基于管道爆炸數值模擬的架空天然氣管道并行間距研究

王德國

(中國石油大學機械與儲運工程學院,北京 102249）

基于管道爆炸數值模擬的架空天然氣管道并行間距研究

王德國

(中國石油大學機械與儲運工程學院,北京 102249）

從天然氣管道失效泄漏引發爆炸現象出發,通過理論分析建立架空管道泄露模型,應用Matlab計算出管道泄露總量中參與爆炸的體積,通過TNT當量法將體積值轉化為管道爆炸模型的初始當量。利用Autodyn軟件建立管道爆炸物理模型,計算不同并行間距下管道受并行管線爆炸沖擊超壓及變形量。依據管道橢圓應變準則評定不同并行間距下管道受沖擊變形風險。結果表明：架空管線受并行天然氣管線爆炸沖擊產生的變形破壞為超壓破壞和沖量破壞兩種形式。架空管道大變形位置為正對爆炸源最近點和背對爆炸源最遠點。架空天然氣管道安全并行間距：一級和二級風險距離分別為0～2和2～5 m,三級風險距離為5 m以上。將數值模擬結果與理論計算結果對比,驗證了該數值計算方法的可行性。

并行管道;TNT當量法;管道爆炸;并行間距

影響管線并行敷設間距的因素包括：管道失效、熱傳導效應、帶壓封堵空間、管道施工與維護[1-2]。對并行間距起決定作用的為管道破裂失效因素,其主要作用形式為：管線泄漏氣體受明火引燃發生爆炸對管線產生沖擊破壞[3]。目前的國外設計規范僅從管道腐蝕、同溝敷設、交叉敷設、施工間距和陰極保護等方面規范并行管線敷設間距,并未考慮管道失效泄漏對并行管線的破壞影響。由中國石油天然氣股份有限公司天然氣與管道分公司編制的《油氣管道并行敷設設計規定》[4]在國內管道工程建設標準基礎上,加入管道失效、熱傳導效應等影響因素。但該規定只適用于明管敷設并行管線,未考慮架空管線和埋地管線這兩種敷設狀況,且其失效模型為彈坑模型,與實際爆炸模型存在一定差別[5-6]。筆者采用Autodyn軟件對管道泄漏爆炸模型進行數值模擬計算,定量分析不同并行敷設間距下天然氣管道受爆炸沖擊所產生的變形與失效,確定地上天然氣并行管線敷設的安全間距。

1 泄漏擴散模型及TNT當量計算

1.1 管道泄漏模型

天然氣管道泄漏分為孔口泄漏和裂縫泄漏兩種[7],并以孔口泄漏為主。孔口泄漏可看作可壓縮氣體孔口流出過程,基本模型為圓孔口泄漏。天然氣按理想氣體考慮,小孔(孔口）泄漏過程視為絕熱過程,結合伯努利方程和絕熱方程可得出泄漏速度為

實際泄漏過程中必須考慮局部摩擦阻力損失,因此添加孔口流速系數φ對理論計算值進行修正。則式(1）和式(2）修正為

式中,φ為流速系數,表示實際流速與理論流速之比,由于實際泄漏速度小于理論計算值,一般取0.97～0. 98;k為絕熱指數,天然氣取k=1.3,R= 8.314 J/(mol·K）為氣體常數;p1為氣體泄漏前壓力;A為泄漏孔面積;M為氣體分子量,天然氣取0.016 kg/mol;CD為流量系數,在這里遵循最危險原則,取CD=1. 0;γ為泄漏速度系數。

1.2 氣體擴散模型

可燃氣云發生氣相爆轟的比率不高于總體積的5%,且天然氣的爆炸下限濃度為5.3%,要計算輸氣管道泄漏產生的爆炸總沖量,首先須確認泄漏擴散濃度大于5.3%的天然氣分布情況。

