基于大孔模型的天然氣管道泄漏火災模擬分析*

王小完，南慶賓，駱濟豪，駱正山

(1.西安建筑科技大學 管理學院，陜西 西安 710055；2.北京理工大學 睿信學院，北京 102488)

天然氣是一種高效、清潔的能源，管道是天然氣輸送的生命線工程[1]。天然氣管道的建設規模越來越大，隨之而來的問題也越來越多，管道由于腐蝕、老化或第三方的破壞會導致天然氣泄漏，氣體在一定條件下遇明火會發生火災或爆炸，嚴重影響人類生命安全和社會穩定性，對大自然也造成了巨大的破壞。探究天然氣泄漏規律并界定火災影響程度，能有效削弱此類事故造成的影響。

目前，國內外學者對天然氣管道泄漏規律做出了一定的探究，并模擬研究了相應的火災后果。EBRAHIMI Moghadam等[2]擬合了天然氣管道內外部壓力、管徑、泄漏孔徑和氣體泄漏量之間的數值模型，吳峰[3]等量化評估了可燃氣云爆炸、火球熱輻射的傷害強度和傷害范圍。李又綠[4]、向素平[5]等建立模型量化評價了噴射火，蒸汽云火災后果；劉自亮[6]運用FLACS軟件模擬仿真了天然氣管道泄漏引起的爆炸和噴射火事故后果；陳國華[7]基于經驗公式并利用FLUENT軟件數值模擬了全尺寸噴射火事故；鄧漢猛[8]運用PHAST軟件模擬分析了油田老舊管道泄漏火災后果。

學者們對災害后果進行相應的模擬仿真，但缺乏對其影響因素的探究。天然氣泄漏火災的實驗成本較高，難以實現，較多的學者廣泛使用仿真軟件進行模擬，PHAST平臺模型集成度高、評估的結果能夠以直觀的圖片或數值形式呈現，可有選擇性的設定變量和提取數據來分析火災影響因素，為制定風險防控措施提供相應參考。

1 理論分析

(1)泄漏理論分析。在有關氣體泄漏擴散過程的理論模型研究中，常用基于流體狀態方程、質量守恒方程、能量方程和動量方程的高斯(Gaussian)模型和Sutton模型，根據泄漏孔口的直徑，泄漏擴散模型又分為孔隙模型、大孔模型和管道模型。孔隙模型將管道等價代替為一個內部壓力衡定大容器，但其只適用于泄漏孔徑不大于20 mm的情況；管道斷裂模型只適用于管道完全破裂的情況，管道模型只考慮氣體流量，不考慮管道內外壓力、孔徑、溫度等因素；大孔模型適用于介于前兩者之間的情況，在高壓和低中壓條件下，計算更為精準[8]。大孔模型適用于分析天然氣管道氣體泄漏的大多數情況。

(2)管道泄漏火災分析。天然氣泄漏引起的火災主要有噴射火、爆炸、閃火三種。天然氣泄漏時，在立即點燃的條件下可形成閃火或噴射火，若游離的氣云在狹窄密集的區域，云團內形成較高的爆炸壓力波，延遲點燃會造成爆炸。PHAST、FLACS、ALOHA是目前用來模擬氣體泄漏事故的常用軟件，PHAST專門用于油氣安全風險定量計算分析，通過設置油氣管道壓力、溫度、大氣環境等參數，模擬計算泄漏擴散、火災影響程度，能很好的評估事故影響范圍，為管道設計和制定應急預案提供相應的參考數據[9]。

2 模型建立

基于天然氣泄漏理論和天然氣泄漏火災類型，建立高斯煙羽大孔泄漏模型、SHELL噴射火模型、TNT當量氣云爆炸模型，運用PAHST軟件模擬分析天然氣火災后果。

2.1 泄漏模型選擇

基于天然氣大孔泄漏模型理論，建立如下大孔泄漏模型[8]：

(1)

