基于PHAST的天然氣管道泄漏后果危害范圍模擬研究*

詹文文，牛 輝，韋 奉，劉 斌，王 磊，趙紅波，席敏敏，許 鐸

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018；2.中國石油寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008；3.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610000）

0 前 言

管道輸送作為長距離油氣輸送的主要方式之一，具有運輸量大、運輸距離遠、運輸成本低等優(yōu)點。截至2020 年底，我國境內(nèi)已建成天然氣管道約8.6×104km，并且一半以上運行時間已經(jīng)超過20 年，管道爆炸著火、斷裂、泄漏事故時有發(fā)生[1-2]。當輸氣管道發(fā)生泄漏后，若在擴散范圍內(nèi)存在點火源，很可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸等更嚴重的后果，造成巨大損失，為此許多學(xué)者做了大量研究。HANIFI[3]采用ALOHA 軟件估算風(fēng)險，得出天然氣管道泄漏最嚴重的后果是噴射火焰的熱輻射效應(yīng)；江世超[4]計算了噴射火、火球和蒸氣云爆炸三種事故的影響范圍；耿曉茹[5]通過試驗和數(shù)值模擬分析了障礙物對噴射火的影響；CHI 等[6]研究了不同建筑布局對蒸氣云爆炸超壓傳播規(guī)律的影響；鮑慶軍[7]使用FLACS 模擬空曠區(qū)和人口密集區(qū)輸氣管道泄漏擴散、燃燒和爆炸事故的影響；楊克等[8]采用理論公式對蒸氣云爆炸的破壞范圍進行定量分析，發(fā)現(xiàn)隨著泄漏時間增加，死亡半徑和財產(chǎn)損失半徑明顯增大。

目前，輸氣管道泄漏后發(fā)生火災(zāi)及爆炸的研究主要采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模擬方法進行，研究對象多為低壓小直徑管道，但高壓大直徑管道往往造成危害范圍更大。因此本研究將采用PHAST 軟件對國內(nèi)西南某高壓大直徑輸氣管道泄漏后發(fā)生火災(zāi)和爆炸的原因進行分析，并計算其對人員的影響范圍。

1 輸氣管道失效后果理論分析

1.1 失效后果類型和傷害形式

發(fā)生泄漏的高壓輸氣管道管徑為1 016 mm，輸送壓力為10 MPa，采用事件樹分析方法，對管道失效情境、后果及影響形式進行分析，如圖1所示。

圖1 某管道失效事件樹分析圖

通過對該管道輸送氣體進行分析，其組分中幾乎不含H2S，因此在失效后果分析中不考慮毒性傷害，因而天然氣管道失效后果主要模式有火球、噴射火、蒸氣云爆炸。有研究[9]表明，輸氣管道失效形式發(fā)生的概率不同，最終的后果也不同，其中噴射火發(fā)生概率為0.15，火球發(fā)生概率為0.15，蒸氣云爆炸發(fā)生概率為0.56。

1.2 事故后果計算模型

1.2.1 噴射火后果計算模型

目前對噴射火后果計算主要有點源模型和固體火焰模型，根據(jù)美國石油研究院的模型[10]，假定火焰為圓錐形，采用從泄漏處到火焰長度4/5處的點源模型來表示，噴射火火焰長度和點源的熱輻射通量計算為