常用氣體擴散模型包括高斯模型、BM模型[8]、Sutton模型和FEM3模型[9]等,考慮到輸氣管道泄漏狀況,采用高斯煙羽模型進行分析。

高斯煙羽模型的濃度分布為

式中,C為下風方向x、橫向y、距地面高度z處的泄漏氣體濃度;H為泄漏源有效高度;u為源高H處的平均風速;Q′為源的體積流量,m3/s;σy、σz分別為水平、垂直方向擴散系數。

1.3 Matlab模擬泄漏擴散過程

聯立式(4）和式(6）并進行對數化轉換,管道氣體泄漏擴散模型為

泄漏量Q′的表達式由式(4）確定。

結合陜京二線輸氣管道運行參數,取CD=1,p1=6 MPa,φ=0.98。泄漏孔一般為長條狀,長度為管道內徑的20%～100%,這里取50%,陜京二線主管線均采用X80管線鋼材料,外直徑1 219 mm,內直徑1175 mm,取泄漏孔面積A=6 mm2,整理簡化得：

取風速u=2 m/s,Q′=8.312 5 m3/s,泄漏方向為水平x軸方向,經擬合后的泄漏模型見圖1。

圖1 水平方向管道泄漏擴散模型Fig.1 Horizontal pipeline leakage diffusion model

不同管道內壓時天然氣泄漏擴散數據見表1。

表1 不同管道內壓天然氣泄漏擴散數據Table 1 Natural gas concentration diffusion data over different internal pressure

1.4 TNT當量法

TNT當量法原理是把氣云爆炸的破壞作用轉化成TNT爆炸的破壞作用,從而把蒸氣云的量轉化成TNT當量。TNT當量法關鍵模型：

式中,WTNT、Wf分別為蒸氣云的TNT當量、燃料總質量,kg;Qf、QTNT分別為蒸氣的燃燒熱與TNT的爆炸熱。

以內壓p=6 MPa為基本模型,其濃度達到爆炸最低濃度5.3%的總擴散體積為1 203.16 m3,天然氣密度0.717 kg/m3,則天然氣爆炸總質量為862.67 kg。遵循最危險原則,取爆源釋放率為5%,即天然氣真實爆炸質量為Wf=862.67×5%=43.13 kg。根據TNT當量法,取天然氣燃燒熱值Qf=54 MJ/kg,得泄漏天然氣TNT當量值WTNT=20.70 kg。

2 爆炸控制方程及數值模擬

2.1 控制方程

通過TNT當量法計算出泄漏天然氣TNT當量值WTNT=20.70 kg。已知TNT密度為1.63×103kg/ m3,則TNT球半徑為144.76 mm。

TNT爆轟速度為6.930 km/s,C-J壓力為21 GPa,爆轟產物狀態方程采用JWL方程[10],該狀態方程可以用來計算爆炸中由化學能轉化成的壓力。其壓力和能量的關系可確定為

式中,V′為炸藥相對體積;e=4.29 MJ/kg為炸藥初始比內能;C1、C2、r1、r2和w為材料常數。

炸藥TNT的材料參數可以假定為：C1=373.77 GPa,r1=4.15,C2=3.7471 GPa,r2=0.9,w=0.35。

數值計算中,初始溫度T=300 K,空氣的材料模型假設為理想氣體EOS Ideal Gas模型,其Ideal Gas狀態方程為

式中,R為理想氣體常數;ρ為空氣密度。

其壓力p和能量E的關系可確定為

取空氣密度ρ=1.225 kg/m3,絕熱指數k=1.4,為保證周圍環境空氣為一個標準大氣壓(101.332 kPa）,將空氣的初始內能設為E=206.8 J/mm3。

2.2 物理模型

利用Ansys Workbench建立Pipeline-Solid和GAS-Fluid模型,材料選取修正的STEEL4340,管道網格劃分單元大小為80,用GAS模型網格進行局部劃分。通過Explicit Dynamics模塊導入Autodyn軟件,加入空氣和TNT材料,建立Space的Euler-FCT模型。物理模型示意圖和變形探測點見圖2、3。其中兩管道中心間距S2分別設置為2、3、4、5、6、7 m。架空天然氣管道周圍無障礙物,將IdeaGas未與TNT球直接接觸表面的四個邊界均設置成Flow out模式,以保證能量的流動特性。管道內壁內壓為6 MPa,管道z=0端軸向位移vz=0 m/s。

