長(zhǎng)輸油氣管線動(dòng)火作業(yè)過(guò)程的煙囪效應(yīng)及控制

張國(guó)梁, 蔣仲安, 王亞朋,2, 鄭登峰,3, 郝曉燕

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

為將中國(guó)西部地區(qū)的油氣資源運(yùn)輸?shù)綎|部人口密集地區(qū),實(shí)現(xiàn)資源的合理配置,長(zhǎng)距離、大規(guī)模的輸油氣工程正在被快速建設(shè)。由于輸油氣管線距離較長(zhǎng),導(dǎo)致管道運(yùn)行期出現(xiàn)缺陷和損壞的概率增加,需加強(qiáng)對(duì)管道的日常檢測(cè)與維護(hù)[1-2]。當(dāng)管道存在缺陷進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)時(shí),由于兩側(cè)落差較大,會(huì)形成自然風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)的特征,導(dǎo)致管道內(nèi)氣體與空氣發(fā)生相對(duì)流動(dòng)[3-6],而氣體的擴(kuò)散與泄漏會(huì)導(dǎo)致許多嚴(yán)重的安全問(wèn)題,特別是在有限空間內(nèi)[7-12]。為抑制空間內(nèi)的氣體擴(kuò)散,及時(shí)有效排出污染物,一般會(huì)采用改變空間結(jié)構(gòu)、安裝通風(fēng)設(shè)備等措施[13-14]。對(duì)于煙囪效應(yīng)引起的氣體擴(kuò)散流動(dòng),目前的研究主要集中于對(duì)高層建筑電梯井以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)的火勢(shì)蔓延[15];但在其他領(lǐng)域也存在該問(wèn)題,如長(zhǎng)傾斜隧道、進(jìn)出口落差較大的礦井以及長(zhǎng)輸油氣管線等[16]。張倍等[17]對(duì)長(zhǎng)輸油氣管線施工過(guò)程中煙囪效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算和分析,并提出了預(yù)防和利用煙囪效應(yīng)的建議。但目前對(duì)油氣管線動(dòng)火作業(yè)過(guò)程由于煙囪效應(yīng)導(dǎo)致的氣體間擴(kuò)散分析較少,因此筆者對(duì)換管作業(yè)過(guò)程的煙囪效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算與模擬,并提出合理的防控措施。

1 長(zhǎng)輸油氣管線煙囪效應(yīng)

1.1 西三線管線焊口的動(dòng)火換管作業(yè)

長(zhǎng)輸油氣管線在運(yùn)行期常見(jiàn)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(shí),需進(jìn)行切割、打磨和焊接等動(dòng)火作業(yè)。

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

對(duì)哈密地區(qū)西三線管道進(jìn)行檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)管線焊口XQⅢ-A0255-M003存在長(zhǎng)度為35 mm,深度為15 mm,高度為1.3 mm的裂紋。經(jīng)完整性評(píng)價(jià)后,同時(shí)考慮到后續(xù)裂紋擴(kuò)展的不確定性,確定需進(jìn)行換管。管道位于一級(jí)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(dòng)火點(diǎn)距36閥室21 km,高程差約為180 m,見(jiàn)圖1。

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

動(dòng)火作業(yè)前,進(jìn)行氮?dú)庵脫Q。在完成36和37閥室放空及內(nèi)漏監(jiān)測(cè)后,在36閥室注氮,注氮量為4.5 m3/s;當(dāng)37閥室監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)合格后,停止注氮,進(jìn)行切割和下料作業(yè)。但工作人員進(jìn)入基坑作業(yè)5 min后,感覺(jué)不適,隨即停止作業(yè);且安全人員測(cè)得此時(shí)基坑內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)只有約17%,低于氧氣最低允許閾值。對(duì)事故進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),基坑內(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)低主要是管道打開(kāi)后,下游閥室和基坑間落差較大,形成煙囪效應(yīng),使管道內(nèi)氮?dú)庥咳牖?導(dǎo)致氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速下降。

1.2 動(dòng)火作業(yè)過(guò)程中煙囪效應(yīng)

對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道進(jìn)行施工時(shí),由于管道兩側(cè)落差會(huì)導(dǎo)致煙囪效應(yīng),因此必須考慮其導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。影響煙囪效應(yīng)強(qiáng)弱的主要因素有管道兩側(cè)高差、管徑以及外部大氣環(huán)境等。

