埋地輸氣管道爆炸驅動的路面動力響應分析

陳利瓊, 陳穎, 許鐸

(西南石油大學石油與天然氣工程學院, 成都 610500)

隨著國家經濟發展和人民生活水平提高,中國對天然氣需求日益劇增,全國現存天然氣管道總里程已達1.1×106km,為保證能源事業有序推進,中國計劃在2025年建成天然氣管道1.6×106km[1-2]。在國家大力建設天然氣管道時,諸多問題也隨之涌出,比如城鎮化發展導致管道上方敷設了眾多道路,致使管道在復雜環境因素發生破壞并形成爆炸事故。因此,掌握好埋地管道爆炸時路面的動力響應分析,對制定城市建設規劃具有重大現實意義。

由于埋地管道爆炸事故后果的嚴重性,中外學者將“埋地管道爆炸影響上方道路現象”根據爆炸過程分為三個部分進行獨立研究:管道爆炸類型、爆炸沖擊波在土壤中傳播、道路毀壞。2019年,Lin等[3]研究煤礦復雜的爆炸的連鎖爆炸反應,為防范甲烷化學爆炸提供科學建議;Ford等[4]把前人的經典模型和美蘇爆炸試驗數據進行比較,改進了化學爆炸源模型;Alhussan等[5]開發了基于拉格朗日的物理模型及其程序代碼,用于模擬爆炸沖擊波流動過程,該模型能高效反映爆炸沖擊波流動特性;張軍等[6]采用有限元分析軟件對埋地炸藥爆炸產生的沖擊波進行研究,得出爆炸沖擊波波陣面為壓力峰值,其峰值強度隨著時間遞減;嚴峰等[7]設計了測量埋地炸藥產生的沖擊波強度變化實驗系統,并對爆炸強度等同于1 kg TNT炸藥的管道進行測量,得出土中應力波峰值的變化關系;鄧祥輝等[8]采用數值模擬的方法計算爆破施工中路面關鍵點的超壓峰值,并結合現場數據,得出路面安全的超壓峰值為0.98 MPa;任朋飛等[9]通過實驗和數值模擬方式得到TNT炸藥爆炸時超壓峰值,提出一種適用于預測爆炸沖擊特性的經驗公式。

雖然中外學者針對埋地管道爆炸影響道路現象已從三個部分進行獨立研究,但依然存在以下問題。目前中外學者研究主要體現在埋地管道爆炸能量傳播形式和等效TNT當量大小,未考慮在同一工況下管道埋深、壁厚、敷設夾角等因素變化時管道爆炸對道路毀壞影響。現將基于有限元分析方法,模擬不同管道埋深、壁厚、管道敷設夾角下的管道爆炸對道路影響,選取典型地面測試點,分析各個因素對道路不同位置的超壓影響規律,探究各個測試點超壓峰值變化規律原因,得到影響人和建筑物事故后果最小時的管道所處環境數據,為后續城鎮化建設提供理論依據,避免管道爆炸產生嚴重事故后果。

1 管道爆炸對道路影響理論分析

1.1 管道爆炸影響道路因素分析

(1)埋深。管道埋深是指非架空敷設管道所處環境處離地面的垂直距離,埋于地下管道爆炸沖擊波能量可在土壤作用下受到削弱,致使其到達地面能量或可低于地面最大許可壓力,道路不發生破壞。根據國家標準GB50028—2006,管道若敷設在機動車不可到達之地時埋深需大于0.3 m,同時凍土層處管道埋深可達6 m。較大管道埋深差距導致管道爆炸對道路影響作用不一致,因此探究道路動力學在不同管道埋深條件下的變化情況具有重要意義。

(2)壁厚。管道壁厚對管道爆炸影響大致等同于土壤對爆炸沖擊波的吸收作用,管道內部爆炸能量需沖破管道才可直接作用于土壤,由于管道設計壁厚主要取決于內部天然氣壓力,設計壁厚可承載力和管道爆炸時所產生能量大小難以比較。故本文將以常見管道壁厚為標準,探究在不同壁厚下管道爆炸對上方道路影響。

