輸氣管道潛在影響區模型關鍵參數取值討論

何 沫，廖柯熹

（西南石油大學 石油與天然氣工程學院， 四川 成都 610500）

輸氣管道潛在影響區模型關鍵參數取值討論

何 沫，廖柯熹

（西南石油大學 石油與天然氣工程學院， 四川 成都 610500）

天然氣管道的潛在影響區是指如果管道發生失效，其周邊公眾安全和財產可能受到明顯響影的區域。泄漏速率衰減因子的取值對潛在影響區半徑計算模型的準確性有著極大影響，ASME B31.8S基于對實驗數據的研究，將泄漏速率衰減因子λ的取值為0.33。研究ASME B31.8S中泄漏速率衰減因子的取值方法，并根據該取值方法，對不同管道的泄漏速率衰減因子λ進行計算。計算結果表明：對于108～1 219 mm管徑的管道，泄漏速率衰減因子在0.14到0.32之間，泄漏速率衰減因子不隨管道壓力變化，而隨管徑的減小而減小。由此得出結論：將λ取為0.33可以滿足安全管理需求，但是對于城鎮燃氣管道這類較小口徑管道而言，可能造成潛在影響半徑計算結果過大，在安全管理中難以執行且提高安全管理成本。最后將不同管道λ分別取值，計算出潛在影響區半徑與原潛在影響區半徑公式的計算結果進行比較。

天然氣管道；泄漏；泄漏速率衰減因子；潛在影響區半徑；ASME；PHAST

潛在影響區是指如果管道發生失效，其周邊公眾安全和財產可能受到明顯影響的區域[1]。ASME B31.8S提供的天然氣管道的潛在影響區計算模型在噴射火單點源模型的基礎上提出，通過計算噴射火熱輻射的影響范圍對管道失效后的潛在影響區半徑進行計算。發生泄漏后，天然氣管道壓力會不斷衰減，質量泄漏速率Q隨時間不斷降低，因此運用噴射火模型對潛在影響區計算模型推導的過程中必須引入當量泄漏速率這一概念。ASME B31.8S引入“泄漏速率衰減因子λ”這個概念，將當量泄漏速率Qeff取為λQpeak[2]。因此，λ的取值對于潛在影響區半徑計算的準確性有極大影響，基于對管道泄漏速率衰減規律的實驗研究，在ASME B31.8S中，λ被取為0.33。

根據相關研究[3]，不同管道條件下λ的值不同。城鎮燃氣管道管徑較小，分布密集，若將泄漏速率衰減因子取為0.33會造成管道潛在影響半徑計算結果過大，進而增加安全管理成本，還可能造成管道建設與城市規劃相抵觸，安全范圍無法執行等問題。因此，必須針對城鎮燃氣管道的管道條件，對泄露速率衰減因子的取值展開討論。

本文在泄漏速率計算模型的基礎上，對管道泄漏過程中不同時間點的泄漏速率進行計算，并計算出泄漏速率衰減因子λ和ASME B31.8S中λ的取值進行比較。文章最后根據λ的計算值計算出不同管道對應的潛在影響區半徑，并與原公式的計算結果進行比較。

1 關于泄漏速率衰減因子取值的討論

1.1 潛在影響區模型和泄漏速率衰減因子的關系

在 ASME B31.8S中，潛在影響區半徑計算模型為[4]：

其中： Hc——泄漏氣體的燃燒熱，kJ/kg；

η——燃燒效率，無量綱；

Xg——發射率，無量綱；

r——潛在影響區半徑,m；

Q——當量泄漏質量速率，kg/s;

I——熱輻射閾值，kW/m2。

從模型可以看出，天然氣管道的潛在影響區半徑r是一個關于泄漏速率Q的函數。由于天然氣管道發生泄漏后，泄漏速率會隨著壓力的衰減而不斷減小，ASME B31.8S引入泄漏速率這一概念，并將當量泄漏率Qeff取值為λQpeak，其中λ為泄漏速率衰減因子。因此，泄漏速率衰減因子的取值對天然氣管道潛在影響區半徑的計算是非常重要的。在潛在影響區半徑計算模型的推導過程中，Mark.J等人認為泄漏速率衰減因子λ的取值跟管道直徑，管道工作壓力，和管道泄漏后被點燃的時間這個3個因素有關[5]。

根據文獻資料，發生全管徑斷裂時，天然氣管道發生泄漏后被點燃的常見時間為1～2 min[6]。荷蘭應用科學院（TNO）對大量不同管道泄漏速率衰減規律的實驗研究，管道在泄漏發生60 s后，泄漏速率已經趨于穩定，根據以上研究結論，ASME B31.8S選用60 s時的瞬時泄漏率作為熱輻射計算時的當量泄漏率，并定義60 s時的瞬時泄漏率Q60與初始泄漏率峰值Qpeak之比等于泄漏速率衰減因子λ。根據TNO的實驗結果，不同管道的λ在0.2～0.5之間，英國的管道事故后果危害研究認為λ的合理取值為0.25[7]，而ASME B31.8S將λ相對保守的取為0.33，并在此基礎上推導出廣為人知的潛在影響區半徑計算公式：

式中：p——管道壓力，Pa；

d——管道直徑，mm。

由上文可知，ASME B31.8S對λ的取值完全基于實驗數據，下文將基于泄漏速率計算模型通過數值模擬的方法，計算出60 s時對應的瞬時泄漏率及初始泄漏速率峰值，進而計算出λ的值和ASME

