王新  張華兵

中國石油管道科技研究中心/中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣管道輸送國家工程實(shí)驗(yàn)室 

摘要：《油氣管道完整性管理規(guī)范》給出了輸氣管道的潛在影響半徑計(jì)算公式，該公式對計(jì)算過程進(jìn)行了大量簡化和假設(shè)，得出了基于管道管徑與壓力的簡化公式，在輸氣管道高后果區(qū)識別中得到廣泛應(yīng)用。通過對該簡化公式存在的問題進(jìn)行分析，表明簡化公式在泄漏衰減因子、泄漏系數(shù)、熱輻射計(jì)算模型、火災(zāi)熱輻射閾值等方面的取值，都會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與真實(shí)事故影響半徑的偏差。并通過與油氣管道失效后果定量評價(jià)軟件RiskInsight進(jìn)行實(shí)例對比分析，結(jié)果表明：簡化公式計(jì)算的潛在影響半徑結(jié)果偏小，管道管理者仍可以采用該公式進(jìn)行快速計(jì)算，但需要注意該公式的前提假設(shè)。當(dāng)需要更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算結(jié)果時(shí)，應(yīng)該采用專業(yè)軟件。

關(guān)鍵詞：輸氣管道；噴射火；潛在影響半徑；簡化公式；RiskInsight 

輸氣管道一旦泄漏發(fā)生火災(zāi)爆炸，將嚴(yán)重威脅周邊人員的人身安全。輸氣管道事故對周邊人員的影響范圍，即輸氣管道潛在影響半徑的計(jì)算一直是重要的技術(shù)問題，在GB 32167-2015《油氣管道完整性管理規(guī)范》中，給出了基于管徑與壓力的輸氣管道潛在影響半徑計(jì)算公式，即下文中的公式（5）。該公式最早出自加拿大C-FER 技術(shù)公司的研究報(bào)告^[1]，后來寫入了ASME B31.8S標(biāo)準(zhǔn)《輸氣管道系統(tǒng)完整性管理》，國內(nèi)將其采標(biāo)為SY/T 6621而廣為大家所知^[2]。

計(jì)算輸氣管道潛在影響半徑需要考慮諸多因素，計(jì)算過程十分復(fù)雜，需要專業(yè)軟件和專業(yè)技術(shù)人員才能完成，目前較為知名的軟件有荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院（TNO）開發(fā)的Effect軟件和DNV開發(fā)的SAFETI^TM軟件^[3]；國內(nèi)中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院開發(fā)的CASST-QRA軟件^[4]；中國石油管道科技研究中心開發(fā)了油氣管道失效后果定量評價(jià)軟件RiskInsight，也進(jìn)行了大量應(yīng)用，并通過了與真實(shí)管道事故的對比驗(yàn)證^[5]。但為了讓管道管理者快速簡便進(jìn)行計(jì)算，ASME B31.8S對該計(jì)算過程進(jìn)行了大量簡化，并做了很多假設(shè)，得到了輸氣管道潛在影響半徑簡化計(jì)算公式。本文將討論嚴(yán)謹(jǐn)?shù)妮敋夤艿罎撛谟绊懓霃接?jì)算與該簡化公式之間的差異。

1  輸氣管道的潛在影響半徑簡化公式

1.1  簡化公式的主要設(shè)定

計(jì)算輸氣管道潛在影響半徑過程中需要確定幾個(gè)重要問題。

（1）泄漏速率：簡化公式中泄漏速率為輸氣管道破裂時(shí)的泄漏速率，主要由管道管徑和管道壓力確定，泄漏速率采用峰值泄漏速率與泄漏衰減因子的乘積；

（2）熱輻射模型：假設(shè)噴射火焰熱源為一系列位于射流軸線上的點(diǎn)熱源，采用點(diǎn)源模型計(jì)算火災(zāi)熱輻射；

（3）熱輻射閾值：采用15.8 kW/m²，計(jì)算結(jié)果為噴射火造成1%概率死亡的潛在影響半徑。

1.2  計(jì)算氣體泄漏速率

輸氣管道在發(fā)生破裂時(shí)，由于管道內(nèi)壓力的不斷降低，天然氣的泄漏速率隨時(shí)間不斷減小。在計(jì)算噴射火熱輻射影響時(shí)，ASME B31.8S采用管道泄漏過程中的當(dāng)量泄漏速率來表征泄漏速率，當(dāng)量泄漏速率為峰值泄漏速率乘以泄漏速率衰減因子^[3]：

