天然氣站場管道振動失效后果分析

馬小芳

(中國石油集團石油管工程技術研究院　陜西　西安　710077)

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·失效分析與預防·

天然氣站場管道振動失效后果分析

馬小芳

(中國石油集團石油管工程技術研究院陜西西安710077)

討論了管道失效后果評估流程和失效后果分析中應考慮的因素，總結了引起站場管道振動的因素，并對振動失效造成的后果進行了分析和計算，定量計算出失效的后果，包括設備破壞面積、人員致死面積、爆炸半徑、經濟損失。

站場管道；振動；失效

1　管道的振源分析

引起管道振動的一般是兩個振動系統：一個是流體系統，另一個是管道結構系統。在天然氣輸送管道中，由于使用壓縮機來給管道中輸送的天然氣提供能量，容易產生不穩定的壓力及氣流流速，造成氣流的運動，而在管道不平直的位置，在壓力脈動下就會產生一定的干擾力，引起管道振動。

管道及其相連接的各種設備、裝置及其支架構成了一個復雜的結構系統。在有激擾力的情況下，這個系統就會產生振動。該系統結構本身所具有的頻率稱為管道系統固有頻率。當激擾力的頻率接近管道系統的固有頻率時，管道將發生共振。

振動屬于疲勞載荷，會在應力集中處(結構不連續處、存在缺陷的環焊縫或焊接性能較差的環焊縫)產生疲勞源，進而引發疲勞微裂紋，在一定數量的疲勞循環后形成疲勞裂紋，引發泄漏。管道失效后果主要是由于泄漏的輸送介質如果發生爆炸或火災，或者輸送介質中含有的毒性物質，造成管道周圍的人員傷亡、財產損失以及環境污染。

2　管道失效后果評估流程

管道失效后果的分析是通過對有代表性的失效場景建立數學模型，分析管道失效后發生的災害類型和影響范圍，估算其造成的各種損失情況。定量后果分析模型需要考慮輸送介質的物理化學特性、泄漏速率、點火概率、災害種類等因素。后果的定量評價可按照下述步驟進行：1)確定管道的失效模式和災害類型；2)計算介質泄漏速率和/或泄漏量；3)計算災害的強度和影響范圍；4)估算災害造成的損失情況[1]。

2.1管道失效災害類型

輸氣管道在發生泄漏之后，如果立即點燃，通常只會發生噴射火(JF)，而不是先發生火球，再發生噴射火，這是因為最初火球災害可以認為是穩定噴射火災害的保守情形。如果延遲點燃，泄漏的氣體介質擴散之后，會發生蒸汽云爆炸(VCE)或者蒸汽云火(VCF)；如果沒有發生點燃，則只形成有毒火窒息氣團(VC)。氣體擴散后的影響范圍與介質在空氣中的濃度有關，受介質物理性質、氣象條件等因素影響。輸氣管線典型的失效事故樹見圖1。

若采用定量的失效后果分析，則須對上述的災害類型分別建立評價模型，并考慮各種災害類型的發生概率，確定管道的失效影響，所建立的數學模型應進行驗證，并與實際發生的事故進行比較。

圖1　管道失效后果事故樹

2.2管道失效后果分析中應考慮的問題

2.2.1泄漏速率和泄漏量

分析時應考慮泄漏速率的變化性，包括初始和穩定狀態下泄漏速率的估算。介質泄漏速率是泄漏持續時間的方程，并受失效位置、管道上下游邊界條件以及失效后搶修的反應速度等因素的影響。

管道斷裂時介質泄漏速率的計算比較復雜，需要考慮泄漏過程中管道壓力降低的影響，對于蒸氣壓高的液體介質還需要考慮兩相流的影響；管道泄漏速率的計算可以參照傳統的尖銳孔泄漏方程，再考慮一個適當的系數轉化為等效的穩態泄漏速率。對于低蒸氣壓液體管道，釋放速率往往受泄漏點的介質流動速率和泄漏孔尺寸的影響。小孔或者中等孔徑情況下，輸送介質會以噴射的形式釋放，較大的孔徑(>50 mm)泄漏時，泄漏速率與介質流動速率相近。

2.2.2氣象條件和環境因素

風速對于噴射火和蒸氣云的方向、影響范圍以及熱輻射強度都有影響。天氣和風速的分級可以參照Pasquill大氣穩定度的天氣類別劃分。在評價時，可以根據地方或者國家氣象信息部門獲得歷史天氣數據確定評價位置的大氣穩定性，若缺少這方面的數據，可以選取D類(不穩定)和F類(穩定)作為典型的天氣狀況進行分析。

當建立小孔泄漏狀態下的噴射火泄漏模型時，輸送介質泄漏可以看作是穩定狀態，后果模型通常可假設一個豎直的噴射火焰，并受到風向的影響，也可以按照不同的噴射角度建立更精確的火焰模型。精確的火焰模型，增加了方向性，但是在這個方向上發生失效的條件概率要相應降低。

