穿越城市生活區的天然氣管道泄漏連鎖爆燃后果評估研究*

李新宏，賈明汭，韓子月，張 毅，馬 潔

(1.西安建筑科技大學 資源工程學院，陜西 西安 710055：2.西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

因早期不合理設計以及城市化發展，我國相當一部分天然氣管道跨越城市生活區域，這部分管道容易受周邊環境影響從而發生泄漏事故[1]。失控后大量天然氣與空氣混合形成可燃氣云，一旦發生爆燃會造成嚴重人員傷亡、經濟損失和環境破壞[2]。1992年4月，墨西哥瓜達拉哈拉油氣泄漏爆炸事故，造成252人喪生，1 470人受傷，1 124幢房屋被毀，600輛汽車被焚，事故范圍波及10公里長街道[3]。2017年7月，貴州省晴隆縣天然氣管道發生泄漏爆燃，造成8人死亡，35人受傷，傷亡極為慘重[4]。因此，評估城市天然氣管道泄漏爆燃后果對保障城市公共安全具有重要意義。

城市天然氣管道泄漏氣體擴散與形成的可燃氣云爆燃破壞性大，易引發重大連鎖事故，受到國內外學者的廣泛關注。Ebrahimi等[5]基于埋地管道的泄漏特性分析了泄漏壓力分布和泄漏速率隨泄漏口幾何尺寸的變化規律；黃雪馳等[6]構建天然氣管道三維泄漏模型進行風場穩態模擬和管道泄漏瞬態模擬；朱淵等[7]考慮復雜地形條件下高含硫天然氣管道泄漏擴散過程;Wang等[8]分析了天然氣氣體擴散、爆炸波和火焰傳播過程；Mishra等[9]基于地下天然氣管道失效氣體擴散及燃爆事故，評估爆炸超壓和熱輻射對人員和財產的損失情況。當前，管道泄漏研究大多采用管道的瞬態泄漏速率[10-12]，然而，隨著管道內氣體的泄漏，管內壓力變化使得泄漏速率處于動態變化階段，具有較大的不確定性。

以某城市生活區域為例，采用CFD方法構建城市天然氣管道泄漏后果評估全尺度三維模型，預測泄漏氣體在城市建筑物空間內的運移和積聚效應，評估可燃氣體爆燃后熱輻射及爆燃超壓的影響范圍，以期可為城市天然氣管道泄漏燃爆應急防控提供科學指導。

1 氣體擴散爆燃數學模型

天然氣管道泄漏可燃氣體擴散遵循質量守恒、動量守恒、能量守恒，3個守恒方程可以由統一的數學表達式表示[13]。如式(1)所示：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；φ為通用變量；τ是擴散系數；S為源項；t為時間，s；u為速度，m/s。

天然氣泄漏擴散過程屬于復雜的非穩態湍流運動，考慮到流體特性、時間限制、計算精度以及計算機配置等因素，采用Realizablek-ε模型，計算存在障礙物阻擋時氣體的擴散行為[14]。整個反應速率受湍流混合速率的控制，如式(2)所示：

(2)

2 氣體泄漏后果仿真模型

以某城市街道區域為例，依據實際建筑結構布局及尺寸，不考慮建筑內部環境及市政設施，構建三維幾何模型，如圖1所示。該仿真模型涉及建筑共計11幢，以A～K分別標注，如圖1(a)所示。其中建筑物A高9 m，其余建筑高度均為60 m。該參數源于某城市居民生活區建筑物實際參數，以此作為實例進行模擬仿真分析。

圖1 城市建筑物模型俯視圖及網格模型Fig.1 Model top view and mesh model of urban building

經過試算，確定計算域尺寸為500 m×200 m×180 m，采取三角形/四面體網格對整個城市天然氣管道泄漏模型進行網格劃分。由于天然氣泄漏后計算域內存在壓力梯度，為提高計算精度，對泄漏處附近進行局部網格加密，更準確地處理氣體泄漏的運移狀態變化。經網格無關性檢測后，劃分后的非結構化網格如圖1(b)所示，網格數量共計3 058 049個。

泄漏口及來風面均設置為速度入口，計算域頂部、前側及后側設置為對稱邊界，計算域右側出流面設置為自由出流。建筑物表面與地面均設置為無滑移墻面。來風面風速采用指數風廓線方程計算風速隨高度的變化，如式(3)所示：

(3)

式中：uh為高度h處的風速，m/s；up為當地平均風速，m/s；H為海拔高度，m。

3 城市天然氣管道泄漏擴散規律

3.1 計算域風場模擬

天然氣擴散過程很大程度上依賴于計算域內風場環境特點，建筑物的布局結構、尺寸大小均會對風場產生影響，進而影響可燃氣體擴散過程。因此，在研究可燃氣體泄漏擴散規律前，需進行計算域的風場模擬。

