長輸油氣管線動火作業過程的煙囪效應及控制

張國梁, 蔣仲安, 王亞朋,2, 鄭登峰,3, 郝曉燕

(1.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083; 2.青島科技大學環境與安全工程學院，山東青島 266042; 3.國家管網集團西部管道公司,新疆烏魯木齊 830013)

為將中國西部地區的油氣資源運輸到東部人口密集地區,實現資源的合理配置,長距離、大規模的輸油氣工程正在被快速建設。由于輸油氣管線距離較長,導致管道運行期出現缺陷和損壞的概率增加,需加強對管道的日常檢測與維護[1-2]。當管道存在缺陷進行動火作業時,由于兩側落差較大,會形成自然風壓和煙囪效應的特征,導致管道內氣體與空氣發生相對流動[3-6],而氣體的擴散與泄漏會導致許多嚴重的安全問題,特別是在有限空間內[7-12]。為抑制空間內的氣體擴散,及時有效排出污染物,一般會采用改變空間結構、安裝通風設備等措施[13-14]。對于煙囪效應引起的氣體擴散流動,目前的研究主要集中于對高層建筑電梯井以及發生火災時的火勢蔓延[15];但在其他領域也存在該問題,如長傾斜隧道、進出口落差較大的礦井以及長輸油氣管線等[16]。張倍等[17]對長輸油氣管線施工過程中煙囪效應進行了計算和分析,并提出了預防和利用煙囪效應的建議。但目前對油氣管線動火作業過程由于煙囪效應導致的氣體間擴散分析較少,因此筆者對換管作業過程的煙囪效應進行計算與模擬,并提出合理的防控措施。

1 長輸油氣管線煙囪效應

1.1 西三線管線焊口的動火換管作業

長輸油氣管線在運行期常見的缺陷主要有焊縫失效、管道腐蝕、管道變形、制造缺陷和第三方損壞等。采用換管的方式處理缺陷位置時,需進行切割、打磨和焊接等動火作業。

《油氣管道動火規范》[18]中規定進行動火作業前,需對管道進行放空,并進行氣體置換,經檢測合格后,再對管道進行切割、打磨等操作。同時在氣體置換后的密閉空間或基坑內進行動火作業時,必須對氧含量進行檢測。《進入受限空間安全管理規范》[19]中規定進入受限空間作業時氧氣體積分數應保持在19.5%～23.5%,換算成質量分數后,受限空間最低允許氧氣質量分數為21.7%;若低于21.7%,需采取強制通風措施。

對哈密地區西三線管道進行檢查時,發現管線焊口XQⅢ-A0255-M003存在長度為35 mm,深度為15 mm,高度為1.3 mm的裂紋。經完整性評價后,同時考慮到后續裂紋擴展的不確定性,確定需進行換管。管道位于一級地區,換管位置在36和37閥室之間。閥室間距約為26 km,高程差約為220 m;其中動火點距36閥室21 km,高程差約為180 m,見圖1。

圖1 西三線換管作業示意圖Fig.1 West third line pipe exchange operation

動火作業前,進行氮氣置換。在完成36和37閥室放空及內漏監測后,在36閥室注氮,注氮量為4.5 m3/s;當37閥室監測點檢測合格后,停止注氮,進行切割和下料作業。但工作人員進入基坑作業5 min后,感覺不適,隨即停止作業;且安全人員測得此時基坑內氧氣體積分數只有約17%,低于氧氣最低允許閾值。對事故進行分析后發現,基坑內氧氣質量分數低主要是管道打開后,下游閥室和基坑間落差較大,形成煙囪效應,使管道內氮氣涌入基坑,導致氧氣質量分數快速下降。

1.2 動火作業過程中煙囪效應

對長輸油氣管道進行施工時,由于管道兩側落差會導致煙囪效應,因此必須考慮其導致的風險。影響煙囪效應強弱的主要因素有管道兩側高差、管徑以及外部大氣環境等。

對動火作業時管道兩側的煙囪效應進行計算,1斷面為36閥室,2斷面為動火點。36閥室和動火點之間的能量方程為

(1)