2.2.3點火概率

對于油氣輸送管道來說，管道風險最重要的影響因素是泄漏的輸送介質是否被點燃，以及是立即點燃還是延遲點燃。點火概率可以對管道歷史失效數據進行統計分析得出。在確定立即點燃、延遲點燃等情況發生概率的基礎上，再來確定各種災害類型的發生概率。

泄漏的氣體介質或者液體介質蒸發形成的蒸氣云飄散之后，如果遇到點火源，可能會發生蒸氣云火或蒸氣云爆炸。從現有的事故統計數據來看，發生蒸氣云火或蒸氣云爆炸的概率很低。

2.2.4熱輻射和影響

如果人員所在的戶外或者建筑處于管道失效后形成的火焰范圍內，會造成致命的傷害；對于火焰包圍范圍之外的傷害主要來自于直接的熱輻射。熱輻射通過燃燒物質的能量來計算。通常可采用點源法進行計算，點源法假設所有能量是從火焰的一個點釋放出來的。

熱輻射方程應該考慮災害種類，噴射火通常具有相當大的噴射動量，因此火焰的正中心與泄漏孔之間會有一定距離，而熱輻射的影響在火焰中心和噴射方向上更強一些，受泄漏方向和風向、風速的影響。

3　失效后果計算方法

失效后果計算的流程如圖2所示。

圖2　失效后果計算流程

3.1流體特性

天然氣和石油產品都不是純凈物質，所以選擇一種代表性物質幾乎總是涉及到一些假定。可用式(1)計算混合物的一種特性：

特性混合物=∑xi×特性i

(1)

式中：xi=組份的摩爾分數并且特性i可以是標準沸點、分子量或密度。

3.2孔尺寸范圍

泄漏直徑要小于或等于設備或管道自身的直徑，使用四個標準孔尺寸：6.35 mm、25.4 mm、101.6 mm和破裂，見表1。例如，一根6.35 mm管道只有兩個孔尺寸：6.35 mm和破裂，因為最大可能的選擇相當于6.35 mm孔尺寸。對于壓縮機參照歷史失效數據，只選用25.4 mm和101.6 mm孔尺寸。

3.3泄漏率估計

將泄漏模擬為兩種類型：瞬時和持續。瞬時泄漏是一種迅速發生使流體作為一個單一的大云團或液池擴散的泄漏形式。持續泄漏是一種在長的時間內發生，從而允許流體以一長橢圓(取決于天氣條件)形式擴散的一種泄漏形式。

表1　定量風險評估所使用的孔尺寸

音速流動的氣體泄漏質量流量為[2]：

(2)

亞音速流動的氣體泄漏質量流量為：

(3)

式中：Cdg為氣體泄漏系數，與裂口有關，裂口為圓形時取1.00，三角形時取0.95，長方形時取0.90；A為裂口面積；p為氣體操作壓力，Pa；p0為大氣壓力，Pa；M為分子量；qmG為氣體泄漏質量流量，kg/s；R為氣體常數，8.3144 J/(mol·K)；T為氣體溫度，K。

3.4泄漏類型的確定

用來確定相應的泄漏類型的過程為：

1)所有“小孔”(6.35 mm)模擬為持續泄漏。

2)當泄漏4 540 kg花了不到3 min時，通過給定孔尺寸的泄漏為瞬時泄漏。

圖3　確定泄漏類型的過程

3.5燃燒爆炸后果

對于可燃物質，風險評估通過泄漏燃燒影響的區域來衡量后果。有多種涉及可燃物質的泄漏潛在結果，但是風險評估一般將一個綜合的結果認定為所有可能結果的均值，該綜合結果是根據概率加權理論得出的。但是，此處的概率值并不是泄漏可能性，而是泄漏發生后產生的不同的泄漏結果的可能性[3]。

3.6燃燒后果分析方法

步驟一：預測可燃性后果的概率

結果中描述的三種概率是：不點火、提前點火和推遲點火。

1)特定事件概率——在持續泄漏自動點火不可能的狀況下，發生事故的概率見表2。

表2　最后相態氣體——在自動點火溫度以下

2)特定事件概率——在瞬時泄漏自動點火不可能的狀況下，發生事故的概率見表3。

表3　最后相態氣體——在自動點火溫度以下

步驟二：計算每一結果的后果。

根據API 581，結果的公式表示如下：

A=axb

(4)

式中：A為結果區；a、b為與物質和后果相關的常數；x為泄漏質量。

步驟三：組合后果區的計算。

1)用相關的事件樹概率乘以每一結果的后果區。

2)將步驟一、二中發現的概率和后果的積相加，然后除以點火概率。

方程為：

Acomb=(P1A1+P2A2+…+PiAi)

(5)

式中：Acomb為組合的后果區；Pi為特定事件概率；Ai為單個結果后果區。

由于所有結果的后果區的面積計算式均為A=axb，并且各種結果發生的概率值相對穩定，所以我們在計算時直接使用組合后果區的面積。

持續泄漏后果等式：

設備破壞面積A=43x0.98

(6)