式中：L——火焰長度，m；

HC——燃燒熱，J/kg；

m——質(zhì)量流速，kg/s；

q——點源的熱通量，W/m2；

η——效率因子，可取0.35；

x——距火源的距離，m；

QO——質(zhì)量流速，kg/s。

1.2.2 火球后果計算模型

火球后果計算一般采用Greenberg -Cramer模型[11]，火球直徑和持續(xù)時間計算分別為

式中：D——火球直徑，m；

t——火球持續(xù)時間，s；

W——火球中損耗的可燃物的質(zhì)量，kg。

1.2.3 蒸氣云爆炸后果計算模型

蒸氣云爆炸采用TNT當量法對爆炸能量進行等量計算[12]，即

式中：WTNT——蒸氣云的TNT當量，kg；

A——蒸氣云的當量系數(shù)，取4%；

Wf——蒸氣云中燃料的總質(zhì)量，kg；

Qf——燃料的燃燒熱，MJ/kg；

QTNT——TNT 的 爆 炸 熱，通 常 為4.12～4.69 MJ/kg，本研究取4.52 MJ/kg。

2 火災(zāi)及爆炸傷害準則

輸氣管道泄漏事故主要傷害形式有熱輻射傷害和沖擊波傷害。火球、噴射火、蒸氣云爆炸均會造成熱輻射傷害，而蒸氣云爆炸主要造成沖擊波傷害，熱輻射影響較小，通常可以忽略。傷害程度可根據(jù)傷害準則來評估，可接受的最大傷害程度所對應(yīng)的半徑則為傷害半徑。

2.1 熱輻射傷害準則

當發(fā)生熱輻射傷害時，人員若處在不同環(huán)境，其傷害效果也不相同。根據(jù)DNV 等文獻[13-14]，將火災(zāi)人員類型分為室內(nèi)人員和室外人員，并假設(shè)建筑物若未起火，室內(nèi)人員視為安全狀態(tài)。其傷害準則見表1。

表1 不同環(huán)境下熱輻射對人員的傷害效應(yīng)

2.2 沖擊波傷害準則

調(diào)研相關(guān)文獻[15]，國外對爆炸沖擊波閾值標準與國內(nèi)不同，其對室外人員和室內(nèi)人員的傷害效應(yīng)不同，具體見表2。

表2 不同環(huán)境下沖擊波對人員的傷害效應(yīng)

3 典型事故后果模擬

PHAST 軟件是風(fēng)險定量分析的多功能計算軟件，由挪威船級社DNV 公司開發(fā)，適合應(yīng)急計劃制訂者和安全管理人員使用[16]，故本研究采用PHAST軟件進行相關(guān)模擬計算。

3.1 模擬參數(shù)確定

對該泄漏輸氣管線基本運行情況和沿線環(huán)境情況進行調(diào)研，選取具有代表性數(shù)值計算分析，具體選值見表3。

表3 某輸氣管道模擬參數(shù)

3.2 噴射火事故后果分析

天然氣管道泄漏后發(fā)生噴射火事故，其產(chǎn)生的熱輻射傷害巨大。假定天然氣管道連續(xù)泄漏30 min 后噴射火事故發(fā)生，探究不同輸送壓力、泄漏孔徑、環(huán)境風(fēng)速及泄漏方向?qū)κ鹿屎蠊绊憽?/p>

3.2.1 輸送壓力

選擇管道長度16 km，管徑1 016 mm，小孔/裂紋（d/D=0.2），與水平面呈45°方向上泄漏，風(fēng)速5 m/s，大氣穩(wěn)定度為D，分析10 MPa、9 MPa、8 MPa、7 MPa、6 MPa 五種輸送壓力下管道泄漏噴射火的影響。輸送壓力10 MPa 的熱輻射危害范圍如圖2所示，不同輸送壓力下熱輻射傷害距離對比如圖3所示。

圖2 10 MPa輸送壓力管道泄漏噴射火的熱輻射危害范圍

圖3 不同輸送壓力管道泄漏噴射火熱輻射傷害距離對比

從圖3可以看出，隨著輸送壓力增大，其熱輻射傷害距離增大，且增加的幅值相差不大。當輸送壓力10 MPa時，產(chǎn)生熱輻射傷害距離最大，熱輻射通量閾值1.5 kW/m2時傷害距離為429 m，室外人員死亡距離為84 m。

