差異。隨著高差增加，氮氣質量分數(shù)上升，但上升的幅度逐漸減小。當高差達到一定值后，基坑內大部分區(qū)域的氮氣質量分數(shù)超標。在特征線位置，氮氣質量分數(shù)在管道出口附近開始上升，在另一端管道口位置質量分數(shù)到達極值點后開始下降；從管道出口到基坑的另一端，整體氮氣質量分數(shù)較大，相應的氧氣質量分數(shù)都低于規(guī)定值。

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4 動火作業(yè)基坑內煙囪效應控制

4.1 基坑內風機安裝形式

由于管道兩端的煙囪效應，氮氣向基坑內擴散，導致工作區(qū)氧氣質量分數(shù)低于21.7%，需采取強制通風措施。為將基坑內氮氣及時排出，在基坑內安裝風機，使氧氣質量分數(shù)不低于21.7%，其中風機風量為1 008 m3/h。目前現(xiàn)場風機安裝在管道兩側，距地面1.2 m，距氮氣出口1.5 m。

風機在基坑內的安裝形式有兩種:一種是將風機安裝于基坑內;另一種是風機安裝于地面，通過風筒將風流引入基坑內。對兩種安裝方式進行模擬，結果如圖14所示?？梢钥闯觯惭b風機加快了基坑內的空氣流動，管道兩側工作區(qū)邊緣的氮氣質量分數(shù)顯著降低。直接將風機安放于基坑內，在風機入口位置形成的匯流會將氮氣吸入風機中，導致風機出口氣流中的氮氣質量分數(shù)上升。因此應通過風筒將風流引入到基坑。

4.2 基坑內風機安放位置確定

基坑內風筒出口的安放位置對加快空氣流動，及時排出氮氣至關重要。模擬在風筒距地面1.2 m高度，出口距管道出口0、0.5、1、1.5和2 m條件下，基坑內氧氣質量分數(shù)分布。選取工作區(qū)距管道軸線1.1 m位置進行分析，結果如圖15所示。

圖14 不同風機安裝形式下基坑內氮氣的擴散情況Fig.14 Nitrogen diffusion in foundation pit under different fan types

圖15 風機在不同位置下的氧氣質量分數(shù)變化Fig.15 Change of oxygen mass fraction of fans in different positions

氧氣質量分數(shù)在風筒出口位置快速下降，在另一端管道口位置逐漸趨于穩(wěn)定。但當風筒出口距管道1、1.5和2 m時，由于風筒出口與管道之間存在空隙，氮氣會擴散到該區(qū)域，導致氧氣質量分數(shù)快速下降；且由于風筒的存在，導致該位置存在一個快速跳躍的過程，在風筒出口前端氧氣質量分數(shù)重新變?yōu)?3%。

距管道出口距離越遠，工作區(qū)氧氣質量分數(shù)越低；且考慮到當風筒出口與管道之間存在空隙時，氮氣會擴散到該區(qū)域，所以風筒出口應安放于距管道0 m位置，與管道出口對齊。

把風筒固定在管道出口位置，調整其距地面的高度，觀察距管道軸線1.1 m位置氧氣質量分數(shù)的變化，結果見圖16?？梢钥闯觯猴L筒出口在不同高度下，工作區(qū)氧氣質量分數(shù)差異性較大，特別是管道打開點區(qū)域(0～5 m)；但在基坑的另一端，氧氣質量分數(shù)逐漸趨于相近。當風筒高度為1.6 m時，風機的控制效果較差，工作區(qū)氧氣質量分數(shù)最低；當風筒高度為0.4、0.8和1.2 m時，風機控制效果相近，但在0.8 m高度下，工作區(qū)整體氧氣質量分數(shù)高于其他高度的。因此風筒高度應為0.8 m，略低于管道。

圖16 風機在不同高度下的氧氣質量分數(shù)變化Fig.16 Change of oxygen mass fraction of fans at different heights

通過對動火作業(yè)時基坑內風機控制效果的分析，可以得出：風機應安放于地面，通過風筒將新鮮風流引入到基坑內；同時風筒出口應與管道出口對齊，距地面高度為0.8 m，才能使基坑內工作區(qū)的氧氣含量達到規(guī)定值，不影響人員作業(yè)。

5 結 論

(1)長輸油氣管線動火作業(yè)時，由于管道兩側落差導致的煙囪效應會使管道內氮氣向基坑涌入，導致基坑氧含量下降；同時，管道兩側落差越大，沿程阻力系數(shù)越小，氮氣涌出速度越大。

(2)氮氣由管道流出后，向前呈球形擴散，主要聚集區(qū)位于基坑另一端，基坑左半?yún)^(qū)域相對安全。工作區(qū)各測點的氮氣質量分數(shù)變化趨勢相近，與氧氣呈相對變化。隨時間推移，管道打開點位置氮氣質量分數(shù)在逐漸增大，40 s后穩(wěn)定。

(3)存在環(huán)境風流時，基坑內氮氣擴散速度加快，但向兩側擴散的范圍變窄；隨著風速增加，工作區(qū)整體氮氣質量分數(shù)下降。當管道兩側高差增大后，氮氣擴散速度也加快，相同時刻擴散范圍變大；且不同高差下工作區(qū)相同位置氮氣質量分數(shù)差異較大。

(4)為防止氮氣循環(huán)流動，風機應置于新鮮風流區(qū)，通過風筒將風流引入到管道兩側；同時當風筒出口與氮氣出口對齊、距地面0.8 m時，排出氮氣的效果最佳。