式中,p1和p2分別為36閥室和動火點的大氣壓,Pa;ρ11和ρ12分別為36閥室和動火點的空氣密度,kg/m3;ρ21和ρ22分別為36閥室和動火點的氮氣密度,kg/m3;Z1和Z2分別為36閥室和動火點的海拔,m;v1和v2分別為36閥室和動火點的氮氣流動速度,m/s;Δh1-2為管道沿程阻力,Pa。

36閥室注氮管的氣體流速較小,可忽略為0;對氣體在管道內流動的沿程阻力進行分析,管道內平均氮氣速度約為出口速度的1/2,結果為

(2)

為得出基坑內管道打開點位置的氮氣出口速度v2,采用MATLAB求解式(2);其中管道長L為21 km,管道直徑d為1.219 m,λ為0.059,高差Δh為180 m。得到動火點氮氣涌出速度v2為0.67 m/s。

改變管道兩端的高差和沿程阻力系數,再次求解方程組,得到氮氣出口速度見圖2。從圖2中看出,隨著高差增大,動火點氮氣出口速度逐漸增加,但增加幅度逐漸平緩。同時管道沿程阻力增大后,耗能增加,對應的氮氣出口速度下降。因此對于長輸油氣管線動火作業過程中的煙囪效應必須進行計算與分析,以采取合理措施進行預防。

圖2 不同條件下氮氣出口速度Fig.2 Nitrogen outlet speed under different conditions

2 幾何模型建立和求解

為分析長輸油氣管道動火作業過程中的煙囪效應,以西三線焊點為研究背景。該處油氣管道材料為φ121 9×18.4,X80M。建立油氣管道動火作業模型,見圖3。開挖的作業基坑底部寬度為5.6 m,長度為10 m,深度為3.6 m,兩側設置的放坡系數為1∶0.33;管道位于基坑中軸線位置,管徑為1.219 m,距基坑底部0.6 m。同時在兩側設置4條逃生通道,坡度為30°,以滿足搶修作業標準要求。運用Meshing對模型進行網格劃分,結果見圖3。

采用組分輸運方程和Realizablek-ε湍流模型,模擬在不同環境風速和高差下管道內氮氣向基坑的動態擴散過程。其中入口邊界為速度入口,出口邊界為Outflow,環境橫向風速為2 m/s。并采用CFD-post和Origin對模擬結果進行處理和分析,得出動火作業基坑的流場分布、不同條件下氮氣運移軌跡和氧氣質量濃度的空間分布。

圖3 動火作業基坑模型與網格劃分Fig.3 Model and grid division of hot operation foundation pit

3 數值模擬結果及分析

3.1 基坑內流場

根據西三線動火作業點的具體情況,模擬管道內氮氣在煙囪效應影響下向外擴散的流場分布。得到不存在環境風速和存在環境橫向風速條件下的基坑內風流流線與風速體(圖4),其中氮氣出口速度為0.67 m/s。

圖4 動火作業基坑內流線與風速體Fig.4 Streamline and wind speed body in hot operation

從圖4中看出:(1)管道內氮氣在煙囪效應的影響下,擴散到基坑內形成射流,與周圍氣體進行動量交換。隨著氣流向前運動,帶動的邊界層氣流增加,整體速度下降,但擴散半徑增大。

(2)當不存在橫向風速時,氣流向前運動到管道另一端后,在基坑的阻擋作用下會向上流動。當存在橫向環境風速時,氣流到達管道另一端后,不會向上擴散;而是在橫向風速的影響下沿著逃生通道,向基坑右端流動。

3.2 管道內氮氣向外擴散過程

對管道內氮氣向基坑擴散的過程進行分析。在切割完成后,管道處于完全打開狀態,氮氣在煙囪效應的影響下會流動到基坑內。模擬得到管道內氮氣隨時間的擴散軌跡見圖5。由圖5可以看出:氮氣由管道口沿X軸向外呈球形擴散,逐漸流向基坑的右半區域,80 s后基坑右半區域充滿氮氣;隨后氮氣擴散到地面并與空氣混合。同時右端管道口位置的氮氣也會在擾動氣流的影響下向基坑擴散,但擴散的量較微弱。當氮氣擴散到基坑右端后,在管道的阻礙作用下,除了向兩側逸散,大量氮氣會向基坑的右上方流動。所以基坑內氮氣主要位于右半區,在該區域氧氣含量低,容易導致作業人員不適。

