基于ALOHA的輸氣管道泄漏危害范圍研究

陳 浩

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司陸豐油田作業區，廣東 深圳 518067）

0 前 言

隨著天然氣需求的不斷增加，我國的輸氣管道工程建設也得到了快速發展。在管道運行的過程中，因管道密封、人為破壞、管材質量或腐蝕等原因導致的管道泄漏事故頻繁發生[1-2]。目前，輸氣管道的發展方向為大直徑、高壓力管道，且部分管段通過人口密集或環境敏感區域，因此，一旦發生管道泄漏，造成的人員傷亡和經濟損失將極為嚴重，而預測泄漏危害影響范圍對于人員疏散和順利開展應急救援具有重要意義[3-4]。天然氣泄漏的研究方法主要包括室內試驗和數值模擬，其中數值模擬具有成本低、易于復現、適用范圍廣等特點，PHAST[5]、ALOHA[6]和CFD[7-8]軟件是應用最為廣泛的數值模擬方法。針對管徑813mm 的全尺寸管道斷裂事故，李云濤等[9]采用FLACS、PHAST 和ALOHA 軟件進行模擬，其中ALOHA 軟件可模擬最大泄漏速率和穩定泄漏速率，模擬結果全面，且三者在噴射火事故上的模擬結果相似，由此證明了ALOHA 軟件準確性和科學性。基于此，通過控制變量法，利用ALOHA 軟件對輸氣管道泄漏事故進行動態模擬和事故后果趨勢分析，并結合多元線性回歸擬合影響因素與傷害距離的關系，以期快速合理的劃分警戒范圍，為應急救援提供實際參考。

1 數學模型和參數設置

1.1 數學模型

長距離輸氣管道因烴露點的要求，甲烷含量通常高于98%，根據點火時間、空間約束情況對后果進行分析，對應的事故后果有爆炸、沸騰液體擴展蒸氣爆炸(BLEVE)、火球、蒸汽云爆炸、閃火、氣體擴散等，其中所有的事故后果均基于氣體擴散類型，氣體擴散后果的影響范圍也遠大于其余事故后果。ALOHA 軟件中內置的氣體擴散模型有DEGADIS 重氣擴散模型和中性氣體高斯模型，甲烷的分子量為16，比空氣輕，在管道外的近場射流和遠場擴散屬于地面連續點源擴散模式，故采用高斯煙羽模型較為合適，其中，泄漏物質的質量濃度計算公式為

式中：c（x，y，z）——泄漏物質在坐標系（x，y，z）處的質量濃度，kg/m3；

Qm——泄漏源強，kg/s；

H——泄漏點高度，m；

V——風速，m/s；

σy、σz——泄漏擴散系數，與下風向距離、大氣穩定度等有關。

1.2 參數設置

以某5#～6#閥室之間的輸氣管道為例進行分析，閥室間距為8 km，管體管徑為1 219 mm，管體壁厚為12 mm，管道設計壓力為9 MPa，運行壓力為8 MPa，在管道正西方向500 m 處有一處居民樓。輸氣管道主要計算參數見表1。

表1 輸氣管道主要計算參數

根據表1 數據進行模擬，1 h 內管道的泄漏速率變化趨勢如圖1 所示，由圖1 可知，管道的最大泄漏速率為6 040 kg/min，隨著泄漏時間的延長，泄漏速率呈階梯狀下降，且管道在1 h 內仍未泄漏完畢，具有較大的安全隱患。

圖1 1 h內管道泄漏速率的變化趨勢

目前，ALOHA 采用毒性危害等級描述人體在氣體云團中暴露一定時間下的危害程度，按照甲烷影響程度的不同，采用急性爆炸暴露水平（AEGL）的指導限值計算毒性危害范圍。其中，在AEGL-1對應的濃度區域內，人體會有明顯不適或某些無癥狀特征，但這種影響暫時可逆；在AEGL-2 對應的濃度區域內，人體將長期遭受不良影響，產生昏迷或中毒，喪失逃生能力；在AEGL-3 對應的濃度區域內，人體會出現健康威脅或死亡。AEGL-1、AEGL-2和AEGL-3三種暴露水平下的氣體體積分數閾值分別為0.29%、1%和1.7%。該場景下的泄漏范圍如圖2 所示，由圖2 可知，三種暴露水平下的毒氣傷害距離分別為653 m、349 m 和268 m，而居民樓位于管道東側500 m 處，顯然已經在AEGL-1 的濃度范圍內，居民樓存在一定風險，也為應急救援帶來一定困難。

