油氣儲運管道爆炸荷載及安全防控措施研究

肖竹韻，王緒亭，陳 琳*，馮 悅，劉先鋒，張文倩，王 甜，張冠群，鄭 健

(1.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300192；2.天津中心漁港港務有限公司，天津 300457)

2017年，國家發改委、能源局發布了《中長期油氣管網規劃》并指出：目前中國運營的油氣管道里程為12×104km，到2025年將達到24×104km，預計原油管道總里程為3.7×104km，成品油管道為4.0×104km，天然氣管網為16.3×104km，形成主干互聯、區域成網的全國網絡，我國油氣管道將進入高速建設及發展階段[1]。新實施的《安全生產法》中進一步明確并強調了生產經營單位的安全生產主體責任，提出了安全生產風險分級管控和隱患排查治理雙重預防機制的建設要求，對違規建設、經營等一系列行為的處罰制定了更為嚴格的標準。在上述安全生產形勢下，倍增式的發展規模對油氣管網的本質安全及運營效率提出了更高的要求。

油氣儲運管道運輸介質主要包括天然氣、成品油及原油，其普遍存在爆炸性和易燃性，一旦出現泄漏釋放可能發生安全事故，形式主要為能量釋放相對穩定的泄漏事故以及能量極具快速釋放的火災、爆炸事故[2-3]。針對油氣儲運管道，國內外學者主要從工藝系統設計、輸送過程控制以及風險管理三個角度開展研究，基于建設時期及運營過程兩階段進行重點分析，得出施工質量、運行控制、外部破壞及自然災害是主要的風險因素[4]，而對于油氣儲運管道事故后果的評估分析，特別是針對管道爆炸荷載和風險防控研究相對缺乏。

本文以“天然氣管道”為例，系統分析油氣儲運管道風險因素及事故模式，應用TNO多能法比例縮放爆炸預測模型開展爆炸荷載計算，首次對爆炸荷載與體積分數、可燃氣云半徑關系開展研究，分析得出爆炸波超壓衰減規律，逐步明確了爆炸制約因素，并從“防止管道泄漏、防止爆炸系統形成、消除點火源、限制爆炸蔓延”工程技術角度歸納、提煉管控措施。該成果為油氣儲運管道風險管控的研究奠定基礎并提供技術支持。

1 管道失效概率及致險因素

1.1 管道失效概率

歐美國家注重建立油氣管道安全事故數據庫，定期對外發布相關數據；我國油氣管道企業引進吸收完整性管理理念，編制形成油氣儲運管道完整性國家標準，對研究管道事故失效概率、分析管道主要風險因素具有重要意義。根據2000年—2016年美國管道和危險材料安全管理局(PHMSA)、歐洲天然氣管道數據組織(EGIG)、英國陸上管道運行協會(UKOPA)、加拿大國家能源委員會(NEB)和我國某油氣管道企業的統計數據，氣體管道失效概率呈現出如下趨勢(如圖1所示)[5]。整體來看，我國輸氣管道失效頻率與國外相當，且在一定程度上呈現出下降趨勢。

圖1 國內外氣體管道失效概率對比圖

1.2 管道失效致險因素

根據上述管道事故失效概率數據，結合中國石油天然氣股份有限公司管道分公司初步統計2000年—2015年的134起管道事故及事件，分析得出打孔盜油、制造缺陷與施工質量、腐蝕等是管道失效的主要致險因素，其占比分別達到50%、19%、10%[6]。打孔盜油主要受經濟發展制約，隨著立法和宣傳以及國民經濟的提升，這一致險因素的比例將不斷降低。

制造缺陷與施工質量是指由于制造本身或施工過程而導致的焊縫缺陷、凹陷、劃傷等。腐蝕主要分為大氣腐蝕、地下腐蝕和內腐蝕三種類型，較為普遍的地下腐蝕主要針對埋地管道或埋地部件受到土壤條件、涂層及陰極保護三方面影響；內腐蝕是指因管壁與管內介質發生化學反應后使管壁發生受損[7]。制造缺陷與施工質量、腐蝕對于油氣儲運管道最為顯著的影響即導致泄漏事故的發生。根據可燃氣體瞬時釋放或連續釋放事件樹(見圖2～圖3)，其事故模式可分為噴射火、爆炸、火球等，其中以爆炸產生的沖擊波后果最為嚴重。為有效防范油氣管道爆炸事故的發生，開展爆炸荷載計算方法及傳播規律的研究具有現實及理論意義。

圖2 可燃氣體瞬時釋放事件樹

2 爆炸荷載研究

爆炸是可燃氣體與空氣混合形成預混氣云，在地面上與空氣充分混合，達到發生爆炸的條件后發生空中爆炸，瞬間形成大量高溫、高壓氣體，產生的超壓沖擊波對周邊人員及建構筑物更易產生災難性后果[8]。隨著爆炸過程的發生，爆炸壓力往往會迅速增加，直到達到最大爆炸壓力[9]。

