噴射火對輸油管道熱影響實驗平臺設計與驗證*

余東亮，劉奎榮，吳東容，蔣 毅，軒 恒

(國家管網集團西南管道有限責任公司，四川 成都 610000)

0 引言

近年，我國油氣管道建設規模穩步增長，隨著管道建設規模增大，單管敷設方式的局限性日漸突出，而并行敷設方式在設計效率、征地面積、建設施工、管理維護、生態保護等方面具有顯著優勢，已在國內多條管道得到實踐[1]。對于并行敷設的油氣管道，當天然氣管道由于腐蝕、材料老化等內部或外部因素發生噴射火事故時，有可能造成相鄰輸油管道破裂失效[2-3]。目前，針對天然氣管道噴射火對相鄰輸油管道的影響，以數值模擬研究為主，李鎮裕等[4]通過模擬不同環境風速下架空管道天然氣泄漏燃燒過程，分析失效天然氣管道噴射火對相鄰天然氣管道的影響。趙鑫晨[5]以并行長輸油氣管道為研究對象，采用理論分析、編程計算和模擬驗證等方法對天然氣管道燃燒失效、天然氣管道與其并行管道的換熱失效、并行管道受熱失效3個過程進行研究。張伊恒[6]基于CFD理論，利用FLUENT模擬不同管輸壓力、泄漏孔徑、泄漏方向、間距下泄漏燃燒對相鄰管道影響情況。Mazzola[7]基于CFD理論和半經驗公式，研究天然氣管道發生高壓噴射火災時對并行天然氣管道產生的熱效應。Patej等[8]搭建噴射火災對管道熱影響實驗裝置，確定噴射火的特性與水流穿過鋼管的熱響應，并通過熱電偶監測來量化管道熱響應。Abbasi[9]通過模擬在管道完整情況下，噴射火直接沖擊管道和管道發生泄漏后立即點火的場景，得到管道屈曲失效原因、泄漏孔大小和位置，對延遲/避免災難性管道故障的影響。

一些國內外學者在研究并行管道中天然氣管道失效繼而發生火災對相鄰管道產生熱影響時，更多通過數值模擬和對事故現場統計分析[10-12]研究相鄰管道溫度分布及失效概率，極少部分學者利用實驗方法研究噴射火對輸水管道的熱影響。由于噴射火實驗具備一定危險性，且高溫下油品可能大量揮發產生油蒸汽，暫未發現有學者搭建噴射火對輸油管道的熱影響實驗平臺。數值模擬方法無法模擬高溫下管材機械性能的變化規律[13]。因此，本文為研究天然氣噴射火對流動狀態下相鄰輸油管道的影響，設計并搭建天然氣噴射火對輸油管道的熱影響實驗平臺，并驗證該實驗平臺具備一定的可行性與安全性。通過更換管道、燃燒介質和油品介質，實驗平臺可應用于不同條件下的熱影響實驗，并結合材料性能測試手段，研究高溫對管材性能的影響，研究結果可為油氣并行管道的安全運行提供相關實驗依據。

1 實驗平臺設計及實施

1.1 設計目的與思路

搭建實驗平臺是為了盡可能還原油氣并行管道天然氣噴射火災場景，研究天然氣噴射火條件下火焰、輸油管道管壁、油品的溫度分布，以及噴射火災對管材性能的影響。

根據功能劃分，實驗平臺由環道及冷卻系統、火焰系統、控制及數據采集系統3個部分組成。其中，環道及冷卻系統設有儲油罐以儲存柴油，充當流量緩沖設備；油罐內設置換熱盤管用以冷水與熱油換熱；儲油罐頂部蓋板上設置排氣管用以集中排放油蒸汽，避免油蒸汽任意飄散導致發生危險；采用防爆型管道泵為環道系統提供動力，在泵入口前設置過濾網以防止焊渣、鐵銹等損傷管道泵；環道管道分為測試管段和非測試管段，非測試管段法蘭墊片采用普通橡膠墊片，測試管段法蘭墊片采用耐高溫的石墨墊片，防止高溫下測試管段法蘭連接處出現滲漏；測試管段兩端法蘭連接處分別設置手動球閥，便于更換測試管道。火焰系統中，采用高壓甲烷氣瓶提供燃料，通過面板式流量計測量甲烷流量，結合減壓閥將天然氣流量控制在所需范圍內，通過火焰噴頭模擬天然氣噴射火。控制及數據采集系統中，通過變頻器控制泵的轉速，進而調節油品流量；通過渦輪轉子流量計測量油品流量；環道上安裝有壓力變送器及溫度傳感器，以記錄管內油品壓力、溫度、管壁溫度等數據；測試管段外壁安裝有耐高溫的K型熱電偶，以記錄天然氣的火焰溫度；流量、壓力、溫度信號均通過屏蔽導線連接至數據采集器，并通過無線傳輸模塊遠程傳送至計算機終端，用以數據遠程實時顯示與存儲；實驗平臺電源總開關、泵開關、緊急關斷按鈕、采集器現場只讀屏幕均集成在1個控制柜中，便于集中控制實驗平臺。