圖5 氮氣在基坑內的運動軌跡Fig.5 Trajectory of nitrogen in foundation pit

基坑內氮氣在管道兩側的擴散基本對稱,在管道一側距軸線1.1 m的工作區選取8個特征點進行分析,其中各點間距1 m,距基坑底部1.2 m,見圖6。各點的氮氣質量分數隨時間的變化過程如圖7所示。可以看出,基坑內各點氮氣質量分數在60 s內都會上升到最大值,之后在管道射流的影響下降低一定幅度后達到穩定。不同位置氮氣質量分數最大值出現的時刻不同,越靠近管道出口位置,極值出現的時刻越早;但沿氮氣運動方向,各點氮氣質量分數的極值在逐漸增大。基坑內氧氣與氮氣質量分數呈相反的變化趨勢,當管道內氮氣流入基坑后,氧氣的質量分數會下降到標準值以下。

對換管位置的氮氣質量分數進行研究,分析豎向、軸向和徑向的氮氣質量分數分布,在管道打開位置選取3條直線,如圖6所示。分析不同時刻3個方向的氮氣質量分數變化(圖8)。隨著時間推移,沿豎直方向的氮氣質量分數整體增大,同時極大值也越來越明顯,40 s后分布趨勢穩定。隨著距基坑底部距離的增加,氮氣質量分數先增大后減小,在管道口高度(1.2 m)到達最大值,在靠近地面位置,氮氣質量分數重新穩定在0.77左右。徑向氮氣質量分數在管道兩側分布基本對稱,中間大,兩側小,極值點位于管道軸線附近;隨時間的變化趨勢與豎直方向類似,在兩側端點附近質量分數先增大后減小,逐漸穩定在某一值。軸向整體氮氣質量分數隨時間的延長也在逐漸增大,但沿軸向距離氮氣質量分數卻呈下降趨勢,極大值位于管道出口附近;且由于右端管道內部分氮氣向外擴散,導致該管道口位置存在拐點。

圖6 基坑內測點位置布置Fig.6 Layout drawing of measuring points in foundation pit

圖7 不同測點氮氣質量分數變化Fig.7 Changes in nitrogen mass fractions at different measurement points

3.3 環境風速對氮氣擴散影響

哈密地區年平均風速約2 m/s,因此設置基坑地表的橫向風速為2 m/s,風向與氮氣運動方向一致。模擬得到圖6中8個測點的氮氣質量分數隨時間的變化(圖9)。與圖7對比可得:當存在環境風速時,各測點整體氮氣質量分數下降一定幅度,但大部分測點氮氣質量分數仍然高于規定值。在最初的幾十秒內依舊存在一個極大值點,但出現的時刻要比不存在橫向風流時提前。氮氣質量分數達到穩定所需的時間增加。各點氮氣質量分數在第一個極值后隨時間的變化較紊亂,直到150 s后才逐漸趨于穩定。

選取管道水平切面(Y=1.2 m平面)和豎直切面(Z=0 m平面),觀察10 s時氮氣的擴散情況,并與環境風速為零時進行對比,見圖10(圖中數據為質量分數)。可以看出,風速為0時,氮氣在出口位置會呈球形向四周擴散;但當存在環境風速時,氮氣在風流的推動作用下,向兩側擴散的范圍變小,主要向管道正前方擴散,同時擴散速度加快。

圖8 不同時刻換管位置N2質量分數Fig.8 Nitrogen mass fraction at pipe change position at different time

圖9 風速為2 m/s時不同測點氮氣質量分數變化Fig.9 Nitrogen mass fraction changes at different measurement points when wind speed being 2 m/s