                           （1）

                                                     （2）

式中，當(dāng)量泄漏速率，kg/s；釋放衰減因子；為峰值泄漏速率，kg/s；泄漏系數(shù)；管道直徑，m；管道運(yùn)行壓力，Pa；流動(dòng)因子；氣體聲速，；氣體比熱比，對于甲烷取1.306；為理想氣體常數(shù)J/(kg·mol)/K；為氣體溫度，K；為氣體摩爾質(zhì)量。

1.3  噴射火熱輻射模型

ASME B31.8S在計(jì)算噴射火熱輻射時(shí)采用點(diǎn)源模型，點(diǎn)源模型假設(shè)火焰熱源為一系列位于射流軸線上的點(diǎn)熱源，并保守認(rèn)為總熱輻射通量為每個(gè)點(diǎn)熱源熱輻射通量之和^[6]：

                                 （3）

式中，為熱輻射通量，kW/m²；為燃燒系數(shù)，對于噴射火取0.35；X_g為輻射系數(shù)，取0.2；Q為氣體泄漏質(zhì)量流率，kg/s；H_c為燃燒熱，對于甲烷取50 000 kJ/kg

1.4  熱輻射閾值

ASME B31.8S中潛在影響半徑為人員在噴射火熱輻射影響下1%概率死亡的半徑，所取的熱輻射閾值為15.8  kW/m^2 [7]，代入式（3）可得：

                                          （4）

代入各項(xiàng)參數(shù)，可得潛在影響半徑為：

                               （5）

公式（5）即為目前廣泛使用的簡化公式（以下皆稱簡化公式）。

2  簡化公式的幾個(gè)問題

2.1  泄漏衰減因子的取值

輸氣管道在發(fā)生破裂后，管道內(nèi)壓力不斷降低，天然氣的泄漏速率隨時(shí)間不斷減小，泄漏速率變化趨勢如圖1所示。

 

圖1 管徑710 mm壓力8 MPa的天然氣管道破裂后泄漏速率變化趨勢

如圖1所示，管道泄漏后泄漏速率是隨時(shí)間不斷變化的，在計(jì)算噴射火熱輻射影響時(shí)，簡化公式采用管道泄漏過程中的當(dāng)量泄漏速率來表征泄漏速率。從式3可以看出，潛在影響半徑與當(dāng)量泄漏速率密切相關(guān)，而當(dāng)量泄漏速率很大程度上取決于泄漏速率衰減因子（公式1），因此泄漏衰減因子的取值對潛在影響半徑計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著極大影響。荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院（TNO）對輸氣管道泄漏速率衰減規(guī)律進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為不同管道的泄漏速率衰減因子在0.20-0.50之間^[8]。英國HSE將管道泄漏衰減因子取為0.25^[9]，而簡化公式在計(jì)算潛在影響半徑時(shí)，將泄漏速率衰減因子保守取為0.33^[3]。即簡化公式認(rèn)為峰值泄漏速率降到三分之一時(shí)，泄漏速率趨于穩(wěn)定。然而泄漏速率衰減因子的取值與泄漏點(diǎn)位置、管道直徑、管道泄漏點(diǎn)處的壓力等因素密切有關(guān)^[10]，不同管道泄漏工況的泄漏衰減因子的取值應(yīng)該有所區(qū)別，將泄漏衰減因子統(tǒng)一取值為0.33，會造成不同泄漏工況潛在影響半徑計(jì)算結(jié)果的誤差。