對(duì)動(dòng)火作業(yè)時(shí)管道兩側(cè)的煙囪效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算,1斷面為36閥室,2斷面為動(dòng)火點(diǎn)。36閥室和動(dòng)火點(diǎn)之間的能量方程為

(1)

式中,p1和p2分別為36閥室和動(dòng)火點(diǎn)的大氣壓,Pa;ρ11和ρ12分別為36閥室和動(dòng)火點(diǎn)的空氣密度,kg/m3;ρ21和ρ22分別為36閥室和動(dòng)火點(diǎn)的氮?dú)饷芏?kg/m3;Z1和Z2分別為36閥室和動(dòng)火點(diǎn)的海拔,m;v1和v2分別為36閥室和動(dòng)火點(diǎn)的氮?dú)饬鲃?dòng)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(duì)氣體在管道內(nèi)流動(dòng)的沿程阻力進(jìn)行分析,管道內(nèi)平均氮?dú)馑俣燃s為出口速度的1/2,結(jié)果為

(2)

為得出基坑內(nèi)管道打開(kāi)點(diǎn)位置的氮?dú)獬隹谒俣葀2,采用MATLAB求解式(2);其中管道長(zhǎng)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(dòng)火點(diǎn)氮?dú)庥砍鏊俣葀2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?dú)獬隹谒俣纫?jiàn)圖2。從圖2中看出,隨著高差增大,動(dòng)火點(diǎn)氮?dú)獬隹谒俣戎饾u增加,但增加幅度逐漸平緩。同時(shí)管道沿程阻力增大后,耗能增加,對(duì)應(yīng)的氮?dú)獬隹谒俣认陆怠Ｒ虼藢?duì)于長(zhǎng)輸油氣管線動(dòng)火作業(yè)過(guò)程中的煙囪效應(yīng)必須進(jìn)行計(jì)算與分析,以采取合理措施進(jìn)行預(yù)防。

圖2 不同條件下氮?dú)獬隹谒俣菷ig.2 Nitrogen outlet speed under different conditions

2 幾何模型建立和求解

為分析長(zhǎng)輸油氣管道動(dòng)火作業(yè)過(guò)程中的煙囪效應(yīng),以西三線焊點(diǎn)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(dòng)火作業(yè)模型,見(jiàn)圖3。開(kāi)挖的作業(yè)基坑底部寬度為5.6 m,長(zhǎng)度為10 m,深度為3.6 m,兩側(cè)設(shè)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(shí)在兩側(cè)設(shè)置4條逃生通道,坡度為30°,以滿足搶修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。運(yùn)用Meshing對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,結(jié)果見(jiàn)圖3。

采用組分輸運(yùn)方程和Realizablek-ε湍流模型,模擬在不同環(huán)境風(fēng)速和高差下管道內(nèi)氮?dú)庀蚧拥膭?dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程。其中入口邊界為速度入口,出口邊界為Outflow,環(huán)境橫向風(fēng)速為2 m/s。并采用CFD-post和Origin對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理和分析,得出動(dòng)火作業(yè)基坑的流場(chǎng)分布、不同條件下氮?dú)膺\(yùn)移軌跡和氧氣質(zhì)量濃度的空間分布。

圖3 動(dòng)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(jié)果及分析

3.1 基坑內(nèi)流場(chǎng)

根據(jù)西三線動(dòng)火作業(yè)點(diǎn)的具體情況,模擬管道內(nèi)氮?dú)庠跓焽栊?yīng)影響下向外擴(kuò)散的流場(chǎng)分布。得到不存在環(huán)境風(fēng)速和存在環(huán)境橫向風(fēng)速條件下的基坑內(nèi)風(fēng)流流線與風(fēng)速體(圖4),其中氮?dú)獬隹谒俣葹?.67 m/s。

圖4 動(dòng)火作業(yè)基坑內(nèi)流線與風(fēng)速體Fig.4 Streamline and wind speed body in hot operation

從圖4中看出:(1)管道內(nèi)氮?dú)庠跓焽栊?yīng)的影響下,擴(kuò)散到基坑內(nèi)形成射流,與周圍氣體進(jìn)行動(dòng)量交換。隨著氣流向前運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)的邊界層氣流增加,整體速度下降,但擴(kuò)散半徑增大。