(3)敷設夾角。管道敷設夾角是指穿越道路的管道與道路之間的夾角,如圖1所示。不同敷設夾角下通過道路管道長度不一致,致使作用于道路能量當量出現差異。本文研究中將以管道敷設夾角為變化因素,探究夾角變化下道路動力學相應狀態。

圖1 管道敷設夾角示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline laying angle

1.2 管道爆炸類型

基于管道爆炸能量來源形式差異可將其分為物理爆炸和化學爆炸兩種[10]。化學爆炸是指由化學變化引起的爆炸,其主要能量來源于化學反應能,當管道發生化學爆炸時極易形成湍流燃燒,引發“二次爆炸”,產生更為嚴重的爆炸事故[11]。介于“二次燃燒”的復雜性及后果嚴重程度,本文研究將管道內天然氣爆炸看成物理爆炸。

管道發生物理爆炸時所產生能量全部來自物理做功,是指爆炸前后管道內部氣體發生膨脹做功轉化為爆炸能量,計算公式為

(1)

式(1)中:P0為管道內初始氣體絕對壓力,MPa;V0為管道初始體積,m3;Pa為管道內絕熱過程的氣體絕對壓力,MPa;Va為管道內絕熱過程的體積,m3;k為氣體的絕熱指數,無量綱數。

輸氣管道內部主要成分為甲烷,經查其絕熱指數為1.316,將絕熱指數代入式(1),可得天然氣管道爆炸能量公式為

(2)

式(2)中:Eg為氣體爆炸能量,kJ;P0為管道內初始氣體絕對壓力,MPa;V為管道內的體積,m3;P為管道內氣體絕對壓力,MPa。

介于單一數值形式的能量表達方式具備較低工程實際運用價值,得益于TNT炸藥的廣泛應用以及建成的大量模型數據庫,采用能量等效原則,將爆炸所產生的能量數值用TNT質量進行表示,換算公式為

(3)

式(3)中:WTNT為爆炸的TNT當量,kg;E為超壓爆炸能量;QTNT為1 kg TNT的爆炸能量,取值4.52×103kJ。

1.3 爆炸沖擊波分析

管道爆炸產生爆炸沖擊波,致使管道破裂形成破片傷害,對于埋地管道而言,爆炸形成的沖擊波為主要破壞形式。爆炸沖擊波是指爆炸釋放的能量使周圍氣體急劇升溫,迫使周圍氣體壓縮,離開原來位置[12-13]。其為一種有限量的突躍變化,即后面氣體會壓迫前面溢出氣體產生超高壓,如圖2所示。

P0為爆炸中心處壓力;P1為沖擊波波面壓力

由于波可在遇到阻擋物時發生反射現象,爆炸沖擊波也兼具這種反射特性。爆炸所產生能量經過三個階段生成沖擊波:沖擊波產生,反射波形成和多次反射波[14]。按入射角的不同,可分為正反射和斜反射。當沖擊波垂直入射反射面時,即發生正反射;若不相同時,即為斜反射。入射波的壓力、溫度等參數會疊加進反射波中,因此反射波的能量會大于入射波的能量,其發生正反射時的反射波超壓值如式(4)所示;斜反射時的反射波超壓值如式(5)所示。介于管道爆炸發生時沖擊波的多向擴散性,根據入射角的差異,本文研究將爆炸沖擊波設置為斜反射。

(4)

式(4)中:ΔP1為入射沖擊波超壓,kPa;ΔP2為反射沖擊波超壓,kPa;P0為未擾動空氣的壓力,kPa;K為反射系數,一般取1.4。

(5)