圖2 氣體泄漏范圍

2 結果與討論

2.1 初始條件影響

2.1.1 泄漏尺寸

根據表1中數據得出不同泄漏孔徑對泄漏危害范圍的影響如圖3 所示，由圖3 可知，在同一濃度范圍內，隨泄漏孔徑的增大，泄漏危害范圍先增大后減小。當d/D≤ 0.2時（d為泄漏孔徑，D為管道直徑），即為小孔泄漏模型時，泄漏危害范圍與泄漏孔徑呈正相關；當d/D＞0.2 時，即為大孔泄漏模型時，泄漏危害范圍與泄漏孔徑呈負相關。

圖3 不同泄漏孔徑對泄漏危害范圍的影響

2.1.2 管道長度

根據GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》中關于線路截斷閥室的規定，一級、二級、三級、四級地區對應的管段長度分別為32 000 m、24 000 m、16 000 m和8 000 m，由于站內管道長度較小，因此，針對站內管道泄漏問題，增加三個管道長度值用于模擬（ALOHA 軟件中要求管道長度大于200 倍的管道直徑），分別為300 m、500 m、1 000 m。保持表1 中數據不變，僅改變管道長度，得到不同管道長度與泄漏危害范圍的關系如圖4 所示。雖然管道長度增加，管容增加，但在一定的泄漏時間內，不同泄漏速率下對應的氣體泄漏總量變化不大，且由圖4可知，當管道長度大于1 000 m 時，管道長度對泄漏危害范圍的影響較小。

圖4 不同管道長度對泄漏危害范圍的影響

2.1.3 管道壓力

根據表1中的數據，僅改變管道壓力，最小壓力根據壓縮機最低吸入壓力確定，最大壓力取設計壓力，得到不同管道壓力與泄漏危害范圍的關系如圖5 所示。由圖5 可知，在同一濃度范圍內，隨著管道壓力的增大，泄漏危害范圍逐漸增大，且AEGL-1 的危害范圍增大速度遠大于AEGL-2 和AEGL-3，這可能與甲烷和空氣發生卷吸，其遠場擴散受近場射流、地形地貌和風速的影響更大有關。

圖5 不同管道壓力對泄漏危害范圍的影響

2.2 環境條件影響

2.2.1 風速

參照該管道所在地區的常年最大風速和最小風速，結合表1中的數據，僅改變風速，得到不同風速下與泄漏危害范圍的關系如圖6所示。隨著風速的增加，泄漏危害范圍逐漸減小，當風速大于9 m/s 時，危害范圍不再增大，表明存在極限風速。這是由于隨著風速的增大，大氣湍流強度和對云團的稀釋程度也逐漸增大，從管內減壓和近場射流攜帶的初始擴散動能減弱，導致危害范圍減小；而當風速增加到一定程度后，周圍羽流的夾帶空氣進入云團頂部，使下風向的危害范圍不再增加。

圖6 不同風速對泄漏危害范圍的影響

2.2.2 地面粗糙度

地面粗糙度體現了管道敷設所在地的環境情況，地面粗糙度為5 mm 表示泥濘地或雪地，周邊沒有植被和建筑物；地面粗糙度為30 mm表示開闊平整的草地或孤立的建筑物；地面粗糙度為100 mm 表示地面有低矮的農作物，覆蓋面積較小；地面粗糙度為250 mm 表示地面有較高的農作物，覆蓋面積較大；地面粗糙度為500 mm 表示城郊房舍、有樹叢的開闊草地或灌木叢；地面粗糙度為1 m 表示有周圍均為較大的障礙物；地面粗糙度為2 m 表示城市中心，人口較多。根據表1 中的數據，僅改變地面粗糙度，探究不同風速下與泄漏危害范圍的關系，結果如圖7 所示。由圖7 可知，在同一濃度范圍內，隨著地面粗糙度的增加，泄漏危害范圍先增大后減小、再增大再減小，這與不同的粗糙度選用的區域方程不同有關，但總體來說，環境越復雜，地面粗糙度越大，低濃度云團的平流運輸越困難，阻礙效應越明顯，擴散范圍越小，且當地面粗糙度為2 m 時，擴散范圍最小，危害范圍最小。

圖7 不同地面粗糙度對泄漏危害范圍的影響

3 多元線性回歸

通過上述模擬分析，利用Originlab 軟件進行數據的多元線性回歸，引入多個解釋變量，對泄漏危害范圍的變化趨勢進行多維度衡量和解釋，最終得到初始條件和實際環境條件影響下的泄漏危害范圍，以最大危害范圍AEGL-1 為例，考慮二元交互作用，其回歸方程為