圖2 物理模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of physical model

圖3 探測點分布圖Fig.3 Gauge points distribution

3 結果分析

3.1 數值模擬結果

以并行間距3 m系列為例,通過對整體管道受爆炸沖擊的變形量進行分析確定最大變形位置。并以此位置的探測點為基本點,整體分析全部并行間距系列的最大變形量,進而確定不同并行間距下管道受沖擊破壞程度。

因為管道在z軸方向呈vz=0 m/s固定形式,這里只觀測x軸、y軸兩個方向探測點的位移變化量。各系列探測點的位移隨時間變化的最值見圖4。其對應的沖擊超壓最值曲線見圖5。

圖4 探測點位移最大值Fig.4 The maximum displacement of gauge points

圖5 管道圓周方向所受實際沖擊超壓曲線Fig.5 Actual explosion overpressure curves of pipe direction circumference

探測點1～5系列為管道正對爆炸源位置,所受爆炸沖壓最大,正壓達26.8 MPa,亦是管道最大變形位置,這是由沖擊波傳播過程中的正反射規律所致。另外由于沖擊波存在環流作用,波陣面繞過管道頂部和底部向后傳遞時,管道正對爆炸源位置形成真空,負壓達45.5 MPa。管道背面與爆炸源處在同一水平面上的位置,即探測點21～25系列,其所受正負超壓接近1～5系列,亦是由沖擊波環流作用造成的。

對并行間距3 m系列管道受爆炸沖擊的超壓和變形量進行分析。結合沖擊波對管道破壞規律,選定探測點1～5和21～25系列為基本探測點,對不同并行間距上基本探測點的位移、速度和所受超壓進行管道變形分析。不同并行間距下沖擊超壓最值曲線見圖6,探測點1、21的位移最大值見圖7。

圖6 不同并行間距下實際沖擊超壓Fig.6 Actual explosion overpressure at different parallel distance

圖7 不同并行間距下探測點1和21位移最大值Fig.7 The maximum displacements of gauge points 1 and 21 at different parallel distance

管道正對爆炸源部位的變形量隨著并行間距的增加逐漸降低,最大變形值在2 m間距系列達33.7 mm。自并行間距3 m系列開始,管道變形量大幅降低至15 mm,之后隨著并行間距的增加,其管道變形量保持在12～15 mm。其變形特點為：并行間距在2～3 m時,管道受沖擊產生的破壞形式同時包括超壓破壞和沖量破壞,超壓破壞造成管道的大幅變形,即超壓破壞起主導地位;并行間距在3～4 m時,變形時間長,說明其變形受超壓破壞和沖量破壞同時作用。管道爆炸對并行管線的沖擊效應大幅降低,沖擊波超壓開始向四周均勻擴散,無法對管道形成集中超壓破壞,管道所受沖量破壞略大于超壓破壞;并行間距大于4 m后,管道受管線爆炸產生的變形主要由爆轟波超壓破壞所致,后續的沖量破壞對管道變形不起決定性作用。

3.2 超壓理論計算公式

氣體爆炸產生的沖擊波在前進過程中遇到管壁會發生正反射、斜反射、疊加和環流等現象,其超壓峰值遠大于自由場的壓力,破壞效應明顯。計算表明,當強入射沖擊波在剛性壁面上發生反射時,僅正反射波陣面上的壓力即可達到入射沖擊波陣面壓力的8倍[11]。

以并行間距2 m為例,采用Henrych經驗公式計算沖擊波峰超壓。因實際沖擊波傳播間距須減去管道半徑,即1.39 m,則爆炸特征長度z=0.506,代入式(17）得沖擊超壓Δp=2.689 MPa。因沖擊波存在正反射、斜反射和疊加等現象,實際沖擊超壓取保守估計：Δp′=9Δp=24.68 MPa。由圖6可得,并行間距2 m時探測點1～5系列數值計算所得超壓為25.6 MPa,該值與探測點所受正超壓均值誤差為