高壓天然氣管道在發(fā)生泄漏時(shí)往往會在很短時(shí)間之內(nèi)引發(fā)噴射火，人員對于火災(zāi)熱輻射的反應(yīng)時(shí)間也往往小于30 s^[11]，因此噴射火熱輻射危害往往發(fā)生在發(fā)生噴射火的初始階段，噴射火的熱輻射危害與管道初始泄漏速率和質(zhì)量密切相關(guān)。為了更準(zhǔn)確的計(jì)算噴射火熱輻射危害，RiskInsight軟件中關(guān)于當(dāng)量泄漏速率的計(jì)算方法，采用荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院紫皮書中的方法，這種方法按照管道泄漏質(zhì)量將管道泄漏過程分為5個(gè)階段，每個(gè)階段的泄漏質(zhì)量M_eff為全部泄漏質(zhì)量M_all的20%，計(jì)算噴射火采用的當(dāng)量泄漏速率Q_eff為第一個(gè)泄漏階段的平均泄漏速率，這種當(dāng)量泄漏速率的計(jì)算方法要更為科學(xué)合理^[12]。圖2為不同管徑時(shí)簡化公式計(jì)算的當(dāng)量泄漏速率與RiskInsight軟件計(jì)算的當(dāng)量泄漏速率比較，從圖中可以看出簡化公式計(jì)算的當(dāng)量泄漏速率要比RiskInsight軟件當(dāng)量泄漏速率小，這樣可能導(dǎo)致簡化公式計(jì)算結(jié)果偏小。

 

 

圖 2  不同管徑下簡化公式與RiskInsight軟件計(jì)算的當(dāng)量泄漏速率比較

2.2   泄漏系數(shù)值的選取

天然氣從管道泄漏孔口或狹縫中向外泄漏的過程中，在泄漏孔口處發(fā)生縮頸現(xiàn)象，即實(shí)際流動(dòng)面積小于泄漏口面積，使得理論流量與實(shí)際流量有差異，因此要引入泄漏系數(shù)予以修正。泄漏系數(shù)值直接影響氣體泄漏速率的計(jì)算。一般而言,泄漏系數(shù)的取值范圍在0.6—1.0之間。按泄漏孔的形狀可分：圓形孔值為1.00；三角孔值為0.95；長形孔值0.90^[13]。一般管道發(fā)生破裂時(shí)，泄漏系數(shù)取值為1.00，而簡化公式取0.62，最終可能使得管道潛在影響半徑的計(jì)算結(jié)果偏小。

2.3  熱輻射計(jì)算模型的選擇

目前，噴射火熱輻射的數(shù)學(xué)計(jì)算模型主要有兩種：點(diǎn)源模型和固體火焰模型（Thornton模型），簡化公式選用點(diǎn)源模型。點(diǎn)源模型假設(shè)火焰熱源為一系列位于射流軸線上的點(diǎn)熱源，并保守認(rèn)為總熱輻射通量為每個(gè)點(diǎn)熱源熱輻射通量之和，模擬計(jì)算噴射火時(shí)過于簡化火焰形狀，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性不高^[14]。而Thornton模型從火焰形狀的角度出發(fā)，假定噴射火形狀為平截頭圓錐形，符合噴射火長度較長的特點(diǎn)，并且該模型經(jīng)過風(fēng)洞和場地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確^[15]。圖3為同樣工況時(shí)固體火焰模型與點(diǎn)源模型熱輻射計(jì)算結(jié)果對比圖，從圖中可以看出點(diǎn)源模型和Thornton模型計(jì)算結(jié)果存在差異，尤其是距離泄漏口較近時(shí)，點(diǎn)源模型的計(jì)算結(jié)果過大，可能導(dǎo)致最終簡化公式的計(jì)算結(jié)果偏大。

 