式中：Z1——AEGL-1的危害范圍，m；

d——泄漏孔徑，mm；

L——管道長度，m；

P——管道壓力，MPa；

V——風速，m/s；

A——地面粗糙度，mm。

對上述回歸方程及偏回歸系數進行顯著性分析，方差分析結果見表2。

表2 方差分析結果

由查表可知，F0.05（1，16）=4.49，F0.01（1，16）=8.53，F0.05（15，16）=3.55，F0.01（15，16）=2.42。由表2 可知，當F0.05≤F≤F0.01時，表示變量對模擬結果影響顯著，用“*”表示；當F＞F0.01時，表示變量對模擬結果非常顯著，用“**”表示；F＜F0.05時，表示變量對模擬結果不顯著，可以將不顯著的因素或交互項直接從回歸方程中剔除，將其并入殘差項，重新進行方差分析，結果見表3。

表3 不顯著項并入殘差項后的方差分析

綜上可知，影響AEGL-1 危害范圍的因素按顯著性從大到小依次為：泄漏孔徑、管道長度、管道壓力、風速，而地面粗糙度對危害范圍的影響不顯著；交互因素中只有泄漏孔徑、管道壓力和風速之間的交互項對危害范圍的影響顯著。

本次擬合的相關系數R2=0.999 785 6，失擬項不明顯，表明建立的回歸方程與實際情況擬合較好，重新進行方差分析后，回歸方程依然非常顯著，簡化后的回歸方程為

將回歸方程與模擬工況的數據進行對比得到相對誤差，結果如圖8 所示。可見多元線性回歸的擬合精度較高，相對誤差范圍是-3.32～6.45，平均相對誤差為2.15%，滿足工程實踐要求，可為安全防護間距的設置提供理論依據。

圖8 回歸方程與模擬工況的相對誤差

4 最不利條件下的輸氣管道泄漏事故模擬

設置管道泄漏的孔徑為100 mm、管道壓力為9 MPa、風速為1 m/s、地面粗糙度為100 mm，以上為模擬得到的最不利條件，將泄漏結果導入Google Map 中[10-11]，如圖9 所示。將泄漏危害最遠距離設定為天然氣的下風向最遠擴散距離，同時設置居民區的坐標為（500，0），觀察500 m處室內外甲烷體積分數隨時間的變化情況。

圖9 甲烷泄漏后危害范圍實地變化情況

由圖9 可知，可設置AEGL-3 區域為第一警戒區，該區域內人員若無防護措施，則人體暴露在毒氣中1 h 便會造成死亡，其下風向最遠擴散距離為458 m；設置AEGL-2區域為第二警戒區，該區域內可不采取防護措施，人體暴露1 h 會造成不可逆或持續嚴重的后果，其下風向最遠擴散距離為599 m；設置AEGL-1區域為第三警戒區，該區域內可不采取防護措施，人體暴露1 h 會感覺輕度不適，其下風向最遠擴散距離為1 000 m。而當事故發生時，居民區位于下風向，室內外的甲烷氣體體積分數最大值分別為1.43% 和0.367%。此時體積分數雖未超過AEGL-3的極限值，但超過了AEGL-1的極限值，說明居民區與管道的安全距離不夠，應擴大安全距離或采取其他必要的防護措施。

5 結 論

（1）采用ALOHA 軟件模擬了不同因素下的輸氣管道泄漏擴散過程，其中管道長度、管道壓力的增大會使管道泄漏導致的危害范圍增大，隨著泄露孔徑的增大，危害范圍呈現先增大后減小的趨勢，風速增大、地面粗糙度增加，有利于減小泄漏危害范圍。

（2）通過對數據進行多元線性回歸，比較了單因素和交互因素對危害范圍的顯著性，其中泄漏孔徑、管道長度、管道壓力、風速對危害范圍的影響顯著，而地面粗糙度對危害范圍的影響不顯著；而對于交互因素，只有泄漏孔徑、管道壓力和風速之間的交互對危害范圍的影響顯著。

（3）通過對最不利條件進行模擬，得到甲烷泄漏后危害范圍的實地變化情況，設置了三個警戒區作為應急救援的依據，此時室內外的體積分數超過了AEGL-1的極限值，說明居民區與管道的安全距離不夠，應擴大安全距離或采取其他必要的防護措施。