2.1 TNO爆炸模型

TNO多能法(Multi-Energy Method，MEM)是典型的比例縮放爆炸預測模型，該方法假設蒸汽云為半球形，中心點火，在基于大量實驗驗證和數值模擬數據的基礎上，獲得一組爆炸強度曲線，主要用于確定障礙(非封閉)及無障礙空間蒸氣云爆炸特征的分析[10]。

2.1.1 爆炸強度確定

TNO多能法應用過程中，需要選取適當的爆炸強度等級，爆源強度為1～10的任一整數，代表不同的爆炸強度，具體取值可參考表1。

表1 爆炸強度等級確定等級表

在確定爆炸強度等級后，根據比例距離r′從爆炸波特征曲線圖中獲取無量綱峰值超壓Ps′、無量綱正壓持續時間tp′，計算爆炸波超壓和持續時間。爆炸波動波形根據爆炸強度等級，從爆炸波形圖(圖4)中確定，其中

圖4 多能模型的超壓隨距離的變化關系

(1)

Ps=Ps′·Pa

(2)

(3)

式中：r為目標點與爆源中心的實際距離，m；E為可燃氣云的爆炸能量，J，可根據泄漏氣體的量和熱值計算。甲烷的燃燒熱為890.8 kJ/mol=890.8×62.5=55 675 kJ/kg；Pa為大氣壓力，取值為1.0×105Pa；aa為大氣中的聲速，取值為340 m/s。

2.1.2 爆炸云團計算

可燃性云團中的可燃物質量根據可燃物質泄漏模式和擴散形式的不同，計算過程中采取保守估算的方法，假設泄漏的全部氣體或液化氣體都用來形成可燃性云團。

天然氣的爆炸極限為5%～15%，最劇烈的爆炸濃度約為9.5%。爆炸源半徑的計算按照將爆炸源等效于體積相等的半球形，爆炸源半徑[11-12]按照下式計算

(4)

(5)

式中：r為目標點與爆源中心的實際距離，m；Q是泄漏的天然氣量，m3；V是天然氣和空氣混合后的爆炸云體積，m3。

2.2 爆炸壓力傳播規律

2.2.1 氣體濃度對爆炸超壓的影響

可燃氣體泄漏后與空氣形成混合氣體，只有當混合氣體中的可燃氣體濃度達到一定范圍時才有可能發生爆炸，這個濃度范圍稱為爆炸極限。在爆炸極限范圍內，可燃氣云濃度是影響可燃氣云爆炸壓力的重要因素，相關研究表明甲烷在空氣中的爆炸極限范圍為5%～15%。為研究氣體濃度對可燃氣云爆炸超壓的影響規律，本文進行了直徑0.5 m的半球形甲烷-空氣混合氣體爆炸數值分析，試驗參數主要考慮如下四方面簡化條件：(1)環境按無風情況考慮，可燃氣體泄漏后，以地面上的泄漏點為中心呈半球形向外擴張，可燃氣體在氣云內部濃度均勻分布；(2)爆炸中心位于半球形氣云中心位置；(3)地面及建筑物表面均按絕熱、光滑表面分析；(4)環境溫度均按20℃考慮。數值模擬采用FLACS軟件，計算域大小為地面以上20 m×20 m×10 m的開敞空間，地面中部為一個半徑1 m的半球形可燃氣云，內部為化學計量比濃度的甲烷-空氣預混氣體。點火前甲烷與空氣混合均勻，預混氣體溫度為20℃，壓力為一個標準大氣壓，處于靜止狀態。地面設為壁面邊界條件，無速度滑移，法向壓力、溫度和密度梯度均為0，邊界設置為outflow邊界條件。

選取體積分數為5%、7%、9.5%、12%和15%的甲烷-空氣混合氣體進行數值模擬，球心為起爆點，下圖為距爆心距離分別為 0.7 m 和 0.9 m 處可燃氣云爆炸最大壓力隨甲烷濃度的變化關系，橫坐標為質量分數，縱坐標為對應的超壓值。

由圖5可知，隨著甲烷體積分數的增加，在一定范圍內，峰值超壓逐漸增加，當甲烷濃度為9.5%時，峰值超壓達到最大，最大爆炸壓力達3.473 kPa，而后隨著甲烷濃度的繼續增大，峰值超壓有所下降。研究得出，甲烷-空氣爆炸的最危險體積分數為9.5%時爆炸強度最大，對周邊建構筑物及人員的傷害最大。

圖5 爆炸超壓與甲烷體積分數關系

2.2.2 氣云半徑對爆炸波超壓的影響分析

對開敞空間里1 m、2 m、5 m、10 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m等不同半徑的半球形甲烷-空氣混合氣體進行爆炸數值分析，甲烷體積分數選取爆炸強度最大的9.5%進行模擬，球心為起爆點，圖6為不同半徑下可燃氣云爆炸產生的最大超壓隨氣云半徑大小的變化關系，橫坐標為可燃氣云半徑，縱坐標為對應的超壓值。