式(5)中:ΔP1為入射沖擊波超壓,kPa;ΔP2為反射沖擊波,kPa;P0為未擾動空氣的壓力,kPa;φ1為入射角,(°);φ2為反射角,(°)。

1.4 道路及其附屬設施破壞失效準則

管道爆炸對道路的破壞有對道路的路面破壞、路面上的建筑物損壞和路面上的行人安全威脅。主要傷害準則有超壓準則、沖量準則和超壓-沖量準則。超壓準則理論是指只有當沖擊波的超壓大于或等于某一臨界值,研究目標才會被破壞。這一準則適用于多數情況,所以本文研究中分析沖擊波的損傷作用仍采用超壓準則。

2 有限元模型建立及驗證

以某X80鋼材管道為研究對象,該管道廣泛應用于中緬管道工程中,具有較高研究價值。所設天然氣管道管徑為1 016 mm,工作壓力為10 MPa,管內天然氣流速為20 m/s,管內溫度為293 K,初始埋深為1 m,壁厚為15.3 mm,管道周圍土體設置為長方體,其長、寬、高分別為12、2、7 m。介于天然氣的可燃性,管道發生爆炸時管內天然氣均參與反應,將所設天然氣管道條件數據代入式(1)～式(3)得到等效TNT質量為15 kg。

2.1 有限元模型建立

本文數值模型共包含土體、管道、空氣、TNT 4個部分,為保證模擬實驗結果準確性,將管道周圍土體采取細致網格剖分,遠離一側粗略劃分網格,共計形成223 544個網格單元。同時土體材料模型選擇混泥土材料模型、空氣模型選擇空物質材料和流體動力材料、TNT炸藥模型采用MAT-HIGH-EXPLOSEIVE-BURN模型、管道采用隨動雙線性硬化材料模型高性能炸藥材料模型[15]。最終形成TNT-空氣-土體-管道耦合網格模型,如圖3所示。

圖3 管道耦合分析模型Fig.3 Pipeline coupling analysis model

2.2 模型驗證

礙于埋地管道爆破試驗的危險性,不可直接在空地上進行爆破實驗得到超壓峰值,采用炸藥在密閉空間中的爆炸超壓測試實驗進行對比[16-19]。圖4為爆炸實驗裝置示意圖,在爆炸裝置對角處開設空氣進氣口,按照炸藥爆炸理論空氣消耗量設置進氣值,采用電打火方式將炸藥進行引爆,將產生能量利用壓力傳感器進行收集。

圖4 爆炸實驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of explosion experimental device

將不同當量TNT放入實驗容器中,測量爆炸所產生超壓峰值并和同當量TNT模擬實驗值進行比較,繪制成如圖5所示的折線圖。

圖5 實測值和模擬值對比Fig.5 Comparison between measured and simulated

由圖5可以看出,實測值和模擬值基本重合,最大偏差是9.24%,最小偏差是3.12%,平均超壓峰值偏差為5%。說明本模型的參數設置和計算流程是可行的,能夠較為準確地進行模擬。

3 結果與討論

3.1 埋深對管道爆炸影響分析

為模擬埋地管道在不同埋深情況下爆炸情況,將管道壁厚選取15.3 mm,敷設夾角為90°,其他條件不變。將管道埋深以0.5 m為刻度進行劃分,模擬埋深從0.5～5 m的共10種工況,提取埋深為0.5、2.5、3.5、5 m處的超壓云圖,如圖6所示。

圖6 不同深度的道路損傷情況Fig.6 Road damage at different depth

根據圖6可知,在管道埋深為0.5～2.5 m期間,道路損傷嚴重,出現部分路面缺失不見即炸飛現象,土壤處裂紋密集;在管道埋深為3.5～5 m期間,道路表層并未出現炸飛現象,土壤產生較多裂紋;在管道埋深為5 m時,沖擊波未對道路表面形成明顯破壞,在爆炸中心處形成爆炸空腔,周圍土壤處形成裂紋空隙。