如圖2(a)～2(b)所示，分別為當地平均風速6 m/s，風向向東時城市區域垂向和橫向剖面的風速分布云圖。由于建筑J和建筑K的阻擋，左側來風上風向影響較小，風速在建筑J和建筑K上方10 m出現明顯增強，風速達到約11 m/s，風速梯度明顯。由于建筑J和建筑K的較大迎風面影響下，其下風向出現明顯的風停滯和大范圍回流現象。同理，當風受到建筑物A，B，D阻擋作用，在建筑物近地面風速較低，隨著高度的升高，受到建筑的阻礙作用，風速在建筑頂部逐漸加強，在高于建筑物約10 m時風速最大超過11 m/s，高度繼續上升呈現梯度變化，直至高度120 m時風速不再受到阻礙作用的影響。此外，由于建筑物的結構體積過大，因此，來風對于建筑物下風向近地面處影響較小，在建筑物下風向近地面處均存在小范圍的風停滯現象。

圖2 計算域風速分布云圖Fig.2 Distribution cloud map of wind speed in computational domain

3.2 氣體擴散過程分析

天然氣泄漏擴散過程受天然氣管道管徑、管道泄漏孔徑、管道運行壓力等參數的耦合影響。設置泄漏源P位于建筑物A西側12 m處，泄漏方向垂直向上；管道運行壓力5.3 MPa，管徑680 mm，運行溫度300 K，泄漏孔形狀為圓形，孔徑300 mm。考慮泄漏后管道壓力受工藝措施干預下降情形下的泄漏速率動態變化，以6 m/s為基本風速，計算風場湍流分布，對城市天然氣管道泄漏事故進行仿真模擬分析。

在泄漏初期由于ESD閥作用，泄漏速率下降迅速，于10 s內將管內大部分天然氣泄漏完畢，在10 s左右泄漏速率下降逐漸平緩，至600 s左右時天然氣管道逐漸停止泄漏,如圖3所示。

圖3 管道泄漏速率Fig.3 Release rate of pipeline

圖4為泄漏氣體的空間范圍變化過程。泄漏初期，可燃氣體以高速射流的形式垂直向上噴出，在左側來風的作用下與周圍空氣混合逐漸擴散，周圍空氣在粘性作用下隨泄漏氣體流動，形成湍流。5 s時，泄漏氣體在風的作用下向下風向擴散，于建筑A的上方聚集，此時可燃氣體水平長度達47.48 m，垂直高度為30.7 m。在10 s時，天然氣已經逐漸擴散至建筑物B，此時泄漏天然氣覆蓋范圍達到1 992.5 m2，空間體積為138.48 m3。隨后，由于天然氣受到建筑物B的阻礙影響，向建筑物D方向移動。在20 s時，泄漏天然氣遭遇建筑物D，產生反射作用，此時泄漏天然氣覆蓋范圍為4 277.84 m2，空間體積達到276.99 m3。逐步向建筑物B和建筑物E之間空隙運動，且由于風的滯留作用從而出現小范圍的聚集。280 s時泄漏天然氣擴散逐漸趨于穩定，此時泄漏氣體完全擴散至建筑物E的尾部，并有部分泄漏氣體繞過建筑物E的左側，向建筑物C偏移，此時覆蓋面積為15 008.32 m2，空間體積達到984.52 m3。

圖4 天然氣擴散過程Fig.4 Dispersion process of natural gas

4 城市天然氣管道泄漏后果評估

4.1 爆燃熱輻射和高溫影響

天然氣管道泄漏后天然氣持續擴散的情況下，意外點火會造成嚴重爆燃事故，而火焰熱輻射傷害是火災事故對人員及建筑造成傷害的主要形式之一。取泄漏口附近截面X=176與Z=89，如圖5所示。由圖5可知，熱輻射云圖呈現以火焰中心為核心的同心圓狀向外圍擴展，越接近火焰中心熱輻射強度越高，最高熱輻射強度達到11.5 kW/m2。且受左側來風影響，熱輻射區域有向右側明顯偏移的痕跡。

圖5 穩定狀態下熱輻射剖面Fig.5 Thermal radiation profile under steady condition

建立城市天然氣管道臨界傷害熱輻射等值面空間分布圖，如圖6所示。受左側來風影響，熱輻射強度等值面朝下風向傾斜，呈現半橢球形；隨著熱輻射強度的升高，等值面的空間體積相應減少。熱輻射強度為4 kW/m2的等值面覆蓋面積為1 381.99 m2，橫向長度達到41.73 m，高度為28.65 m，此時熱輻射強度為4 kW/m2已影響到建筑物A靠近泄漏口的一端。熱輻射為9.5 kW/m2等值面較4 kW/m2空間體積有所減少，覆蓋面積為102.19 m2，影響高度略高于建筑物A，橫向影響半徑為10.47 m，對建筑物A影響較小。

