輸油管道泄漏燃爆對鄰近橋墩安全風險響應研究

王騰

輸油輸氣管道事故具有重大危險性，事故頻發給鄰近建筑物的安全風險管理提出了挑戰。文章依托湖南省某高速公路上跨輸油管道工程，分析了輸油管道運營事故對鄰近橋墩帶來的安全風險，并采用LS-DYNA有限元軟件對泄漏燃爆進行數值模擬，提出通過設置減震帶、集油槽、減少擾動、加強監測等方式進行風險響應，為類似交叉工程的安全問題處理提供參考。

安全風險;輸油管道;泄漏;燃爆;安全防護

文獻標識碼：U442.5+5-A-21-066-4

0 引言

目前我國“十四五”規劃編制工作正在開展，高速公路已形成橫跨東西、縱貫南北、覆蓋全國的格局;同時，政府大力支持城市管網的建設，通過電力、電訊、燃氣、輸油管道給全國各地輸送資源，從而存在路網與管線縱橫交錯、高速路網走廊帶與管線相互交叉的現象，易導致管道事故，如青島“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸[1]、貴州天然氣輸氣管道泄漏燃爆等。據統計，我國油氣管道事故率平均為3次/1 000 km，遠高于國外的油氣管道事故率[2]，解決路網與管線之間的交叉安全問題已迫在眉睫。本文結合湖南省某高速公路，分析既有輸油管道泄漏燃爆對鄰近高速橋墩造成的安全風險，為類似工程的安全風險分析提供參考。

1 工程概況

湖南省某高速公路立體交叉上跨三條既有輸油管線，分別為航空煤油長輸管道（①號，管徑159 mm）、中石油蘭鄭長成品油管道（②號，管徑300 mm）、航油長輸油管線改造項目管道（③號，管徑323.9 mm）。

橋梁跨徑布置為（30+30+35）m+（35+35+30）m，①號、②號管線位于2#墩與3#墩之間，③號管線位于3#墩與4#墩之間。橋墩樁基邊緣距管線最小距離為5.5 m，路線與三條管道的交角依次為73°、77°、81°。橋下被交道為規劃一級公路，路基寬58 m，其中第一聯35 m跨越三條輸油管道、第二聯兩跨35 m跨越規劃市政道路。橋梁上部構造為現澆箱梁，下部構造采用柱式臺配樁基礎和柱式墩配樁基礎。在橋梁左右幅中間紅線范圍內設置5.5 m寬便道，便道從輸油管線上通過。

2 安全防護設計

根據交公路發〔2015〕36號文，新建公路與既有油氣管道交叉時，可采用橋梁方式跨越管道通過，交叉角度≥15°，油氣管道與兩側橋墩（臺）的水平凈距應≥5 m，對埋地管道可采用鋼筋混凝土蓋板等保護措施。

以管道為中心，沿管道頂部地面上設置鋼筋混凝土蓋板和保護涵，確保施工時期管道安全。防護蓋板沿輸油管道方向布置，寬3 m、防護長度為16 m;保管涵沿輸油管道方向布置，寬3 m、防護長度為5.5 m，布設范圍為下落步塘分離式立體交叉橋紅線內及施工臨時便道。施工期間，在管道兩側5m處設置警戒線，禁止機械設備對管道附近土體進行碾壓。

2.1 橋梁下方鋼筋混凝土蓋板防護

鋼筋混凝土蓋板長度為橋梁施工紅線范圍，需保護管道的長度為16 m。蓋板采用整體澆筑，設置在管道頂部地面，首先采用10 cm厚碎石墊層進行基底處理，然后頂部澆筑15 cm C30鋼筋混凝土蓋板。

2.2 便道管道蓋板保護涵防護

為保證便道能夠通過該管線且不對其造成損壞，計劃在該管線上設置鋼筋混凝土蓋板保護涵，保證對管線左右兩側1.5 m范圍內無重壓力。此鋼筋混凝土蓋板保護涵跨徑為3.1 m，凈高分別為2.5 m、1.36 m，長5.5 m;涵洞基礎為C25混凝土，分離式基礎，基底承載力要求≥0.3 MPa;基底換填采用回填土，涵頂填土厚度為3.19 m。鋼筋混凝土蓋板保護涵兩側填土壓實，并設置限速標志。①號保護涵與②號保護涵的距離為5.53 m，②號保護涵與③保護涵的距離為38.21 m。

3 泄漏燃爆分析

3.1 泄漏量計算

本工程跨越的石油管道為壓力管道，管道設計壓力最大值為7.0 MPa，管道直徑最大值為324 mm，管道輸送介質為成品油（汽油、煤油）。

液體泄漏定量分析是以易發生泄漏的設備為研究對象，對可能發生的事故類型、事故的嚴重程度進行泄漏后果分析。

（1）泄漏模型（考慮最不利的情況）

泄漏介質：汽油。

泄漏壓力：7.0 MPa。

泄漏孔徑（直徑）D=324 mm。

泄漏時間：在實際生產過程中，由于采取壓力、流量檢測與控制等措施，加之作業現場有人員巡視，在計算泄漏量時，泄漏持續時間分別按瞬時泄漏30 s、連續性液態泄漏10 min考慮。

（2）泄漏速度的確定

根據液體泄漏速度可用流體力學的伯努利方程計算，其泄漏速度為：

Q0=Cd×A×ρ×[2（P-P0）/ρ+2gh]1/2（1）

式中：Q0——液體泄漏速度（kg/s）;