3.2.2 泄漏孔徑

選擇管道長度16 km，管徑1 016 mm，輸送壓力10 MPa，與水平面呈45°方向上泄漏，風(fēng)速5 m/s，大氣穩(wěn)定度為D，分析泄漏孔徑/管道直徑（d/D）為0.1、0.2、0.5、0.7、1.0五種泄漏模式下噴射火的影響。d/D=1.0 泄漏模式下噴射火的熱輻射危害范圍如圖4所示，不同泄漏模式下噴射火的熱輻射傷害距離對比如圖5所示。

圖4 d/D=1.0泄漏模式下的噴射火熱輻射危害范圍

圖5 不同泄漏模式下噴射火的熱輻射傷害距離對比

從圖5可以看出，隨著泄漏孔徑增大，其熱輻射傷害距離增大，而大孔和斷裂泄漏明顯比小孔泄漏造成的傷害范圍更大。當d/D=1.0 時，即完全斷裂時產(chǎn)生熱輻射傷害距離最大，熱輻射通量閾值1.5 kW/m2時傷害距離為1 598 m，室外人員死亡距離為397 m，室內(nèi)人員死亡距離為388 m。

3.2.3 環(huán)境風(fēng)速

選擇管道長度16 km，管徑1 016 mm，小孔/裂紋（d/D=0.2），輸送壓力10 MPa，與水平面呈45°方向上泄漏，分析五種氣象條件下噴射火的影響。風(fēng)速為1 m/s、大氣穩(wěn)定度為F條件下噴射火的熱輻射危害范圍如圖6所示，不同環(huán)境風(fēng)速下熱輻射傷害距離對比如圖7所示。

圖6 風(fēng)速1 m/s、大氣穩(wěn)定度為F條件下噴射火的熱輻射危害范圍

圖7 不同環(huán)境風(fēng)速下噴射火的熱輻射傷害距離對比

從圖7可以看出，環(huán)境風(fēng)速與熱輻射傷害距離并非線性關(guān)系。當環(huán)境風(fēng)速1 m/s、熱輻射通量閾值1.5 kW/m2時對應(yīng)范圍最大，距離為458 m；當環(huán)境風(fēng)速為9 m/s 時，造成人員傷亡最嚴重，室外人員死亡距離為109 m，室內(nèi)人員死亡距離為95 m。

3.2.4 泄漏方向

選擇管道長度16 km，管徑1 016 mm，小孔/裂紋（d/D=0.2），輸送壓力10 MPa，風(fēng)速5 m/s，大氣穩(wěn)定度為D，分析與水平面呈45°方向、0°方向、30°方向、60°方向、90°五種泄漏方向噴射火影響范圍，其中與水平面呈0°方向的熱輻射危害范圍如圖8所示，不同泄漏方向熱輻射傷害距離對比如圖9所示。

圖8 0°方向的熱輻射危害范圍

圖9 不同泄漏方向噴射火的熱輻射傷害距離對比

從圖9可以看出，隨著泄漏方向從垂直向水平過渡，其熱輻射傷害距離增大，這是因為泄漏方向與風(fēng)向一致，加大了氣體擴散距離，當氣體水平擴散時，產(chǎn)生熱輻射傷害距離最大。熱輻射通量閾值1.5 kW/m2時傷害距離為473 m，室外人員死亡距離為195 m，室內(nèi)人員死亡距離為191 m。

3.3 蒸氣云爆炸事故后果分析

天然氣管道泄漏后發(fā)生蒸氣云爆炸事故概率最大，其產(chǎn)生的沖擊波傷害較嚴重。假定天然氣管道連續(xù)泄漏30 min時蒸氣云爆炸事故發(fā)生，探究不同的輸送壓力、泄漏孔徑、環(huán)境風(fēng)速、泄漏方向?qū)κ鹿屎蠊绊憽?/p>

3.3.1 輸送壓力

選擇管道長度16 km，管徑1 016 mm，小孔/裂紋（d/D=0.2），與水平面呈45°方向上泄漏，風(fēng)速5 m/s，大氣穩(wěn)定度為D。分析10 MPa、9 MPa、8 MPa、7 MPa、6 MPa 五種輸送壓力下蒸氣云爆炸影響。其中10 MPa 輸送壓力管道蒸氣云的沖擊波危害范圍如圖10 所示，不同輸送壓力沖擊波傷害距離對比如圖11所示。