式中：CPB為臨界壓力比，Pa為大氣環境的壓力(MPa)；P2為管道軸心處氣體壓力(MPa)；γ為鋼管泊松比。

(1)當P2/Pa

(2)

式中：m為氣體泄漏速率(kg/s)；Cd為流量系數；Ah為泄漏口面積(m2)；Wg為氣體摩爾質量(kg/mol)；Z為壓縮因子；R為理想氣體常數；T2為氣體在點軸心處的溫度(K)。

(2)當P2/Pa≥CPB時，判定為亞臨界泄漏，其泄漏率為：

(3)

2.2 火災后果分析模型

(1)噴射火模型。加壓天然氣泄漏射流后若立即點燃會形成噴射火，其傷害形式為火焰熱輻射，目前規則化計算火焰熱輻射強度的模型分為兩類：點源模型和固體模型，固體模型又分為SHELL錐模型和API RP521香蕉模型。SHELL模型適用于不大于180°的噴射角度，適用場景廣泛，能突破其它熱輻射模型的局限。SHELL模型將火焰假設為固體，且有表面熱輻射率，其模型如圖1所示。

圖1 SHELL模型示意圖

(2)蒸汽云爆炸模型。TNT 當量模型、Bake-Strehlow-tang 模型和TNO多能模型是常用于計算氣云爆炸的模型。其中，TNT當量爆炸模型將氣云爆炸效果等效轉化為TNT爆炸效果[10]，較其他兩種模型不需要精確參數且其模型簡便，能有效評估近距離爆炸傷害后果，很好的計算事故周圍的破壞強度，實用性較強，其模型計算式如下：

(4)

式中：mTNT為 TNT的當量(kg)；HTNT為TNT的爆熱(kJ/kg)；He為氣云燃燒熱(kJ/kg)；m為可燃物質質量(kg)；E為爆炸效率；f為地面反射系數。

(3)傷害閾值表。PHAST模擬結果結合火災傷害閾值表，能界定火災強度及影響范圍。表1為不同熱輻射入射通量傷害閾值表[11]，表2、表3分別為爆炸超壓沖擊波傷害閾值表[12]。

表1 不同熱輻射入射通量傷害閾值表

表2 超壓對人員的危害情況

表3 超壓對建筑物的損壞

3 實例計算

3.1 工程概況

廣西省某管道發生天然氣泄漏燃燒事故后經現場勘查發現，管道規格為API 5L-L360，其運行的軸心壓力為0.8 MPa，正常運行的溫度為50 ℃，其運行于正常大氣壓環境下[8]。

3.2 計算過程

根據鋼管規格可知，此鋼管最大含碳量0.28%，為中碳鋼，彈性模量為206 GPa，切變模量為79.4 GPa，故取γ泊為0.28。其所處環境大氣壓力Pa=0.101 MPa，軸心處壓力P2=0.8 MPa，則參照公式(1)，Pa/P2=0.126，CPB=0.354，因為Pa/P2

表4 不同泄漏孔徑泄漏量

已知泄漏量的基礎上，運用PHAST軟件將壓力容器代替管道進行甲烷泄漏模擬，模擬計算其噴射火，蒸汽云爆炸火災后果。模擬參數設定如表5所示。

表5 PHAST DNV 7.2參數設定

為了比對泄漏孔徑與大氣環境對火災范圍的影響程度，選取了 50 mm和100 mm的泄漏孔徑、風速為1.5 m/s、帕斯奎爾大氣穩定度為F的晚期爆炸最壞破壞半徑結果(圖2)；50 mm泄漏孔徑在3種不同大氣條件下晚期爆炸破壞半徑結果(圖3)；50 mm泄漏孔徑、風速為1.5 m/s、帕斯奎爾大氣穩定度為F時晚期爆炸與超壓距離情況(圖4)；泄漏孔徑分別為25 mm、50 mm和100 mm、風速為1.5 m/s、帕斯奎爾大氣穩定度為F時噴射火熱輻射水平與距離關系(圖5)；50 mm泄漏孔徑下不同大氣條件噴射火熱輻射水平與距離關系(圖6)。