圖 3  相同工況時(shí)點(diǎn)源模型和固體火焰模型計(jì)算結(jié)果比較

2.4  火災(zāi)熱輻射閾值的選取

簡化公式中潛在影響半徑為人員在噴射火熱輻射影響下1%概率死亡的半徑，所取的熱輻射閾值為15.8 kW/m²。而通常火災(zāi)熱輻射的安全距離（人員基本不受影響，有輕微灼熱感）計(jì)算采用的熱輻射閾值為4 kW/m²，導(dǎo)致人員灼熱死亡半徑熱輻射閾值為37.5 kW/m^2 [16]。因此簡化公式中潛在影響半徑既不是天然氣管道破裂時(shí)的安全距離，也不是死亡半徑，而是一個(gè)中間值。這種情況下，人員暴露會被一定程度燒傷。所以簡化公式計(jì)算的管道潛在影響半徑會比真正的輸氣管道事故人員死亡半徑大，比人員基本不受影響的半徑小。

2.5  爆炸沖擊波影響分析

輸氣管道泄漏后，如果沒有立即被點(diǎn)燃，泄漏天然氣會在空氣中擴(kuò)散，極易與周圍空氣混合形成爆炸性蒸氣云，如果遇到引火源將會爆炸，在輸氣管道泄漏后果分析中，蒸氣云爆炸沖擊波的潛在影響半徑較噴射火要大^[17]，但由于蒸氣云爆炸需要在特定的氣象及地形條件下形成，其發(fā)生概率較噴射火要小，因此一般計(jì)算輸氣管道潛在影響半徑時(shí)，很少考慮蒸氣云爆炸的影響。目前應(yīng)用較多的蒸氣云爆炸潛在影響半徑預(yù)測模型包括TNT當(dāng)量模型、TNO多能法、Baker-Strehlow模型等^[18-20]，但以上模型所需參數(shù)較多，計(jì)算過程較為復(fù)雜，目前并沒有簡化模型來計(jì)算蒸氣云爆炸潛在影響半徑，只能依賴專業(yè)軟件完成計(jì)算。ASME B31.8S中的簡化公式也只針對噴射火計(jì)算潛在影響半徑，并沒有考慮蒸氣云爆炸沖擊波的影響。

3  實(shí)例對比分析

應(yīng)用油氣管道失效后果定量評價(jià)軟件RiskInsight對某輸氣管道破裂后發(fā)生噴射火及蒸氣云爆炸的影響半徑進(jìn)行計(jì)算，并與ASME B31.8S簡化公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比（見表 1、2）。

該管道管徑為1 016 mm，運(yùn)行壓力為8 MPa，壁厚為12 mm，本次模擬泄漏點(diǎn)距離上游閥室9.1 km，距離下游閥室6.7 km，模擬管段長度約為17.35 km。選取風(fēng)速2.6 m/s，大氣穩(wěn)定度D，作為氣象條件計(jì)算參數(shù)，模擬工況為管道發(fā)生破裂時(shí)的火災(zāi)爆炸潛在影響半徑。

 

表1  管道破裂時(shí)火災(zāi)熱輻射潛在影響半徑

 

表 2   管道破裂時(shí)蒸氣云爆炸沖擊波潛在影響半徑

 

對比結(jié)果顯示：ASME B31.8S簡化公式只能計(jì)算輸氣管道發(fā)生破裂時(shí)人員1%概率死亡的潛在影響半徑，且其計(jì)算結(jié)果較RiskInsight軟件小。同時(shí)通過RiskInsight軟件對管道破裂后的蒸氣云爆炸沖擊波潛在影響半徑進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)蒸氣云爆炸沖擊波的潛在影響半徑要比噴射火熱輻射大。所以在確定輸氣管道安全距離時(shí)，還需要根據(jù)周邊氣象及地形條件，一旦有可能形成蒸氣云爆炸，需要考慮其可能對周邊人員的影響。

4  結(jié)論

綜合上述分析，GB 32167-2015《油氣管道完整性管理規(guī)范》中給出的輸氣管道潛在影響半徑的計(jì)算公式是進(jìn)行了大量簡化的，在泄漏衰減因子、泄漏系數(shù)、熱輻射計(jì)算模型、火災(zāi)熱輻射閾值等方面的取值，都會導(dǎo)致與真實(shí)事故影響半徑的偏差。管道管理者仍可以采用該公式進(jìn)行快速的計(jì)算管道潛在影響半徑，但需要注意該公式的前提假設(shè)，計(jì)算結(jié)果只能作為初步的估算結(jié)果，并保守使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]STEPHENS M J，LEEWIK，MOOREDK. A model for sizing high consequence areas associated with natural gas pipelines[C]. Alberta：The 4^thInternational Pipelines Conference，2002：759-767.

