李玉星

中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

近年來(lái)，我國(guó)輸油管道泄漏爆炸事故時(shí)有發(fā)生，如2014年大連“6.30”輸油管道泄漏爆燃事故等，引起了全社會(huì)的高度關(guān)注。本文對(duì)油品輸送過(guò)程中可能產(chǎn)生的泄漏爆燃后果進(jìn)行研究，通過(guò)災(zāi)害分析事故模型及數(shù)值模型的建立，模擬原油泄漏后油氣的揮發(fā)、爆燃等過(guò)程，由對(duì)失效后果模型的計(jì)算得到危險(xiǎn)介質(zhì)隨時(shí)間擴(kuò)散的濃度分布、燃燒熱輻射及爆炸沖擊波超壓變化等參數(shù)，據(jù)此確定安全范圍，給新建管道的安全設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)防及控制事故有一定意義。

1  不同原油泄漏揮發(fā)油氣的爆燃特性分析

1.1 油品的揮發(fā)組分

各種原油揮發(fā)的氣體組成并不完全相同，但主要組分是一樣的，并且都有以下共同點(diǎn)[1]：

（1）原油散發(fā)出的基本上是C1-C5烴類(lèi)氣體。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別為甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷。

（2）原油散發(fā)出的氣體組分，大多數(shù)都是有4-5個(gè)碳原子。含有3個(gè)碳原子的相對(duì)較少。含有1個(gè)或2個(gè)碳原子的氣體組分幾乎沒(méi)有。具體原油揮發(fā)氣體組成如表1所示。

由上表可知，每種原油泄漏揮發(fā)的氣體組分雖然一樣，但各揮發(fā)氣的體積分?jǐn)?shù)卻不一樣。由于氣體的爆炸極限和燃燒速率和氣體的組成有關(guān)，這就又會(huì)導(dǎo)致不同油品揮發(fā)氣的爆炸極限和燃燒速率不同，以至于不同原油泄漏后的爆燃后果不同。本文選擇具有代表性的大慶、勝利、大港原油作為研究對(duì)象。

根據(jù)勒夏特列準(zhǔn)則，可燃?xì)怏w混合物的燃燒極限可根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算[2]。

根據(jù)氣體特性手冊(cè)，不同氣體理想當(dāng)量比下的層流燃燒速率如下表2所示[3]。

1.2 三種油品揮發(fā)的質(zhì)量速率計(jì)算

根據(jù)AQT3046標(biāo)準(zhǔn)，管道泄漏可用下列公式計(jì)算，如公式（3）所示[4]。

式中，Q為質(zhì)量流率，kg/s；A為泄漏孔面積，m2；C0 為液體泄漏系數(shù)，一般取1.00；P為管道內(nèi)液體壓力，Pa；ρ為泄漏液體密度，kg/m3；P0為環(huán)境壓力，Pa。

根據(jù)數(shù)據(jù)查詢(xún)得到，大慶原油密度為860kg/m3，勝利原油密度為908kg/m3，大港原油密度為930kg/m3。假設(shè)某輸油管道的運(yùn)行壓力為5Mpa，溫度為25℃。根據(jù)原油沸點(diǎn)餾分收率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用差值法可以得出原油在空氣中不同的揮發(fā)率。根據(jù)API 581RP規(guī)定，選擇40mm為泄漏的孔徑，可求得三種油品在泄漏過(guò)程中可燃?xì)怏w的揮發(fā)質(zhì)量速率，計(jì)算結(jié)果如下表3所示。

2. 輸油管道油氣爆燃數(shù)值模型

進(jìn)行輸油管道泄漏爆燃事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立的幾何模型既要符合輸油管道的現(xiàn)狀，但又不用達(dá)到完全一致，所以建立輸油管道的簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。以穿越某城市的輸油管道為例，進(jìn)行爆燃模擬分析。