為進一步觀察爆炸沖擊波對道路表面的影響規律,在道路表面選取4個點,距管道正上方水平距離分別為0、3、6、9 m,如圖7所示。利用后處理軟件將其在管道埋深條件改變下的超壓峰值進行提取,將所提取壓力值取絕對值排序并繪制成折線圖,如圖8所示。

圖7 測試點選取圖Fig.7 Test point selection diagram

圖8 各測試點的超壓峰值情況圖Fig.8 Diagram of over-pressure peak at each test point

由圖8可知,管道相同埋深情況下的道路超壓峰值大小和道路測試點位置相關聯,總體呈現出離爆炸中心越近,超壓峰值越大的規律。測試點1、3處的超壓峰值隨著管道埋深呈現“增加-減小”趨勢,當管道埋深達到1 m處,此時測試點1、3處的超壓峰值達到最大值,此后超壓峰值隨著管道埋深增加而減小;測試點2處超壓峰值隨著管道埋深增加呈現增加-減小-增加-減小趨勢,超壓峰值變化趨勢在埋深為1.5、2、2.5 m處時分別為減小、增加、減小,在埋深大于2.5 m時,超壓峰值隨著埋深增加呈現出降低現象;測試點4處由于離管道爆炸中心較遠,隨著管道埋深增加超壓峰值基本保持不變,但依然體現出超壓峰值下降趨勢。

由圖8可知,不同測試點處超壓峰值的變化規律在埋深改變下是不一致的。對變化趨勢最為明顯的測試點2進行分析,其超壓峰值變化原因如下。

(1)當相對距離較小時,管道爆炸產生的沖擊波由地面破裂處溢出,較多的能量消散在空氣中,測試點測得的超壓峰值較小,隨著埋深增加,管道爆炸沖擊波在土壤中傳播時間增加,可有效增大道路超壓峰值;當相對距離較大時,管道爆炸點上方覆土增多,可優先抵消爆炸沖擊波產生能量同時爆炸沖擊波能量由于道路破壞導致能量在空氣中彌散,這一過程下道路超壓峰值為減小趨勢。

(2)當管道覆土厚度剛好可使爆炸沖擊波到達地面,使其發揮最大威力,同時道路不發生破壞致使能量幾乎不溢出,這時道路超壓峰值為增加趨勢;當管道覆土厚度不足以使爆炸沖擊波到達地面,僅在內部形成爆炸空腔,這時道路超壓峰值為減小趨勢。

將上述模擬得出的不同測試點處超壓峰值和人員傷害超壓準則[20]和建筑物危害超壓準則[21]進行對比,可得不同條件下管道爆炸的影響情況,如表1所示。

表1 測試點隨著埋深變化的超壓峰值情況表Table 1 Over-pressure peak value of test points with buried depth

3.2 壁厚對管道爆炸影響分析

為模擬埋地管道在不同壁厚情況下爆炸情況。將管道埋深選取1 m,敷設夾角為90°,其他條件不變,改變壁厚厚度為10、15、20、25、30、35 mm,共6種工況。選取超壓峰值測試點與3.1節中的測試點相同,得出不同壁厚管道爆炸的測試點超壓峰值折線圖,如圖9所示。

圖9 不同壁厚管道爆炸的測試點的超壓情況圖Fig.9 Over-pressure at test points of pipeline explosion with different wall thickness

通過圖9可以發現,4處測試點超壓峰值在壁厚為10～15 mm時出現劇烈上升現象,并在15 mm處超壓峰值達到頂峰。隨著壁厚增加超壓峰值出現下降趨勢,當管道壁厚增加至20 mm之后,壁厚變化對超壓峰值幾乎沒有影響。