由上可知，在開敞空間里隨著可燃氣云半徑的增大，爆炸波的最大超壓逐漸增大，在半徑100 m時最大超壓達到約40 kPa。根據沖擊波超壓破壞、傷害判別準則，初步判斷半徑10 m以上的可燃氣云爆炸可能會造成建筑物玻璃破碎；半徑20 m以上的可燃氣云爆炸可能會造成門窗破壞和磚墻小裂紋；半徑30 m以上的可燃氣云爆炸可能會造成對人體產生輕微傷害；半徑60 m以上的可燃氣云爆炸可能會造成磚墻裂紋和鋼混屋面起裂，并對人體產生中等損傷。

2.2.3 爆炸波超壓衰減規律分析

對相同氣云半徑條件下，不同相對距離下爆炸最大超壓進行歸一化分析，甲烷體積分數仍選取爆炸強度最大的9.5%進行模擬，最大超壓變化規律如圖7所示。

圖7 爆炸超壓沿徑向衰減規律

圖中r0為氣云半徑；r為測點距離爆心距離；ΔPmax為最大超壓極值；ΔP為距離爆心r位置處的最大超壓。從圖7中可以看出，可燃氣云在起爆后，爆炸最大超壓沿徑向存在先增大后減小的趨勢：在氣云區內，從爆心傳出的沖擊波最大超壓ΔP隨傳播距離的增大而增大，在氣云與空氣初始交界面r=0.8r0附近位置處達到最大值；在氣云區外，由于沖擊波在空氣中傳播，沒有進一步燃燒能量補充，ΔP逐漸減小，大約在2r0處下降至極值的0.4倍左右。

3 管道爆炸算例

以港區某段天然氣長輸管道為例，其中管道運行溫度25℃，運行壓力4 bar，管線直徑800 mm，沿垂直方向泄漏，泵流速0.5 kg/s，管道壁厚10 mm。應用Phast 8.1模擬其蒸氣云爆炸事故后果，軟件設定0.25 bar、0.40 bar、0.60 bar為參考超壓閾值，經計算該場景下天然氣泄漏量為1 332.8 kg，0.25 bar、0.40 bar、0.60 bar超壓等級的傷害半徑分別為45.99 m、23.58 m、10.47 m。

沖擊波超壓對建筑破壞的相應閾值取值和模擬結果見表2。

表2 沖擊波超壓對建筑破壞的相應閾值取值和模擬結果

此外，天然氣泄漏量換算成體積Q為1 998.28 m3，按照爆炸極限換算成為混合體積量V為210 344.76 m3，則爆源半徑為21.58 m。按照第2節中爆炸荷載的計算方法可知，當比例距離r′超過0.5時，爆炸超壓值會有顯著的降低，按照式(1)計算的結果顯示，當r為46 m時，r′達到量0.508。因此爆炸影響范圍取為半徑46 m，爆炸強度等級取7級對應的超壓荷載為0.1 MPa。

4 安全防控措施

由上述算例及相關事故可知，管道泄漏爆炸可能造成嚴重性的區域事故，因此，如何加強對油氣儲運管道的安全防控顯得十分必要。考慮到爆炸是可燃氣體與空氣混合形成預混氣云，在地面上與空氣充分混合，達到發生爆炸的條件后發生的激烈場景，基于“防止管道泄漏、防止爆炸系統形成、消除點火源、限制爆炸蔓延”四方面提出安全風險防控措施，具體見表3。

表3 油氣儲運管道安全防控措施表

5 總結

(1)油氣儲運管道運輸介質具有易燃易爆等特性，一旦泄漏易導致生產安全事故。經數據統計分析得出腐蝕、第三方破壞、運行管理及自然災害是誘發事故的主要危險因素。

(2)以“9.5%體積分數的甲烷-空氣爆炸”為例，應用TNO多能法比例縮放爆炸預測模型研究爆炸荷載計算方法，經分析得出以下結論：

①隨著可燃氣云半徑的增大，爆炸波的最大超壓逐漸增大；

②可燃氣云在起爆后，爆炸最大超壓沿徑向存在先增大后減小的趨勢，在氣云區內，從爆心傳出的沖擊波最大超壓ΔP隨傳播距離的增大而增大，在氣云與空氣初始交界面r=0.8r0附近位置處達到最大值；在氣云區外，由于沖擊波在空氣中傳播，ΔP逐漸減小，大約在2r0處下降至極值的0.4倍左右。

(3)實例計算港區內天然氣長輸管道泄漏發生超壓爆炸事故影響范圍，防止管道泄漏、防止爆炸系統形成、消除點火源、限制爆炸蔓延”四方面提出安全風險防控措施，為油氣管道的日常管理提供技術參考。