(2)當(dāng)不存在橫向風(fēng)速時(shí),氣流向前運(yùn)動(dòng)到管道另一端后,在基坑的阻擋作用下會(huì)向上流動(dòng)。當(dāng)存在橫向環(huán)境風(fēng)速時(shí),氣流到達(dá)管道另一端后,不會(huì)向上擴(kuò)散;而是在橫向風(fēng)速的影響下沿著逃生通道,向基坑右端流動(dòng)。

3.2 管道內(nèi)氮?dú)庀蛲鈹U(kuò)散過(guò)程

對(duì)管道內(nèi)氮?dú)庀蚧訑U(kuò)散的過(guò)程進(jìn)行分析。在切割完成后,管道處于完全打開(kāi)狀態(tài),氮?dú)庠跓焽栊?yīng)的影響下會(huì)流動(dòng)到基坑內(nèi)。模擬得到管道內(nèi)氮?dú)怆S時(shí)間的擴(kuò)散軌跡見(jiàn)圖5。由圖5可以看出:氮?dú)庥晒艿揽谘豖軸向外呈球形擴(kuò)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?dú)?隨后氮?dú)鈹U(kuò)散到地面并與空氣混合。同時(shí)右端管道口位置的氮?dú)庖矔?huì)在擾動(dòng)氣流的影響下向基坑擴(kuò)散,但擴(kuò)散的量較微弱。當(dāng)?shù)獨(dú)鈹U(kuò)散到基坑右端后,在管道的阻礙作用下,除了向兩側(cè)逸散,大量氮?dú)鈺?huì)向基坑的右上方流動(dòng)。所以基坑內(nèi)氮?dú)庵饕挥谟野雲(yún)^(qū),在該區(qū)域氧氣含量低,容易導(dǎo)致作業(yè)人員不適。

圖5 氮?dú)庠诨觾?nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Trajectory of nitrogen in foundation pit

基坑內(nèi)氮?dú)庠诠艿纼蓚?cè)的擴(kuò)散基本對(duì)稱,在管道一側(cè)距軸線1.1 m的工作區(qū)選取8個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析,其中各點(diǎn)間距1 m,距基坑底部1.2 m,見(jiàn)圖6。各點(diǎn)的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖7所示。可以看出,基坑內(nèi)各點(diǎn)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)在60 s內(nèi)都會(huì)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(dá)到穩(wěn)定。不同位置氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值出現(xiàn)的時(shí)刻不同,越靠近管道出口位置,極值出現(xiàn)的時(shí)刻越早;但沿氮?dú)膺\(yùn)動(dòng)方向,各點(diǎn)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)的極值在逐漸增大?；觾?nèi)氧氣與氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)呈相反的變化趨勢(shì),當(dāng)管道內(nèi)氮?dú)饬魅牖雍?氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)下降到標(biāo)準(zhǔn)值以下。

對(duì)換管位置的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究,分析豎向、軸向和徑向的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)分布,在管道打開(kāi)位置選取3條直線,如圖6所示。分析不同時(shí)刻3個(gè)方向的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(圖8)。隨著時(shí)間推移,沿豎直方向的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)整體增大,同時(shí)極大值也越來(lái)越明顯,40 s后分布趨勢(shì)穩(wěn)定。隨著距基坑底部距離的增加,氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小,在管道口高度(1.2 m)到達(dá)最大值,在靠近地面位置,氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)重新穩(wěn)定在0.77左右。徑向氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)在管道兩側(cè)分布基本對(duì)稱,中間大,兩側(cè)小,極值點(diǎn)位于管道軸線附近;隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與豎直方向類似,在兩側(cè)端點(diǎn)附近質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小,逐漸穩(wěn)定在某一值。軸向整體氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的延長(zhǎng)也在逐漸增大,但沿軸向距離氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)卻呈下降趨勢(shì),極大值位于管道出口附近;且由于右端管道內(nèi)部分氮?dú)庀蛲鈹U(kuò)散,導(dǎo)致該管道口位置存在拐點(diǎn)。

圖6 基坑內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置布置Fig.6 Layout drawing of measuring points in foundation pit