由圖9可知,管道壁厚增加時各個道路測試點處超壓峰值不遵循隨著增加而減小的特點,其原因如下。

(1)管道爆炸是一個復雜的過程,當沖擊波傳播到管壁會發生反射波,也可能造成馬赫波,這會對產生的爆炸沖擊波有聚集、反射和增強的效果。管道鋼材強度越大或厚度越大,會使反射波的次數增加。這對爆炸沖擊波的聚集作用加強,增加爆炸沖擊波的沖擊力。因此,當壁厚增大的時候,測試點測得的超壓會增加。

(2)管道爆炸產生的爆炸沖擊波要沖破管壁從而發散到土中,這時會消耗一部分能量,使得其自身的沖擊力會有所減弱。管壁越厚,測試點的超壓峰值會越小。

這兩者共同影響測試點的超壓峰值大小。由此可知,壁厚增加可以阻礙爆炸沖擊波對測試點的超壓影響,但是達到一定厚度時,增加壁厚,減緩爆炸效果不明顯。

將上述模擬得出的不同測試點處超壓峰值和人員傷害超壓準則和建筑物危害超壓準則進行對比,可得不同條件下管道爆炸的影響情況,如表2所示。

表2 測試點隨著壁厚變化的超壓峰值情況表Table 2 Over-pressure peak value of test points with wall thickness

3.3 管道敷設夾角對管道爆炸影響分析

為模擬埋地管道與道路不同敷設夾角情況下爆炸情況。選取管道壁厚為15.3 mm,埋深為1 m,其他條件不變,改變敷設夾角,設置90°、75°、60°、45°、30°、15°共6種工況。選取測試點與3.1節相同,得出不同敷設角度管道爆炸的測試點的超壓峰值情況如圖10所示。

圖10 不同敷設角度管道爆炸的測試點的超壓情況圖Fig.10 Over-pressure at test points of pipeline explosion at different laying angles

由圖10可知,管道敷設夾角越接近90°,道路測試點的超壓峰值越小。測試點1處的道路超壓峰值隨著敷設夾角改變基本保持不變,但略微呈現下降趨勢;由于測試點2、3在管道爆炸范圍,隨著敷設夾角的減少,管道在穿越道路的接觸長度增加,爆炸量也隨之增加,故而測試點2、3處的超壓峰值變化明顯,隨著管道敷設夾角的增加,其超壓峰值呈現下降趨勢,當敷設夾角達到45°,超壓峰值下降開始變得緩慢;測試點4的超壓峰值與敷設夾角變化關系不大,因為其離管道爆炸點較遠,受爆炸沖擊波影響較小。

將上述模擬得出的不同測試點處超壓峰值和人員傷害超壓準則和建筑物危害超壓準則進行對比,可得不同條件下管道爆炸的影響情況,如表3所示。

表3 測試點隨著敷設角度變化的超壓峰值情況Table 3 Over-pressure peak value of test points with laying angle

4 結論

通過對埋地管道所處環境因素分析,建立“TNT-空氣-土體-管道”分析計算模型,獲取在不同壁厚、埋深、敷設夾角下的管道爆炸時道路測試點的超壓峰值數據,結合人員傷害超壓準則和建筑物危害超壓準則,得出以下結論。

(1)管道埋深達到5 m時,道路表面未有損傷,此時爆炸對人和建筑物傷害最小,道路內部形成爆炸的空腔。埋深0.5～2.5 m這段距離,道路損傷嚴重,管道正上方路 面有部分炸飛。埋深在3 m之后,接近道路的表面出現裂紋,但路面沒有被炸飛。

(2)隨著管道壁厚的增加,測試點的超壓峰值呈現“增加-減少”的現象。在壁厚為15 mm時,超壓峰值達到最大,隨后下降。但當壁厚增加到20 mm之后,各點測試點的超壓峰值隨著管道壁厚增加而改變不大。

(3)管道與道路的敷設夾角越接近90°,管道爆炸對道路表面各點的影響越小。測試點1和測試點4的超壓峰值與敷設夾角關系不大;測試點2和測試點3的超壓峰值隨著敷設夾角的減少而增加。