圖10 10 MPa輸送壓力管道蒸氣云沖擊波危害范圍

圖11 不同輸送壓力管道蒸氣云沖擊波傷害距離對比

從圖11 可以看出，隨著輸送壓力增大，其沖擊波超壓傷害距離增大，且增加的幅值相差不大。當輸送壓力10 MPa 時，產(chǎn)生沖擊波超壓傷害距離最大，超壓閾值0.003 MPa 時傷害距離為299 m，室外人員死亡臨界值距離為181 m，室內(nèi)人員死亡距離為158 m。

3.3.2 泄漏孔徑

選擇管道長度16 km，管徑1 016 mm，輸送壓力10 MPa，與水平面呈45°方向泄漏，風(fēng)速5 m/s，大氣穩(wěn)定度為D，分析泄漏孔徑/管道直徑（d/D）為0.1、0.2、0.5、0.7、1.0 五種泄漏模式下蒸氣云沖擊波的影響。其中，d/D=1.0 泄漏模式下蒸氣云沖擊波危害范圍如圖12 所示，不同泄漏孔徑?jīng)_擊波傷害距離對比如圖13所示。

圖12 d/D=1.0泄漏模式下蒸氣云沖擊波危害范圍

圖13 不同泄漏孔徑蒸氣云沖擊波傷害距離對比

從圖13 可以看出，隨著泄漏孔徑增大，其沖擊波超壓傷害距離增大，發(fā)生大孔和斷裂明顯比小孔泄漏造成的范圍大。當d/D=1.0 時，即完全斷裂產(chǎn)生沖擊波超壓傷害距離最大，超壓閾值0.003 MPa時傷害距離為1 269 m，室外人員死亡臨界值距離為783 m，室內(nèi)人員死亡距離為686 m。

3.3.3 環(huán)境風(fēng)速

選擇管道長度16 km，管徑1 016 mm，小孔/裂紋（d/D=0.2），輸送壓力10 MPa，與水平面呈45°方向上泄漏，分析表3 所示五種氣象條件下蒸氣云爆炸的影響。其中，風(fēng)速1 m/s、大氣穩(wěn)定度為F 條件下的沖擊波危害范圍如圖14 所示，不同環(huán)境風(fēng)速沖擊波傷害距離對比如圖15所示。

圖14 風(fēng)速1 m/s的沖擊波危害范圍

圖15 不同環(huán)境風(fēng)速沖擊波傷害距離對比

從圖15 可以看出，隨著環(huán)境風(fēng)速增大，其沖擊波超壓傷害距離減小，因為風(fēng)速將爆炸濃度稀釋，當環(huán)境風(fēng)速為1 m/s 時產(chǎn)生沖擊波超壓傷害距離最大，超壓閾值0.003 MPa 時傷害距離為336 m，室外人員死亡臨界值距離為200 m，室內(nèi)人員死亡距離為174 m。

3.3.4 泄漏方向

選擇管道長度16 km，管徑1 016 mm，小孔/裂紋（d/D=0.2），輸送壓力10 MPa，風(fēng)速5 m/s，大氣穩(wěn)定度為D，分析與水平面呈45°方向、0°方向、30°方向、60°方向、90°五種泄漏方向蒸氣云爆炸的影響。其中，與水平面呈0°方向的沖擊波危害范圍如圖16 所示，不同泄漏方向沖擊波傷害距離對比如圖17所示。

圖16 0°方向的沖擊波危害范圍

圖17 不同泄漏方向沖擊波傷害距離對比

從圖17 可以看出，隨著泄漏方向從垂直向水平過渡，沖擊波超壓傷害距離將增大，而水平泄漏時產(chǎn)生沖擊波超壓傷害明顯比其他泄漏方向距離大，超壓閾值0.003 MPa時傷害距離為393 m，室外人員死亡臨界距離為268 m，室內(nèi)人員死亡距離為241 m。