圖6 火災穩定狀態下臨界傷害熱輻射等值面Fig.6 Contour surface of critical damage thermal radiation under steady fire condition

根據火焰熱輻射傷害準則，熱輻射為4 kW/m2等值面覆蓋建筑物A超過1/3，橫向輻射范圍為41.73 m。此時距離泄漏口半徑為41.73 m處的行人長時間受到該強度輻射產生疼痛感，嚴重者會引起燒傷，但不會有生命危險；該輻射強度對建筑沒有影響。熱輻射強度為9 kW/m2的影響范圍較小，橫向影響長度約為10 m，在此區域的人員能短暫忍受5 s左右，超過8 s將會到達疼痛極限，超過20 s將會引起二度燒傷，此輻射強度對建筑沒有影響。

4.2 爆燃超壓影響

可燃氣體爆燃總是伴隨著壓力和溫度的顯著升高，是1種迅速的物理與化學能量釋放的反應過程。在此過程中，可燃氣云通過迅速膨脹對外做功，導致環境壓力劇增從而造成人員傷亡和財產損失。爆炸多數以沖擊波的形式對周圍人員、建筑進行破壞，當沖擊波的壓力超過一定程度時會對人員、建筑造成不同程度的破壞。

取40 ms時x=174 m和z=94 m處截面爆炸超壓剖面云圖，如圖7所示。可知，爆炸超壓以爆炸中心為圓心，四周呈現同心圓向外輻射，越遠離爆炸中心超壓值逐漸減弱。爆炸中心超壓值超過10 kPa。隨著爆炸進程，超壓區域處于動態變化情況。

圖7 最大爆炸超壓場(40 ms)Fig.7 Maximum explosion overpressure field (40 ms)

隨著高度的上升，最大超壓值呈現先升高再降低的趨勢。當距離地面1 m時，最大爆炸超壓為5.17 kPa；當距離地面3 m時，最大爆炸超壓增加至6.75 kPa；當距離地面7 m時，最大爆炸超壓達到頂峰，此時爆炸超壓為12.64 kPa；當距離增加20 m時，可以明顯看出爆炸超壓云圖所呈現的輻射范圍減小，此時最大爆炸超壓僅為1.31 kPa。

基于超壓傷害準則，建立城市天然氣管道泄漏爆炸40 ms時刻臨界傷害超壓等值面空間分布圖，如圖8所示。城市區域爆燃超壓空間分布呈現沖擊波逐層向外擴展狀，離爆炸中心越遠，沖擊波超壓值越低，所占空間體積越大。P=1 kPa的沖擊波主要集中在建筑物A靠近泄漏出的一端，覆蓋半徑達到24.93 m，覆蓋面積為1 721.29 m2。P=2 kPa的沖擊波對建筑物A影響較小，僅僅影響建筑物A頂部一端，覆蓋半徑為16.36 m，覆蓋面積為613.24 m2。而P=4 kPa和P=7 kPa則影響范圍進一步縮小，對建筑物A均沒有影響，覆蓋半徑分別為10.74，5.34 m，覆蓋面積分別為105.61，25.66 m2。

此次爆炸會使建筑物A靠近爆炸中心的窗戶受到破壞，對其余建筑物均沒有影響；對半徑為5.34 m以內的人員造成輕微損傷，并無生命危險；大于24.93 m范圍外的區域均為安全區域，不會造成建筑及人員傷害。

5 結論

1)建立城市天然氣管道泄漏氣體擴散與爆燃預測評估模型，研究可燃氣體運移規律，評估氣體擴散與燃爆對管道周邊建筑物的影響，得到可燃氣體泄漏過程、熱輻射及爆燃超壓的影響范圍，為城市天然氣管道泄漏爆燃風險防控提供指導。

2)城市建筑物對泄漏區域風場具有明顯的影響。由于建筑物之間的阻擋與反射作用，使得在建筑物下風向有明顯的低風速區域，并在一定時間后擴散過程趨于穩定，總覆蓋面積為15 008.32 m2，空間體積為984.52 m3。

3)城市天然氣管道附近生活區域的點火源可能引發可燃氣體的爆燃事故。在爆燃火焰的作用下，高溫和熱輻射會造成建筑物部分鋼結構發生失效變形，對距燃爆中心41.73 m范圍內的人員產生傷害。在此基礎上，從概率評估的角度研究建筑與人員傷害程度尚需進一步研究。