圖10 不同風速下的氮氣擴散分布Fig.10 Nitrogen diffusion diagram at different wind speeds

哈密等西部地區的風速呈明顯“冬春大、夏秋小”的季節性特征，全年風速極差值較大。模擬在高差為180 m，不同環境風速時管道打開點一側工作區特征線(距管道軸線1.1 m，高度1.2 m)穩定狀態下氮氣質量分數變化趨勢，模擬結果如圖11所示。可以看出：管道一側工作區位置氮氣質量分數沿氮氣運動方向最初保持在0.77，在靠近氮氣出口附近開始增加，到達一定位置后又下降。風速越大，氮氣質量分數極值出現的位置越靠近管道出口。當風速較小時，在出口右端的工作區位置，氮氣質量分數基本都高于規定值；但隨著風速增大，工作區氮氣質量分數整體下降。當風速為6 m/s時，氮氣質量分數穩定在0.78附近，滿足作業需求，不對人員產生危害。

圖11 不同風速下工作區位置的氮氣質量分數變化Fig.11 Nitrogen mass fraction changes in working area at different wind speeds

3.4 不同高差下氮氣擴散

高差是影響長輸油氣管線動火作業過程煙囪效應強弱的關鍵因素。管道內氮氣向基坑擴散主要是由于兩端高差導致。不同高差下，氮氣向外擴散的速率存在明顯差異。不同高差對基坑內氮氣質量分數的影響見表1。環境風速為2 m/s，風向與氮氣運

表1 不同高差下參數設定

動方向相同時，模擬得到相同時刻不同高差下的擴散情況如圖12(圖中數據為質量分數)所示。可以看出： 隨著管道兩端高差上升，氮氣向基坑擴散的初始速度增加，但增加的幅度逐漸降低；同時氮氣向管道兩側擴散的范圍也在逐漸擴大，蔓延到兩側的工作區。以氮氣質量分數為0.78為限，高差增加后，整體擴散速度加快。氮氣會逐漸充滿整個管道打開點區域，導致兩側工作區位置氮氣質量分數上升，逐漸超過人體正常作業承受的閾值。

圖12 不同高差下氮氣在水平切面的擴散情況Fig.12 Nitrogen diffusion in horizontal section under different height differences

圖13 不同高差下工作區的氮氣質量分數變化Fig.13 Nitrogen mass fraction change in working area under different height differences

作業人員在基坑內要對管道進行切割、打磨和焊接等操作，平均作業高度約1.2 m，基坑一側的寬度為2.8 m。當基坑內氮氣擴散達到穩定后，在管道一側1.2 m高度，距管道軸線1.1 m位置建立特征線，對其氮氣質量分數的變化趨勢進行分析,結果如圖13所示。可以看出,不同高差下管道出口至基坑另一端區域的氮氣質量分數存在明顯差異。隨著高差增加，氮氣質量分數上升，但上升的幅度逐漸減小。當高差達到一定值后，基坑內大部分區域的氮氣質量分數超標。在特征線位置，氮氣質量分數在管道出口附近開始上升，在另一端管道口位置質量分數到達極值點后開始下降；從管道出口到基坑的另一端，整體氮氣質量分數較大，相應的氧氣質量分數都低于規定值。

1分鐘打印交易流水、3分鐘辦理開卡全部業務，5分鐘辦理外幣跨境匯款，原來不算辦理業務的時間，光排隊就需要30分鐘，甚至1小時以上。現在，這樣的便捷操作在中國銀行云南省分行的智能柜臺上就可輕松完成。2017年5月25日，云南中行智能柜臺成功在中行省分行營業部、東風支行營業部、盤龍支行營業部三家試點網點投產運營，全新的金融服務設備和服務模式，給客戶帶來了全新的服務體驗。

4 動火作業基坑內煙囪效應控制

4.1 基坑內風機安裝形式

由于管道兩端的煙囪效應，氮氣向基坑內擴散，導致工作區氧氣質量分數低于21.7%，需采取強制通風措施。為將基坑內氮氣及時排出，在基坑內安裝風機，使氧氣質量分數不低于21.7%，其中風機風量為1 008 m3/h。目前現場風機安裝在管道兩側，距地面1.2 m，距氮氣出口1.5 m。