B31.8S對λ的取值進行比較，以對λ的合理取值展開討論。

1.2 泄漏速率衰減因子計算方法簡述

本文運用挪威船級社失效后果模擬軟件PHAST對天然氣管道的平均泄漏速率Qavra和泄漏速率初始峰值Qpeak進行計算[8,9]。泄漏速率計算采用管道泄漏常用模型，考慮管道全管徑斷裂，泄漏孔徑取為管道直徑d：

式中： Qin——氣體泄漏質量速率，kg/s；

Cd——氣體流量系數；

a0——當地聲速，m/s；

φ——流動系數，無量綱；

d——有效孔徑，m；

p——管道壓力，Pa。

管內氣體壓力計算采用 BWRS氣體狀態方程[10]：

式中：P——氣體壓力，Pa；

ρ——氣相密度，kmol/m3；

R——理想氣體常數，無量綱；

T——氣體溫度，K。

采用ASME B31.8S中的的取值方法，對泄漏速率衰減因子λ值的計算，首先計算出管道泄漏速率峰值和60 s時的泄漏速率，后采用計算公式如下：

式中： Q60—60 s時管道泄漏速率，kg/s；

Qpeak—泄漏速率峰值,kg/s。

圖1 泄漏速率衰減因子計算流程圖Fig.1 The tree of the calculation of leakage rate decay factor

軟件將泄漏總時間t分為100個時間段，假設在每個時間段內，管道各參量都不發生變化[11,12]。計算步驟如圖1所示。

1.3 天然氣管道泄漏速率衰減因子的計算

為研究管道壓力，管徑對衰減因子λ的影響，本文對標準管徑的管道在不同壓力條件下管道的衰減因子進行計算，計算結果如表1所示。

表1 不同管道條件下泄漏速率衰減因子計算結果表Table1Calculation result of leakage rate decay factor under different pipeline condition

從表1可以看出，對管徑在108 mm到1 219 mm間的管道，λ的計算結果在0.14～0.32之間，當管徑一定時，泄漏速率衰減因子λ不隨壓力的變化而發生變化；當壓力一定時，λ隨著管徑的減小而減小；且當管徑較大時，λ隨著管徑的變化趨勢較緩，當管徑較小時，λ隨管徑的變化趨勢較陡。由計算結果可以看出，在計算管道失效后的潛在影響區半徑時將泄漏速率衰減因子λ取為0.33是相對合理的，可以滿足安全管理需求；同時，我們也應注意到，不同管徑管道的泄漏速率衰減因子變化幅度較大，對于較小管徑的管道，將λ取為0.33無疑會使得管道的安全管理成本增加。

1.4λ的變化對潛在影響區半徑的影響

對不同管徑管道的泄漏速率衰減因子分別取值，并將λ帶入潛在影響區模型中，則潛在影響區公式可變為表2所示。

根據表2中的公式，對不同管道潛在影響區半徑計算如表3所示。其中λ為原衰減因子；R是以λ計算出的潛在影響區半徑；R’是以λ’計算出的潛在影響區半徑，ΔR為R與R’之差；相對誤差為ΔR與R的比值。

表2 不同λ對應的潛在影響區半徑公式表Table 2 The formula of potential impact area for differentλ

表3 潛在影響區半徑計算結果表Table 3 Calculation result of the potential impact area radius

圖2 潛在影響區半徑差值百分比曲線Fig.2 The D-value percentage of the potential impact area radius

2 結 論

本文通過對ASME B31.8S中氣體管道衰減因子的取值方法的研究，采用相同的方法對不同管道條件下衰減因子的值進行計算，得出以下結論：

（1）管道的泄漏速率衰減因子不隨管道壓力變化，但隨管徑的減小而減小。

（2）不同管徑管道泄漏速率衰減因子的計算值在 0.14～0.32之間，將所有管徑管道統一取為 0.33可以較為保守的滿足安全管理要求，但對于小口徑管道而言，會造成潛在影響區半徑計算值過于保守。

（3）在實際工程運用中，對于口徑較小的管道，可根據表2中提供的公式計算潛在影響區半徑，以達到降低安全管理成本的目的。

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Discussion on the Key Parameters of Gas Transmission Pipeline Potential Impact Areas Model

HE Mo,LIAO Ke-xi

（Petroleum and Natural Gas Engineering Institute, Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500, China）

Potential impact area of natural gas pipeline is an area where the public security and property may be significantly affected if pipeline failures. The value of leak rate attenuation factor has a great impact on the calculation accuracy of the potential impact radius model. ASME B31.8S evaluates the leak rate decay factor λ to 0.33 based on the experimental data. In this paper, the reasonableness of the value of λ was discussed, the method to evaluate leakage rate decay factor in ASME B31.8S was studied. And then leak rate decay factor λ of different pipelines was calculated with the sophisticated leak rate calculation model according to the method. The results show: for different pipelines, leak rate decay factor is between 0.14 and 0.32; the leak rate decay factor does not vary with the pressure changing in the pipeline, but decreases with the diameter decreasing. It is concluded that, taking the λ as 0.33 can meet the needs of safety, but this will improve the cost of safety management for small diameter pipeline. Finally, the radius of potential impact area of natural gas pipeline was calculated when λ was different, and the results were compared with the results when λ was taken as 0.33.

Natural gas pipeline; Discharge; Leak rate decay factor; Potential impact area; ASME; PHAST

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0608-04

2014-11-04

何沫（1990-），男，重慶人，碩士學位，2015年畢業于西南石油大學油氣儲運工程專業，研究方向：天然氣管道泄漏后果評價。E-mail：573524840@qq.com。