3.4 火球事故后果分析

火球是可燃性氣體與空氣的混合云團，是可燃范圍內(nèi)遇到點火源發(fā)生的瞬態(tài)燃燒，一般發(fā)生概率相對較低，通常火球產(chǎn)生的瞬時熱量以熱劑量來表征，PHAST 軟件以人體所能承受的熱量為依據(jù)，設(shè)定2.144 54%和4.289 08%濃度邊界作為人員安全和死亡的閾值。當管道長度16 km、管徑1 016 mm、輸送壓力10 MPa、風(fēng)速5m/s、小孔/裂紋（d/D=0.2）、水平方向泄漏，火球產(chǎn)生危害范圍如圖18 所示，并計算不同工況下火球影響范圍見表4。

表4 不同工況下火球事故影響范圍

圖18 火球事故危害范圍

通過模擬計算，當管道輸送壓力、泄漏孔徑、環(huán)境風(fēng)速增大，發(fā)生火球的上下限濃度邊界將增大。當發(fā)生大孔泄漏和斷裂泄漏時，火球的上下限濃度邊界遠遠大于小孔泄漏。輸送壓力10 MPa、風(fēng)速5 m/s、小孔/裂紋（d/D=0.2）、水平方向泄漏上限濃度邊界為331 m，大于相同工況下噴射火和蒸氣云爆炸人員死亡半徑307 m 和268 m。一旦在燃爆濃度范圍內(nèi)遇到點火源，火球事故將造成更大的傷害。

3.5 事故后果對比分析

根據(jù)《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》（GB 32167—2015）中6.1.3.2 相關(guān)計算公式，計算某管線運行工況下潛在影響半徑，其中管徑1 016 mm管道在10 MPa運行壓力下其潛在影響半徑為318 m，但是標準給定的潛在影響半徑并未說明其代表死亡半徑還是輕傷半徑。根據(jù)火災(zāi)及爆炸傷害準則，噴射火事故產(chǎn)生的熱輻射通量6 kW/m2和蒸氣云爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓0.014 MPa是室外人員致死閾值，結(jié)合PHAST軟件模擬結(jié)果確定室外人員致死范圍，對比不同失效后果在不同工況條件下致死情況，結(jié)果見表5。

表5 不同事故后果對室外人員致死范圍

通過模擬計算火球造成的傷害半徑最大，蒸氣云爆炸最小。當發(fā)生小孔垂直泄漏時，造成的人員傷亡最低。對比火球最大傷亡半徑和潛在影響半徑發(fā)現(xiàn)，當輸送壓力10 MPa、風(fēng)速5 m/s、小孔/裂紋（d/D=0.2）、水平方向泄漏，其死亡半徑大于潛在影響半徑，并且隨著泄漏孔徑和環(huán)境風(fēng)速增大，死亡半徑更大，因此GB 32167—2015中潛在影響半徑設(shè)置略為保守。

4 結(jié) 論

（1）采用PHAST 軟件對噴射火、火球、蒸氣云爆炸等事故后果進行數(shù)值模擬，計算了不同工況下室內(nèi)及室外人員的傷亡范圍。

（2）影響火災(zāi)爆炸事故最嚴重的因素是泄漏孔徑，通過計算可知造成人員傷亡半徑的影響大小：火球＞噴射火＞蒸氣云爆炸。

（3）根據(jù)GB 32167—2015計算某管線運行工況下的潛在影響半徑，管徑1 016 mm在10 MPa運行壓力下其潛在影響半徑為318 m，危害范圍略低于模擬值，因此GB 32167—2015 中潛在影響半徑設(shè)置略為保守。

（4）火災(zāi)爆炸事故中造成人員傷亡距離室外大于室內(nèi)。通過對泄漏事故影響范圍研究，重點從杜絕點火源、減少泄漏量、人員疏散等方面減輕事故后果。