致死事故面積A=110x0.96

(7)

其中，A為面積；x為泄漏率。

瞬時泄漏后果等式：

設備破壞面積A=41x0.67

(8)

致死事故面積A=79x0.67

(9)

其中，A為面積；x為泄漏率。

4　風險計算及評定

4.1風險計算

風險值包含兩種評價單元破壞風險和人員致死風險，其計算公式如公式10和公式11[4]：

(10)

(11)

4.2風險評定

將設備的可能性類別和加權平均的后果類別顯示在一個5×5的風險矩陣中，如圖4所示。當將結果繪制在矩陣中時，它們給出被評估的裝置的風險等級的指示。矩陣的不同陰影區顯示風險的“高”、“中高”、“中”和“低”等幾個類別。

圖4　風險評估矩陣圖

1) 失效后果等級確定

失效后果類型是通過可能性加權平均面積實現的，可能性加權平均面積按照下面公式計算：

可能性加權平均面積=

(12)

可能性加權平均面積轉換成一個后果類別是通過對面積值的簡單的類別分配來完成的。根據選擇的分配，根據研究的需要獲得一個與任一類別相關的一個面積是可能的。表4給出了一個簡單的數量級分配。

2) 失效概率等級確定

可能性類別是通過設備的失效概率確定的，然后簡單地將類別分配。選擇一個簡單的數量級分配并示于表5。

失效概率=∑單孔失效概率

(13)

表4　失效后果等級

表5　失效概率等級

5　其他后果計算

5.1持續噴射火熱輻射

熱輻射通過燃燒物質的能量來計算。通常可采用點源法進行計算，點源法假設所有能量是從火焰的一個點釋放出來的。點源法的熱輻射通量計算公式為[5]：

qP=ηqmGHc

(14)

式中Hc為燃燒熱，J/kg；qP為電熱源熱輻射通量，W；qmG為泄漏氣體質量流量，kg/s，η為效率因子，一般為0.35。

噴射火線射流軸線上某點熱源i到距離該點x處一點的熱輻射強度為：

(15)

式中qi為點熱源i到目標點x處的熱輻射強度，W/m2；Ro為輻射率，可取0.2；R為點熱源到目標點的距離，m。

目標點的入射熱輻射強度等于所有點熱源對目標點熱輻射強度的綜合：

(16)

式中n為計算時選取點熱源數，一般取n=5。

5.2瞬時泄漏造成的爆炸損害半徑計算

根據荷蘭應用科研院建議，可以按照下式預測蒸汽云爆炸的沖擊波損害半徑：

R=Cs(NE)1/3

(17)

式中，Cs為經驗常數，取決于損害等級，可參照表6取值；E為爆炸能量，kJ；N為效率因子，一般取N=10%；R為損害半徑，m。

表6　損害等級表

爆炸能量E按下式計算：

E=VHC

(18)

式中HC為可燃氣體的高燃燒熱值，可參照表7取值，kJ/m3；V為參與反應的可燃氣體的體積，m3。

表7　氣體高燃燒熱值

6　經濟評價

1)單元破壞經濟評價S

評價單元破壞經濟評價S=評價單元破壞風險值×每平方米的設備成本

(19)

2)營業中斷經濟評價Y

估計單元/設施停車時每天的損失(元/天)中斷天數D按圖5估算：

lgD=0.59lg(S×10-6)+1.21

(20)

經營中斷經濟評價：Y=每天的損失×D

(21)

圖5　中斷天數估計

7　結　論

1)站場管道振動失效會引起嚴重后果，需根據站場環境，合理設置設備，降低引起振動的可能。

2)定量計算得出失效的后果，包括設備破壞面積、人員致死面積、爆炸半徑和經濟損失。

[1]董紹華，韓忠晨，費凡，等.輸油氣站場完整性管理與關鍵性技術研究[J].天然氣工業，2013,33(12)：117-123.

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[5]張衛強，焦強，崔鋒.壓力容器爆炸傷害事故后果分析及評價[J]. 科技信息，2009，26(15)：493+573.

Vibration Failure Analysis of Pipe in Gas Station

MA Xiaofang

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi’an,Shaanxi710077,China)

The consequence evaluation process of pipe failure and the relevant factors caused failure are discussed.The factors leading to vibration are summarized, and then through the analysis and calculation, the consequences caused by vibration failure are quantitatively calculated such as the equipment destroying area, personnel lethal area, explosive radius and economic loss.

station pipe; vibration; failure

馬小芳，女，1979年生，編輯，2008年畢業于西北工業大學材料學專業，目前主要從事期刊編輯和標準化管理工作。E-mail：maxiaofang@cnpc.com.cn.

TE973

A

2096-0077(2016)04-0059-05

2016-04-01 編輯：屈憶欣)