Cd——液體泄漏系數，一般取0.60～0.64（取0.62）;

A——裂口面積（m2），裂口取管徑的20%，裂口面積A=0.2×（Π/4）×D2=0.2×（3.14/4）×0.3242≈0.016 5 m2;

ρ——泄漏液體密度（kg/m3），汽油密度一般在0.79 kg/L;

P——管道內介質壓力（Pa）;

P0——環境壓力，Pa（與管道壓力相比，忽略不計）;

g——重力加速度，9.8 m/s2;

h——裂口之上液體高度（m），在此h的值取為0。

經計算可知：

Q0=0.62×0.016 5×0.79×（2×6.3×103/0.79+2×9.8）1/2kg/s=1.02 kg/s。

（3）泄漏計算結果

當管道發生瞬間泄漏30 s，泄漏量為30.63 kg;如果發生連續泄漏10 min，泄漏量達到612 kg，會在地面大范圍流淌并擴散，對環境造成污染，若遇火源，可引起燃燒爆炸，后果較嚴重。因此在管道輸送過程中安排有關人員現場值守，發現泄漏及時關閉閥門、停止作業，能有效地防止大規模漏油事件的發生。由于油管埋深為0.8～1.2 m，受人為破壞及管道發生裂口（20%管徑）泄漏的可能性較低。致險因素一般為管道破裂斷損、管道裸露在外、油物大量露出并遇明火等，管道燃油燃爆風險嚴重性較高。

3.2 燃爆后果分析

輸油管道燃爆場可以看成球形對稱，采用球形坐標形式，描述球形燃爆理論模型為：

ρt+1r2 （ρμr2）r=0（2）

（ρμ）t+1r2 （ρμr2）r=-pr+1r2 rμr2ur（3）

（ρT）t+1r2 （ρμTr2）r=1r2 rλr2Cp Tr+Rfuq（4）

（ρYfu）t+1r2 （ρμYfur2）r=1r2 rλr2Cp Yfur+Rfu（5）

式中：P——壓力（Pa）;

ρ——密度（kg/m3）;

μ——速度（m/s）;

T——絕對溫度（K）;

Yfu——燃料質量分數;

u——動力黏度（Pa·s）;

λ——導熱系數[W/（m2·k）];

D——擴散系數（m2/s）;

Rfu——反應速率;

q——燃燒熱（kJ/mol）。

不考慮3根輸油管同時燃爆，僅考慮3號輸油管道燃爆對4#橋墩（距離最近）的安全性影響。橋墩參數：墩高為8.286 m，墩徑為160 cm，樁長為29 m，樁徑為180 cm。燃油管道參數：航油長輸油管線改造項目管道，線路水平長約37.67 km，管徑D為323.9 mm，設計壓力為6.3 MPa，線路用鋼管材質L290，埋深按1.0 m計。采用LS-DYNA有限元軟件進行計算，其數值模擬模型如圖1所示。材料參數見表1。

為具體分析燃爆對橋墩的影響，在橋樁墩上設置監測點，如圖4所示。

經計算，各監測點應力時程如圖5～6所示。

由圖5與圖6可知有效應力最大值為13.411 MPa，第一主應力最大值為2.936 5 MPa，均為E點（474340單元），即經爆破應力波的傳播與反射，在樁墩交界面靠近油管處達到最大值。該處橋梁樁基混凝土橋墩為C30，墩柱混凝土為C40，因此在發生燃爆事故時，橋梁樁墩受壓受拉性能是安全可控的。

4 結語

（1）輸油管道10 min可泄漏612 kg，需設置集油槽防止液油蔓延造成環境污染。

（2）輸油管道泄漏燃爆對橋梁的有效應力最大值與第一主應力最大值均小于C40混凝土的屈服強度，對橋墩的安全風險可控。

（3）設置寬0.5 m、深1.5 m且與橋墩系梁長度等長的減震帶，減小樁基施工對管道以及管道燃爆對橋樁的安全影響。

（4）采用人工探坑的方式明確管道的具體位置，設置安全防護區，管道周圍60 cm區域不允許擾動原狀土。

（5）加強監測，一旦出現預警值立即響應處理。在施工過程中采用地面振動測試儀進行地面質點垂直振動測試，加強技術措施，使測試值≤10 cm/s。

參考文獻

[1]安全監管總局人事司（宣教辦）.山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故調查報告[EB/OL].http：∥www.mem.gov.cn/gk/sgcc/tbzdsgdc/2013/201401/t20140110-245228.shtml.2014-01-10.

[2]李晶晶，朱 淵，陳國明，等.城市油氣管道泄漏爆炸重大案例應急管理對比研究[J].中國安全生產科學技術，2014，10（8）：11-15.

[3]何樂平，王澤帆，胡啟軍，等.埋地管溝內輸油管道泄漏擴散規律研究[J].安全與環境學報，2019，19（4）：1 232-1 239.

[4]龔 燚.燃氣管線入綜合管廊的抗爆防護技術研究[D].南京：南京理工大學，2018.

[5]雷 正.液體動力燃料燃爆特性研究[D].南京：南京理工大學，2015.

收稿日期：2021-03-18

基金項目：廣西科學研究與技術開發計劃項目（編號：1298011-2）;長沙理工大學實踐創新與創業能力提升計劃項目（編號：SJCX201926）

作者簡介：王 騰（1989—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。