2.1 數(shù)值模型

采用有限體積法和SIMPLE算法，通過(guò)建立描述流體特性的質(zhì)量、動(dòng)量、能量以及組分守恒方程，配合邊界條件求解計(jì)算區(qū)域中的超壓、燃燒產(chǎn)物、火焰速度以及燃燒消耗量等變量的值，同時(shí)，湍流和化學(xué)反應(yīng)的影響也包含在方程中：

   對(duì)于湍流條件，使用修正的湍流模型。大氣邊界層采用入口邊界的速度、溫度和湍流參數(shù)的強(qiáng)制斷面進(jìn)行模擬。根據(jù)爆燃事故的正反饋機(jī)理，采用分布式多孔結(jié)構(gòu)思想對(duì)復(fù)雜幾何形狀進(jìn)行描述，并將幾何形狀和流動(dòng)、湍流相結(jié)合。

2.2 網(wǎng)格劃分

為了保證模擬結(jié)果的可靠性以及模擬爆燃事故過(guò)程中壓力波的傳播過(guò)程，模型采用較大的計(jì)算空間。為了較好的適應(yīng)流場(chǎng)變化，對(duì)泄漏口計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行加密，以反映氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的快速變化。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，確定輸油管道爆燃事故模擬的網(wǎng)格模型，如圖2所示。控制體總數(shù)為550800。

圖1 城市輸油管道三維建模

圖2 網(wǎng)格模型圖

3  油氣爆燃模擬結(jié)果及分析

3.1爆炸超壓規(guī)律分析

從不同原油管道爆炸超壓分布圖3可以看出，爆炸在1.2s左右從中心一點(diǎn)開(kāi)始向外爆炸；1.267s時(shí)爆炸沖擊波傳播到附近的建筑物，給附近的人和建筑物帶來(lái)的危害最大。可以看出三種原油泄漏后發(fā)生爆炸的壓力波的傳播規(guī)律是一致的，所不同的是產(chǎn)生的超壓大小和超壓傳播的速度不同，其中大慶原油產(chǎn)生的爆炸超壓最高，在1.232S時(shí)為0.25bar，而遼河和大港原油所產(chǎn)生的爆炸超壓為0.2bar。由圖可以看出，地上壓力最大值可以達(dá)到0.3bar，由圖像可知壓力在不斷的波動(dòng)，而且還會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。這是因?yàn)榈孛嫔嫌薪ㄖ�物的因素，由模型地面中心位置向外爆炸擴(kuò)散，一段時(shí)間后，中心位置的空氣都被爆炸沖擊波帶到建筑物附近，這樣中間地區(qū)就會(huì)出現(xiàn)短暫的負(fù)壓。高壓空氣在遇到建筑物時(shí)，在建筑物附近會(huì)形成短暫的的積聚，不僅會(huì)給建筑物帶來(lái)破壞，同時(shí)高壓空氣還會(huì)反彈回來(lái)，形成了壓力波動(dòng)的曲線(xiàn)。

圖3 不同原油泄漏爆燃事故的超壓分布圖

3.2 爆炸熱輻射規(guī)律分析

從不同原油輸送的管道爆炸溫度分布圖4可以看出，在各個(gè)時(shí)段內(nèi)，溫度隨著時(shí)間推移逐漸升高，傳播的范圍也逐漸增大。在1.255s時(shí)，高溫從中心向外擴(kuò)散；1.388s到1.417s時(shí)高溫向外逐漸擴(kuò)散加大，最后1.58s時(shí)，整個(gè)離中心20m至30m的范圍內(nèi)都是高溫地區(qū)。不同原油管道爆炸溫度分布圖基本一致，從小到大向外擴(kuò)散加大，最后充滿(mǎn)整個(gè)區(qū)域。不過(guò)各時(shí)段的溫度大小不一樣，說(shuō)明不同原油揮發(fā)組分不同，導(dǎo)致爆炸結(jié)果不同。由圖可知，離點(diǎn)火源位置越近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)到上網(wǎng)溫度上升的就越快，離點(diǎn)火源位置越遠(yuǎn)，溫度上升的就越慢。壓力和溫度在不同位置所能達(dá)到的最大值也有差別，離點(diǎn)火源越近的位置，壓力和溫度能達(dá)到的最大值越大。因?yàn)楸�炸是由點(diǎn)火源開(kāi)始向外爆炸擴(kuò)散，所以說(shuō)明越靠近中心位置，危險(xiǎn)等級(jí)越高。