1.2 搭建過程

天然氣噴射火對相鄰柴油輸送管道熱影響實驗平臺由儲油罐、防爆管道泵、電磁閥、油品流量計、90°彎頭、壓力變送器、溫度傳感器、非測試管段、截止閥、測試管段、法蘭、火焰系統、數據采集系統、無線數據傳輸模塊14個部分組成，如圖1所示，主要設備參數如表1所示，平臺主要設備及功能如下：

圖1 實驗平臺示意Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

1)儲油罐：設有換熱盤管、過濾網、排氣管、溫度傳感器及排油口。換熱盤管材質為導熱系數較大的紫銅，內部有常溫清水通過，為熱油降溫，避免油品溫度過高；儲油罐出口設置過濾網，儲油罐頂部蓋板設置排氣管；采用pt100鉑熱電阻實時監測儲油罐內柴油溫度，其測溫范圍可達800 ℃；儲油罐底部設置排油口，需要更換介質或實驗完成后，可利用排油口將柴油排放至指定容器。

2)防爆管道泵：為確保在較大黏度范圍內仍能正常工作，選用防爆型齒輪油泵，現場油品經濟流速為1.5 m/s左右，本文實驗環道管徑為DN50 mm，據此選擇的齒輪油泵額定流量為200 L/min。

3)電磁閥：在儲油罐前和防爆管道泵后設置耐溫達80 ℃的電磁閥，與管道泵電源聯動，實驗中發生危險時可瞬間切斷油罐與環道的流通路徑，同時關斷管道泵電源。

4)油品流量計：由于流量相對較小，采用測量精度高的渦輪轉子流量計實時測量管內流量。

5)90°彎頭：規格為R=1.5D，距測試管段長1 m，以保證流體以穩定流場經過實驗管段。

6)壓力變送器：量程為0～1.6 MPa，用以實時監測實驗過程中管道內油品壓力。

7)溫度傳感器：pt100熱電阻溫度傳感器(量程≤800 ℃)實時監測柴油及管壁溫度；K型熱電偶(量程≤1 300 ℃)用以測量噴射火溫度。

8)非測試管段：環道搭建主體，管道尺寸DN50 mm×5 mm。

9)截止閥：更換測試段時，關斷位于測試管段兩端的截止閥，防止大量油品流出環道系統。

10)測試管段：外壁與噴射火焰直接接觸承受高溫，內壁與柴油接觸，模擬天然氣噴射火災發生時相鄰輸油管段，實驗完成后，取下測試管段，通過測量管材強度、硬度、金相組織等變化，研究火災對管材性能的影響。

表1 實驗平臺主要設備參數Table 1 Main equipment parameters of experimental platform

11)法蘭：連接實驗平臺各個組件，便于裝卸(實驗環道共用13對法蘭，其余為支線未標出)。

12)火焰系統：模擬管道內天然氣燃燒狀態，通過調節天然氣流量與火焰噴頭到測試管段的距離，進行不同噴射火場景下熱影響研究實驗。

13)數據采集系統：包括環道系統整體電源控制、泵開關控制及流量調節、溫度傳感器數據采集及壓力傳感器實時采集，通過定制開發，數據采集軟件實時顯示并存儲實驗數據。

14)無線數據傳輸模塊：無線傳輸距離可達3 km，將采集器信號無線傳輸至計算機終端，保證實驗人員安全。

整個環道系統放置于高1.2 m鋁合金支架上，該高度符合人體工程學，可有效避免實驗人員在拆裝實驗平臺時產生的腰部疲勞；鋁合金支架下端固定于雙層鋼板底座上，底座4個角安裝有吊環，方便運輸，整個實驗平臺實現撬裝化，降低對實驗場地的要求。搭建完成的實驗平臺如圖2所示，定制開發的數據采集軟件界面如圖3所示。

圖2 實驗平臺安裝現場Fig.2 Installation site of experimental platform

圖3 數據采集軟件界面Fig.3 Interface of data acquisition software

1.3 實驗流程

為保證實驗安全有序進行，提前制定實驗流程，詳細步驟如下：

第1步：組裝實驗平臺。距離測試管段兩側法蘭各0.25 m處的3點鐘、6點鐘、9點鐘與12點鐘方位，安裝pt100鉑熱電阻測量管壁及油品溫度，在火焰噴頭附近安裝K型熱電偶，詳細位置如圖4所示。