[2] American Society of Mechanical Engineers. Managing System Integrity of Gas Pipelines: ASME B31.8S-2012 [S]. New York：ASME B 31Committee，2012.

[3] 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院．石化裝置定量風(fēng)險(xiǎn)評估指南[M]．北京：中國石化出版社，2007：56-98．

 [4] 賈偉，朱建新，高增梁，等. 區(qū)域定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法及其在化工園區(qū)中的運(yùn)用[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19（5）：140-146.

[5] 王新，張華兵. 油氣管道失效后果定量評價(jià)軟件研發(fā)[J]. 煤氣與熱力，2017.

[6] 谷志宇，董紹華，牛景弘，等．天然氣管道泄漏后果影響區(qū)域的計(jì)算[J]．油氣儲運(yùn)，2013，32（1）：

[7]Bilo M, Kinsman P R. Thermal radiation criteria used in pipeline riskassessment[J]. Pipes & pipelines international，1997， 42（6）：17-25.

[8] TNO. Safety study on the transportationof natural gas and LPG byUnderground Pipeline in the Netherlands [R]. Netherlands organization for Applied Scientific Reserch，1982.

[9] Hill R T，Catmur J R. Risks from hazardous pipelines in the United Kingdom[R]. HSE CONTRACT RESEARCH REPORT，1994.

[10]Dong Y H，Gao H L，Zhou J E. Mathematical modeling of gas release through holes in pipelines[J]. Chemical Engineering Journal，2003（92）：237–241.

[11]何沫，廖柯熹. 輸氣管道潛在影響區(qū)模型關(guān)鍵參數(shù)取值討論[J]. 當(dāng)代化工，2015，44（3）：608-611.

[12] AdvisoryCouncilon Dangerous Substances.Guidelines for quantitativeriskassessment(Purple Book)[M].The Netherlands，2005.

[13] 霍春勇，董玉華，余大濤，等. 長輸管線氣體泄漏率的計(jì)算方法研究[J]. 石油學(xué)報(bào)，2004，25(1)：101-105.

[14] 劉俊娥. 城市燃?xì)夤艿绹娚浠鹗鹿屎蠊�分析[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，24（4）：53-56.

[15] 王兆芹，馮文興，程五一. 高壓輸氣管道噴射火幾何尺寸和危險(xiǎn)半徑的研究[J].安全與環(huán)境工程，2009，16（5）：108-110.

[16] American  Petroleum  Institute. Risk based Inspection Technology：API 581-2008[S]. Washington：American Petroleum Institute，2008．

[17] 王小完，馬驥，駱正山．基于天然氣管線泄漏蒸汽云爆炸危害分析[J]．災(zāi)害學(xué)，2013，28（3）：16-19．

[18] 張網(wǎng)，呂東，王婕. 蒸氣云爆炸后果預(yù)測模型的比較研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（4）：48-52.

[19] Center for Chemical Process Safety. Guidelines for ConsequenceAnalysis of ChemicalReleases [M]. American Institute of Chemical Engineers，New York：1999.

[20] 張華兵．基于失效庫的在役天然氣長輸管道定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)研究[D]．北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2013：53-62．

 

作者：王新， 1984年生，畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安全工程及技術(shù)專業(yè)，碩士，工程師，目前在中國石油管道科技研究中心從事管道風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)相關(guān)工作。

 

《管道保護(hù)》2017年第5期（總第36期）