并行間距2 m時模擬值與理論值十分吻合,誤差在5%以內,說明利用Autodyn模擬管道爆炸沖擊過程是可行的,數值結果具有較高置信度。

3.3 管道受沖擊失效風險評價

由于管道背部最大變形量小于正面變形量,以管道正面變形量為參考值,判斷管道變形的風險。采用管道應變設計準則分析管道受沖擊的失效風險。

基于應變的管道橢圓化設計準則[13]為

式中,Δθ為無量綱橢圓度;Dmax、Dmin分別為管道外徑最大值和管道內徑最小值;Δθcrit為臨界無量綱橢圓度,這里取Δθcrit=3%。

將各并行間距系列的管道變形量代入式(17）,當并行間距分別為2、3、4、5、6、7 m時,其橢圓度分別為5.52%、2.50%、2.35%、2.18%、2.46%和2.44%。

只有在并行間距為2 m時,管道變形超出橢圓極限;并行間距不小于3 m時,管道變形程度未超出橢圓極限。但考慮到爆炸后管道的后燃燒效應及并行間距小于5 m時管道所受沖擊破壞以沖量破壞為主,管道依然存在運行風險。并行間距大于等于5 m時,管道受爆炸沖擊后存在超壓破壞風險,但變形量未超出應變極限規定,運行風險低。

4 結 論

(1）架空管線受并行天然氣管線爆炸沖擊產生的變形破壞為超壓破壞和沖量破壞兩種形式。

(2）驗證了數值計算方法的可行性,其結果有較高置信度。

(3）架空管道大變形位置為正對爆炸源最近點和背對爆炸源最遠點。其變形原因在t=20 ms之前以超壓破壞為主;20 ms之后,若并行間距小于等于4 m,大變形仍受沖量破壞影響;若并行間距大于4 m,可忽略沖量破壞對管道的變形作用。

(4）并行安全間距分為：一級風險距離為0～2 m,此并行距離內管道極易發生大變形破壞。若管道敷設環境苛刻,對于V形溝等狹長地帶,至少須保證2 m的并行間距;二級風險距離為2～5 m,該并行間距下管道受爆炸沖擊產生的破壞風險較低,但考慮到后燃燒效應,盡量避免將并行間距設置在此范圍;三級風險距離為5 m以上,在此并行間距下管線爆炸基本不會對并行管線產生破壞效應。

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(編輯 沈玉英）

Safe distance of overhead parallel pipeline calculated by numerical simulation of gas pipeline explosion

WANG De-guo
(College of Mechanical and Transportation Engineering in China University of Petroleum,Beijing 102249,China）

Based on the explosion phenomenon caused by natural gas pipeline failure,leakage model of overhead pipeline was established by theoretical analysis method.The volume of gas participating in the blast was calculated by Matlab software,and the initial volume values of pipe explosion model couod be converted to equivalent by TNT equivalent method.In addition,pipe explosion physical model was established by Autodyn software,and the explosion overpressure and deformation impacted on the parallel pipeline were calculated over different parallel pipeline spacing.According to the pipe ellipse strain criterion,the impact deformation risk was assessed over different parallel pipeline spacing.The results show that the deformation failures of overhead lines are the overpressure and impulse damage failures in two forms.The deformation position of overhead pipeline is the nearest point facing explosive source and the farthest point back to explosive source.The safe overhead parallel spacings are obtained.The spacing less than 2 m is the first risk distance,the secondary risk distance is spacing from 2 m to 5 m,and the third risk distance is spacing more than 5 m.The comparison between the numerical simulation results and the theoretical calculation results verifies the feasibility of the numerical method.

parallel pipeline;TNT equivalent method;pipeline explosion;parallel spacing

TE 973;TE 88

A

1673-5005(2013）05-0175-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.05.025

2013-06-18

國家科技支撐計劃課題(2011BAK06B01）;質檢公益性行業科研專項(201010025）

王德國(1962-）,男,教授,博士生導師,從事機械工程的教學與科研工作。E-mail：wdg@cup.edu.cn。