圖7 不同測(cè)點(diǎn)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.7 Changes in nitrogen mass fractions at different measurement points

3.3 環(huán)境風(fēng)速對(duì)氮?dú)鈹U(kuò)散影響

哈密地區(qū)年平均風(fēng)速約2 m/s,因此設(shè)置基坑地表的橫向風(fēng)速為2 m/s,風(fēng)向與氮?dú)膺\(yùn)動(dòng)方向一致。模擬得到圖6中8個(gè)測(cè)點(diǎn)的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化(圖9)。與圖7對(duì)比可得:當(dāng)存在環(huán)境風(fēng)速時(shí),各測(cè)點(diǎn)整體氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)下降一定幅度,但大部分測(cè)點(diǎn)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然高于規(guī)定值。在最初的幾十秒內(nèi)依舊存在一個(gè)極大值點(diǎn),但出現(xiàn)的時(shí)刻要比不存在橫向風(fēng)流時(shí)提前。氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間增加。各點(diǎn)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)在第一個(gè)極值后隨時(shí)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(shí)氮?dú)獾臄U(kuò)散情況,并與環(huán)境風(fēng)速為零時(shí)進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖10(圖中數(shù)據(jù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù))?？梢钥闯?風(fēng)速為0時(shí),氮?dú)庠诔隹谖恢脮?huì)呈球形向四周擴(kuò)散;但當(dāng)存在環(huán)境風(fēng)速時(shí),氮?dú)庠陲L(fēng)流的推動(dòng)作用下,向兩側(cè)擴(kuò)散的范圍變小,主要向管道正前方擴(kuò)散,同時(shí)擴(kuò)散速度加快。

圖8 不同時(shí)刻換管位置N2質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.8 Nitrogen mass fraction at pipe change position at different time

圖9 風(fēng)速為2 m/s時(shí)不同測(cè)點(diǎn)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?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(fēng)速下的氮?dú)鈹U(kuò)散分布Fig.10 Nitrogen diffusion diagram at different wind speeds

哈密等西部地區(qū)的風(fēng)速呈明顯“冬春大、夏秋小”的季節(jié)性特征，全年風(fēng)速極差值較大。模擬在高差為180 m，不同環(huán)境風(fēng)速時(shí)管道打開(kāi)點(diǎn)一側(cè)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?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)，模擬結(jié)果如圖11所示。可以看出：管道一側(cè)工作區(qū)位置氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)沿氮?dú)膺\(yùn)動(dòng)方向最初保持在0.77，在靠近氮?dú)獬隹诟浇_(kāi)始增加，到達(dá)一定位置后又下降。風(fēng)速越大，氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)極值出現(xiàn)的位置越靠近管道出口。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，在出口右端的工作區(qū)位置，氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)基本都高于規(guī)定值；但隨著風(fēng)速增大，工作區(qū)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)整體下降。當(dāng)風(fēng)速為6 m/s時(shí)，氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.78附近，滿足作業(yè)需求，不對(duì)人員產(chǎn)生危害。

圖11 不同風(fēng)速下工作區(qū)位置的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.11 Nitrogen mass fraction changes in working area at different wind speeds

3.4 不同高差下氮?dú)鈹U(kuò)散

高差是影響長(zhǎng)輸油氣管線動(dòng)火作業(yè)過(guò)程煙囪效應(yīng)強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素。管道內(nèi)氮?dú)庀蚧訑U(kuò)散主要是由于兩端高差導(dǎo)致。不同高差下，氮?dú)庀蛲鈹U(kuò)散的速率存在明顯差異。不同高差對(duì)基坑內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見(jiàn)表1。環(huán)境風(fēng)速為2 m/s，風(fēng)向與氮?dú)膺\(yùn)

表1 不同高差下參數(shù)設(shè)定

動(dòng)方向相同時(shí)，模擬得到相同時(shí)刻不同高差下的擴(kuò)散情況如圖12(圖中數(shù)據(jù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù))所示?？梢钥闯觯?隨著管道兩端高差上升，氮?dú)庀蚧訑U(kuò)散的初始速度增加，但增加的幅度逐漸降低；同時(shí)氮?dú)庀蚬艿纼蓚?cè)擴(kuò)散的范圍也在逐漸擴(kuò)大，蔓延到兩側(cè)的工作區(qū)。以氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.78為限，高差增加后，整體擴(kuò)散速度加快。氮?dú)鈺?huì)逐漸充滿整個(gè)管道打開(kāi)點(diǎn)區(qū)域，導(dǎo)致兩側(cè)工作區(qū)位置氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，逐漸超過(guò)人體正常作業(yè)承受的閾值。