風機在基坑內的安裝形式有兩種:一種是將風機安裝于基坑內;另一種是風機安裝于地面，通過風筒將風流引入基坑內。對兩種安裝方式進行模擬，結果如圖14所示。可以看出，安裝風機加快了基坑內的空氣流動，管道兩側工作區邊緣的氮氣質量分數顯著降低。直接將風機安放于基坑內，在風機入口位置形成的匯流會將氮氣吸入風機中，導致風機出口氣流中的氮氣質量分數上升。因此應通過風筒將風流引入到基坑。

4.2 基坑內風機安放位置確定

基坑內風筒出口的安放位置對加快空氣流動，及時排出氮氣至關重要。模擬在風筒距地面1.2 m高度，出口距管道出口0、0.5、1、1.5和2 m條件下，基坑內氧氣質量分數分布。選取工作區距管道軸線1.1 m位置進行分析，結果如圖15所示。

圖14 不同風機安裝形式下基坑內氮氣的擴散情況Fig.14 Nitrogen diffusion in foundation pit under different fan types

圖15 風機在不同位置下的氧氣質量分數變化Fig.15 Change of oxygen mass fraction of fans in different positions

氧氣質量分數在風筒出口位置快速下降，在另一端管道口位置逐漸趨于穩定。但當風筒出口距管道1、1.5和2 m時，由于風筒出口與管道之間存在空隙，氮氣會擴散到該區域，導致氧氣質量分數快速下降；且由于風筒的存在，導致該位置存在一個快速跳躍的過程，在風筒出口前端氧氣質量分數重新變為23%。

距管道出口距離越遠，工作區氧氣質量分數越低；且考慮到當風筒出口與管道之間存在空隙時，氮氣會擴散到該區域，所以風筒出口應安放于距管道0 m位置，與管道出口對齊。

把風筒固定在管道出口位置，調整其距地面的高度，觀察距管道軸線1.1 m位置氧氣質量分數的變化，結果見圖16。可以看出：風筒出口在不同高度下，工作區氧氣質量分數差異性較大，特別是管道打開點區域(0～5 m)；但在基坑的另一端，氧氣質量分數逐漸趨于相近。當風筒高度為1.6 m時，風機的控制效果較差，工作區氧氣質量分數最低；當風筒高度為0.4、0.8和1.2 m時，風機控制效果相近，但在0.8 m高度下，工作區整體氧氣質量分數高于其他高度的。因此風筒高度應為0.8 m，略低于管道。

圖16 風機在不同高度下的氧氣質量分數變化Fig.16 Change of oxygen mass fraction of fans at different heights

通過對動火作業時基坑內風機控制效果的分析，可以得出：風機應安放于地面，通過風筒將新鮮風流引入到基坑內；同時風筒出口應與管道出口對齊，距地面高度為0.8 m，才能使基坑內工作區的氧氣含量達到規定值，不影響人員作業。

5 結 論

(1)長輸油氣管線動火作業時，由于管道兩側落差導致的煙囪效應會使管道內氮氣向基坑涌入，導致基坑氧含量下降；同時，管道兩側落差越大，沿程阻力系數越小，氮氣涌出速度越大。

(2)氮氣由管道流出后，向前呈球形擴散，主要聚集區位于基坑另一端，基坑左半區域相對安全。工作區各測點的氮氣質量分數變化趨勢相近，與氧氣呈相對變化。隨時間推移，管道打開點位置氮氣質量分數在逐漸增大，40 s后穩定。

(3)存在環境風流時，基坑內氮氣擴散速度加快，但向兩側擴散的范圍變窄；隨著風速增加，工作區整體氮氣質量分數下降。當管道兩側高差增大后，氮氣擴散速度也加快，相同時刻擴散范圍變大；且不同高差下工作區相同位置氮氣質量分數差異較大。

(4)為防止氮氣循環流動，風機應置于新鮮風流區，通過風筒將風流引入到管道兩側；同時當風筒出口與氮氣出口對齊、距地面0.8 m時，排出氮氣的效果最佳。