圖4 原油泄漏爆燃事故的溫度分布圖

3.3 爆炸后果分析及安全間距確定

發(fā)生爆炸時(shí)，爆破能量向外釋放時(shí)以沖擊波、碎片和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來(lái)，其中空氣沖擊波占絕大部分，是爆炸的主要危害因素。沖擊波是由壓縮波疊加形成的，是波陣面以突進(jìn)形式在介質(zhì)中傳播的壓縮波。油氣燃燒產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射方式向四周傳播，火焰和熱輻射對(duì)人體的傷害主要體現(xiàn)在水平方向上，可能會(huì)引起人員燒傷甚至死亡，設(shè)備損壞。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，人體能夠承受的高溫極限為116℃。爆炸超壓對(duì)人造成的危害標(biāo)準(zhǔn)如表4所列。

根據(jù)前面得到爆炸超壓規(guī)律，地面上的爆炸超壓最大值會(huì)達(dá)到0.3bar，這將會(huì)導(dǎo)致墻體斷裂，也會(huì)給人的器官帶來(lái)?yè)p傷。設(shè)定壓力低于0.05bar為安全值，那么從爆炸圖像可以看出在50m以?xún)?nèi)所有物體都會(huì)受到不同程度的損害，并且越靠近中心點(diǎn)所受到的傷害就越大，越靠近高大建筑物的附近受到的傷害也越大，因?yàn)楸�炸蒸汽云在遇到阻擋之后�?huì)再次累積。因此輸油管道的建立要遠(yuǎn)離人口密集的地帶，平面距離至少超過(guò)50m以上。

根據(jù)前面得到爆炸溫度圖可知，溫度最高可達(dá)2500K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于116℃，暴露在這樣高溫下的人會(huì)立即死亡。從爆炸溫度的2D圖可以看出，爆炸溫度的安全距離為20m以上。綜合考慮爆炸超壓和爆炸熱輻射的影響，確定管道的安全距離為50m。

4 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)輸送不同組分原油的管道爆炸模擬可以得出，不同油品的爆炸范圍有所不同，但油品泄漏后發(fā)生爆炸給人和建筑物帶來(lái)的后果是非常嚴(yán)重的，因此應(yīng)通過(guò)一定的辦法來(lái)排查隱患，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，降低事故發(fā)生概率，并要完善相應(yīng)的應(yīng)急管理制度。

（2）通過(guò)對(duì)爆燃事故模擬的超壓和熱輻射結(jié)果分析，管道的安全距離為50m。但總的來(lái)說(shuō)管道選址一定要遠(yuǎn)離人員密集場(chǎng)所，其他重要公共建筑物也要遠(yuǎn)離輸油管道建設(shè)，這樣才能保障人群和建筑物的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]項(xiàng)小強(qiáng), 戴聯(lián)雙, 曹濤, 等. 輸油管道泄漏液池的蒸氣云擴(kuò)散模型[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2011,30(05):334-336.

[2] Mashuga C V, Crowl D A. Derivation of Le Chatelier's mixing rule for flammable limits[J]. Process Safety Progress, 2000, 19(2):112–117

[3] 波漢尼什. 有害化學(xué)品安全手冊(cè)[M]. 中國(guó)石化出版社, 2003.

[4] AQT3046—2013化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則[S]. 中國(guó)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局

作者：李玉星，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣水混輸工藝技術(shù)、輸氣管道運(yùn)行模擬仿真技術(shù)、天然氣水合物技術(shù)、音波法泄漏檢測(cè)技術(shù)等方面的研究。

張玉乾，在讀碩士研究生，研究方向油氣管道完整性管理技術(shù)及油氣長(zhǎng)距離管輸技術(shù)。

《管道保護(hù)》2016年第6期（總第31期）