圖12 不同高差下氮?dú)庠谒角忻娴臄U(kuò)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?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?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(nèi)要對(duì)管道進(jìn)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(cè)的寬度為2.8 m。當(dāng)基坑內(nèi)氮?dú)鈹U(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定后，在管道一側(cè)1.2 m高度，距管道軸線1.1 m位置建立特征線，對(duì)其氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,結(jié)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?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)存在明顯差異。隨著高差增加，氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，但上升的幅度逐漸減小。當(dāng)高差達(dá)到一定值后，基坑內(nèi)大部分區(qū)域的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)。在特征線位置，氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)在管道出口附近開(kāi)始上升，在另一端管道口位置質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)極值點(diǎn)后開(kāi)始下降；從管道出口到基坑的另一端，整體氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，相應(yīng)的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)都低于規(guī)定值。

1分鐘打印交易流水、3分鐘辦理開(kāi)卡全部業(yè)務(wù)，5分鐘辦理外幣跨境匯款，原來(lái)不算辦理業(yè)務(wù)的時(shí)間，光排隊(duì)就需要30分鐘，甚至1小時(shí)以上?，F(xiàn)在，這樣的便捷操作在中國(guó)銀行云南省分行的智能柜臺(tái)上就可輕松完成。2017年5月25日，云南中行智能柜臺(tái)成功在中行省分行營(yíng)業(yè)部、東風(fēng)支行營(yíng)業(yè)部、盤龍支行營(yíng)業(yè)部三家試點(diǎn)網(wǎng)點(diǎn)投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，全新的金融服務(wù)設(shè)備和服務(wù)模式，給客戶帶來(lái)了全新的服務(wù)體驗(yàn)。

4 動(dòng)火作業(yè)基坑內(nèi)煙囪效應(yīng)控制

4.1 基坑內(nèi)風(fēng)機(jī)安裝形式

由于管道兩端的煙囪效應(yīng)，氮?dú)庀蚧觾?nèi)擴(kuò)散，導(dǎo)致工作區(qū)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于21.7%，需采取強(qiáng)制通風(fēng)措施。為將基坑內(nèi)氮?dú)饧皶r(shí)排出，在基坑內(nèi)安裝風(fēng)機(jī)，使氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于21.7%，其中風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1 008 m3/h。目前現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)安裝在管道兩側(cè)，距地面1.2 m，距氮?dú)獬隹?.5 m。

風(fēng)機(jī)在基坑內(nèi)的安裝形式有兩種:一種是將風(fēng)機(jī)安裝于基坑內(nèi);另一種是風(fēng)機(jī)安裝于地面，通過(guò)風(fēng)筒將風(fēng)流引入基坑內(nèi)。對(duì)兩種安裝方式進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖14所示。可以看出，安裝風(fēng)機(jī)加快了基坑內(nèi)的空氣流動(dòng)，管道兩側(cè)工作區(qū)邊緣的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低。直接將風(fēng)機(jī)安放于基坑內(nèi)，在風(fēng)機(jī)入口位置形成的匯流會(huì)將氮?dú)馕腼L(fēng)機(jī)中，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出口氣流中的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)上升。因此應(yīng)通過(guò)風(fēng)筒將風(fēng)流引入到基坑。

4.2 基坑內(nèi)風(fēng)機(jī)安放位置確定

基坑內(nèi)風(fēng)筒出口的安放位置對(duì)加快空氣流動(dòng)，及時(shí)排出氮?dú)庵陵P(guān)重要。模擬在風(fēng)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(nèi)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。選取工作區(qū)距管道軸線1.1 m位置進(jìn)行分析，結(jié)果如圖15所示。

圖14 不同風(fēng)機(jī)安裝形式下基坑內(nèi)氮?dú)獾臄U(kuò)散情況Fig.14 Nitrogen diffusion in foundation pit under different fan types

