李玉星

中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院

近年來，我國輸油管道泄漏爆炸事故時有發(fā)生，如2014年大連“6.30”輸油管道泄漏爆燃事故等，引起了全社會的高度關(guān)注。本文對油品輸送過程中可能產(chǎn)生的泄漏爆燃后果進行研究，通過災(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)、爆燃等過程，由對失效后果模型的計算得到危險介質(zhì)隨時間擴散的濃度分布、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)計提供參考數(shù)據(jù)，對預(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[1]：

（1）原油散發(fā)出的基本上是C1-C5烴類氣體。根據(jù)實驗結(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個碳原子。含有3個碳原子的相對較少。含有1個或2個碳原子的氣體組分幾乎沒有。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)氣的體積分數(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象。

根據(jù)勒夏特列準則，可燃氣體混合物的燃燒極限可根據(jù)下列公式進行計算[2]。

根據(jù)氣體特性手冊，不同氣體理想當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)量速率計算

根據(jù)AQT3046標準，管道泄漏可用下列公式計算，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)某輸油管道的運行壓力為5Mpa，溫度為25℃。根據(jù)原油沸點餾分收率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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程中可燃氣體的揮發(fā)質(zhì)量速率，計算結(jié)果如下表3所示。

2. 輸油管道油氣爆燃數(shù)值模型

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

2.1 數(shù)值模型

采用有限體積法和SIMPLE算法，通過建立描述流體特性的質(zhì)量、動量、能量以及組分守恒方程，配合邊界條件求解計算區(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，湍流和化學(xué)反應(yīng)的影響也包含在方程中：

   對于湍流條件，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)的強制斷面進行模擬。根據(jù)爆燃事故的正反饋機理，采用分布式多孔結(jié)構(gòu)思想對復(fù)雜幾何形狀進行描述，并將幾何形狀和流動、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程中壓力波的傳播過程，模型采用較大的計算空間。為了較好的適應(yīng)流場變化，對泄漏口計算網(wǎng)格進行加密，以反映氣體運動狀態(tài)的快速變化。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，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左右從中心一點開始向外爆炸；1.267s時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到0.3bar，由圖像可知壓力在不斷的波動，而且還會出現(xiàn)負壓。這是因為地面上有建筑物的因素，由模型地面中心位置向外爆炸擴散，一段時間后，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)就會出現(xiàn)短暫的負壓。高壓空氣在遇到建筑物時，在建筑物附近會形成短暫的的積聚，不僅會給建筑物帶來破壞，同時高壓空氣還會反彈回來，形成了壓力波動的曲線。

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，在各個時段內(nèi)，溫度隨著時間推移逐漸升高，傳播的范圍也逐漸增大。在1.255s時，高溫從中心向外擴散；1.388s到1.417s時高溫向外逐漸擴散加大，最后1.58s時，整個離中心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，從小到大向外擴散加大，最后充滿整個區(qū)域。不過各時段的溫度大小不一樣，說明不同原油揮發(fā)組分不同，導(dǎo)致爆炸結(jié)果不同。由圖可知，離點火源位置越近的監(jiān)測點，檢測到上網(wǎng)溫度上升的就越快，離點火源位置越遠，溫度上升的就越慢。壓力和溫度在不同位置所能達到的最大值也有差別，離點火源越近的位置，壓力和溫度能達到的最大值越大。因為爆炸是由點火源開始向外爆炸擴散，所以說明越靠近中心位置，危險等級越高。

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，爆破能量向外釋放時以沖擊波、碎片和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來，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)、對流和輻射方式向四周傳播，火焰和熱輻射對人體的傷害主要體現(xiàn)在水平方向上，可能會引起人員燒傷甚至死亡，設(shè)備損壞。實驗數(shù)據(jù)證明，人體能夠承受的高溫極限為116℃。爆炸超壓對人造成的危害標準如表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達到0.3bar，這將會導(dǎo)致墻體斷裂，也會給人的器官帶來損傷。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以內(nèi)所有物體都會受到不同程度的損害，并且越靠近中心點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，因為爆炸蒸汽云在遇到阻擋之后會再次累積。因此輸油管道的建立要遠離人口密集的地帶，平面距離至少超過50m以上。

根據(jù)前面得到爆炸溫度圖可知，溫度最高可達2500K，遠遠大于116℃，暴露在這樣高溫下的人會立即死亡。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的后果是非常嚴重的，因此應(yīng)通過一定的辦法來排查隱患，進行風(fēng)險控制，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）通過對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。但總的來說管道選址一定要遠離人員密集場所，其他重要公共建筑物也要遠離輸油管道建設(shè)，這樣才能保障人群和建筑物的安全。

參考文獻：

[1]項小強, 戴聯(lián)雙, 曹濤, 等. 輸油管道泄漏液池的蒸氣云擴散模型[J]. 油氣儲運, 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[M]. 中國石化出版社, 2003.

[4] AQT3046—2013化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則[S]. 中國安全生產(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)、輸氣管道運行模擬仿真技術(shù)、天然氣水合物技術(shù)、音波法泄漏檢測技術(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)及油氣長距離管輸技術(shù)。

《管道保護》2016年第6期（總第31期）