圖4 K型熱電偶安裝位置Fig.4 Installation positions of K-type thermocouples

第2步：密閉性測試。將環道中充滿水，在防爆管道泵提供的最大壓力下保持一定時間，壓力表讀數保持穩定且環道無滲漏現象說明環道密封性良好，可開展實驗。

第3步：進行天然氣噴射火對相鄰輸油管道熱影響實驗，具體驟如下：

1)對儲油罐、閥門、法蘭、防爆管道泵、火焰噴頭及甲烷氣瓶進行安全檢查，對壓力變送器及溫度傳感器進行標定與檢查。

2)打開儲油罐與測試段兩端閥門，調節防爆管道泵流量，使管內柴油流速處于勻速狀態并達到實驗測試所需流速。

3)打開甲烷氣瓶與火焰噴頭閥門，點燃火焰，火焰大小通過調節天然氣流量進行調整。

4)數據采集系統每隔1 s采集測試管道內柴油溫度、管內外壁溫度、火焰溫度、環道內壓力與溫度變化等數據，并通過無線數據從傳輸模塊遠傳至50 m外的計算機終端。

5)實驗結束后，關閉火焰噴頭與甲烷氣瓶閥門，保存實驗測試數據記錄。

6)繼續運行齒輪油泵，使測試管段溫度降低至安全水平，以便實驗人員更換測試管段。

7)關閉齒輪油泵，拆卸相關實驗儀器，進行檢查或保養，進行下組實驗時按實驗方案更換測試管段。

2 驗證實驗及結果討論

2.1 實驗條件

本文實驗測試管段Φ60.3 mm×8 mm，長2 m，通過變頻器將管內油品流速調節至約1.5 m/s，實驗介質為0#柴油，測試管段加熱長度為1 m，火焰噴頭距離管壁4 cm。進行實驗時，通過減壓閥將甲烷流量穩定至12 Nm3/h。實驗時采集并記錄測試管段內外壁溫度、柴油溫度、火焰溫度及流量等數據，便于后續深入分析。

2.2 實驗數據分析

管內壓力和流量隨時間變化如圖5所示，泵入口壓力始終小于出口壓力，壓力曲線始終在小范圍內波動，其原因可能是齒輪泵嚙合齒間斷性泵出油品，流量波動導致壓力波動。此外，電機運轉引發實驗平臺振動也會導致壓力波動。實驗初始階段，泵入口和泵出口壓力均較高，隨后逐漸下降并趨于穩定，這是由于噴射火導致油品溫度上升，進而使油品黏度降低、管內壓力下降。實驗中保持電機轉速不變，因此流量僅在很小范圍內波動。

圖5 管內壓力和流量隨時間的變化Fig.5 Variation of pressure and flow rate in pipe with time

利用紅外相機記錄測試管段紅外溫度場圖像和可見光圖像，如圖6所示，紅外相機測得最高火焰溫度約1 112.7 ℃，噴射火焰完全包圍住測試管段，達到預期效果。

圖6 實驗場景下測試管段紅外圖像與可見光圖像Fig.6 Infrared image and visible image of testing pipe section in experimental scene

K型熱電偶測得不同位置火焰溫度如圖7所示，K14熱電偶測得的火焰溫度最高，約為1 077 ℃，與紅外相機所得數據相近；不同位置火焰溫度均有所差別，說明K型熱電偶布置點位能夠盡可能多地反映出火焰流場溫度變化；由于實驗在室外進行，實驗時受到環境風速影響，導致火焰有所偏轉，火焰溫度存在波動。

圖7 測試管段不同位置火焰溫度隨時間的變化Fig.7 Change of flame temperature with time at different positions of testing pipe section

測試管段出入口處壁溫、油溫、溫差隨時間變化如圖8所示。實驗初始時刻，油溫約為27.5 ℃，壁溫約為27.8 ℃，進出口油溫溫差約為0.1 ℃。由于噴射火焰持續灼燒管道，測試管段柴油及管壁溫度開始上升，油溫溫差逐漸增大。一段時間后，管內柴油溫度及管壁溫度趨于穩定，在57.2～65.8 ℃，油溫溫差在2.0～2.5 ℃之間小范圍波動。通過查閱文獻[14-15]，我國柴油初餾點均在150 ℃以上，本文實驗平臺最高油溫為65.8 ℃，低于柴油初餾點，實驗過程中不會有大量輕質組分揮發，說明實驗平臺冷卻系統能夠有效控制柴油溫度，保證實驗安全進行。

圖8 測試管段出入口壁溫、油溫、溫差隨時間的變化Fig.8 Variation of wall temperature,oil temperature and temperature difference at inlet and outlet of testing pipe section with time

3 結論

1)實驗平臺環道密閉性良好，所需流量、壓力、溫度信號均能實時無線采集，冷卻系統能夠將柴油溫度控制在低于初餾點的溫度，火災實驗平臺具備一定的可行性與安全性。

2)實驗平臺可進行不同管道規格及材質、火災形式、油品介質及流速條件下的熱影響實驗，結合材料性能測試手段，進一步研究噴射火對管材性能的影響，可為并行管道安全運行提供參考依據。