圖15 風(fēng)機(jī)在不同位置下的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.15 Change of oxygen mass fraction of fans in different positions

氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在風(fēng)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(dāng)風(fēng)筒出口距管道1、1.5和2 m時(shí)，由于風(fēng)筒出口與管道之間存在空隙，氮?dú)鈺?huì)擴(kuò)散到該區(qū)域，導(dǎo)致氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速下降；且由于風(fēng)筒的存在，導(dǎo)致該位置存在一個(gè)快速跳躍的過(guò)程，在風(fēng)筒出口前端氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)重新變?yōu)?3%。

距管道出口距離越遠(yuǎn)，工作區(qū)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低；且考慮到當(dāng)風(fēng)筒出口與管道之間存在空隙時(shí)，氮?dú)鈺?huì)擴(kuò)散到該區(qū)域，所以風(fēng)筒出口應(yīng)安放于距管道0 m位置，與管道出口對(duì)齊。

把風(fēng)筒固定在管道出口位置，調(diào)整其距地面的高度，觀察距管道軸線1.1 m位置氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，結(jié)果見(jiàn)圖16?？梢钥闯觯猴L(fēng)筒出口在不同高度下，工作區(qū)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異性較大，特別是管道打開(kāi)點(diǎn)區(qū)域(0～5 m)；但在基坑的另一端，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸趨于相近。當(dāng)風(fēng)筒高度為1.6 m時(shí)，風(fēng)機(jī)的控制效果較差，工作區(qū)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低；當(dāng)風(fēng)筒高度為0.4、0.8和1.2 m時(shí)，風(fēng)機(jī)控制效果相近，但在0.8 m高度下，工作區(qū)整體氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于其他高度的。因此風(fēng)筒高度應(yīng)為0.8 m，略低于管道。

圖16 風(fēng)機(jī)在不同高度下的氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化Fig.16 Change of oxygen mass fraction of fans at different heights

通過(guò)對(duì)動(dòng)火作業(yè)時(shí)基坑內(nèi)風(fēng)機(jī)控制效果的分析，可以得出：風(fēng)機(jī)應(yīng)安放于地面，通過(guò)風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流引入到基坑內(nèi)；同時(shí)風(fēng)筒出口應(yīng)與管道出口對(duì)齊，距地面高度為0.8 m，才能使基坑內(nèi)工作區(qū)的氧氣含量達(dá)到規(guī)定值，不影響人員作業(yè)。

5 結(jié) 論

(1)長(zhǎng)輸油氣管線動(dòng)火作業(yè)時(shí)，由于管道兩側(cè)落差導(dǎo)致的煙囪效應(yīng)會(huì)使管道內(nèi)氮?dú)庀蚧佑咳耄瑢?dǎo)致基坑氧含量下降；同時(shí)，管道兩側(cè)落差越大，沿程阻力系數(shù)越小，氮?dú)庥砍鏊俣仍酱蟆?/p>

(2)氮?dú)庥晒艿懒鞒龊?，向前呈球形擴(kuò)散，主要聚集區(qū)位于基坑另一端，基坑左半?yún)^(qū)域相對(duì)安全。工作區(qū)各測(cè)點(diǎn)的氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)相近，與氧氣呈相對(duì)變化。隨時(shí)間推移，管道打開(kāi)點(diǎn)位置氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)在逐漸增大，40 s后穩(wěn)定。

(3)存在環(huán)境風(fēng)流時(shí)，基坑內(nèi)氮?dú)鈹U(kuò)散速度加快，但向兩側(cè)擴(kuò)散的范圍變窄；隨著風(fēng)速增加，工作區(qū)整體氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。當(dāng)管道兩側(cè)高差增大后，氮?dú)鈹U(kuò)散速度也加快，相同時(shí)刻擴(kuò)散范圍變大；且不同高差下工作區(qū)相同位置氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大。

(4)為防止氮?dú)庋h(huán)流動(dòng)，風(fēng)機(jī)應(yīng)置于新鮮風(fēng)流區(qū)，通過(guò)風(fēng)筒將風(fēng)流引入到管道兩側(cè)；同時(shí)當(dāng)風(fēng)筒出口與氮?dú)獬隹趯?duì)齊、距地面0.8 m時(shí)，排出氮?dú)獾男Ч罴选?/p>