圖2 不同泄漏孔徑晚期爆炸最壞破壞半徑

圖3 不同大氣環境下晚期爆炸最壞破壞半徑

圖4 50 mm泄漏孔徑爆炸超壓與距離

圖5 不同泄漏孔徑下熱輻射水平與距離

圖6 不同大氣環境下噴射火熱輻射與距離

表6 不同孔徑和大氣環境影響表

4 討論

PHAST側重于界定火災后果范圍及強度，基于集成的計算模型，其結果可呈現為示意圖，如圖2-圖6所示，也可導出計算結果，結合PHAST 7.2計算數據(表6)與火災傷害閾值表(表1-表3)能界定火災影響程度及范圍。

(1)依據表1數據，界定噴射火熱輻射強度和傷害程度。以泄漏孔徑50 mm、風速為1.5 m/s、帕斯奎爾大氣穩定度F為例(圖5)，順風0～1.69 m內，熱輻射水平介于1.6～4.0 kW/m2，長時間輻射也不會感到明顯的不舒服；順風距離1.69～2.82 m內，熱輻射水平介于4.0～12.5 kW/m2，處于此環境中20 s以上會感覺到疼痛，但未必起泡；順風距離2.82～3.96 m內，輻射水平介于12.5～25 kW/m2，此范圍有火焰時會造成塑料融化、木材燃燒，人員每10 s會造成1度燒傷，每1 min就會有1%的人死亡；順風距離3.96 m～5.09 m內，輻射水平介于25～37.5 kW/m2，在長期輻射，沒有火焰的情況下會造成木柴燃燒，人員10 s就會造成重大損傷，每1 min就會有100人死亡；順風距離5.09～11.88 m內，輻射水平大于37.5 kW/m2，會損壞事故周圍所有設備，人員每10 s就會有1%的致死概率，達到1 min時會造成100%的致死率。

(2)提取爆炸超壓距離結果，結合表2和表3界定傷害范圍及強度。以50 mm泄漏孔徑和1.5/F大氣環境下為例(圖4)，在順風距離0～ 14.08 m和27.23～46.01 m內，超壓小于0.1 bar，基本上不造成人員傷害，對建筑物基本無影響；在順風距離14.08～16.90 m和22.53～27.23 m內，超壓介于0.1～ 0.25 bar，會造成人員輕傷，破壞部分建筑物門窗；在順風距離16.90～18.78 m內，超壓介于0.45～ 0.75 bar，會造成人員重傷，且建筑物門窗會全部破壞；在順風距離18.78～22.53 m內，超壓大于0.75 bar，范圍內人員當場死亡，房屋全部倒塌。

(3)通過控制變量對比分析可知，在保持泄漏孔徑一致的情況(圖3，圖6)時，受大氣環境影響下，最大熱輻射量的浮動為8%～18%、最大順風距離浮動為2%～13%、爆炸最壞情況半徑浮動在4%～32%；在保持大氣環境一致的情況時(圖2，圖5)，受管道泄漏孔徑大小的影響，最大輻射量的浮動為89%～92%、最大順風距離浮動為70%～74%、爆炸最壞情況半徑浮動在47%～65%。由此可見，泄漏孔徑的大小較大氣環境對天然氣泄漏引發的火災影響作用更明顯。

5 結論

基于大孔泄漏模型計算天然氣泄漏泄漏量和泄漏速率，模擬不同工況下天然氣火災后果，可得出以下結論：

(1)天然氣泄漏孔徑大小與大氣環境穩定程度相比，前者對天然氣泄漏引起火災的影響作用更顯著。

(2)選擇性的對模擬結果提取分析，參照火災傷害閾值表能界定火災傷害等級與環境破壞程度，驗證了PHAST火災模擬的科學性。PHAST平臺能全面、直觀的模擬天然氣火災強度與范圍，具有鮮明的科學價值及現實意義，其結果能為現場安全評價、制定管道火災應急預案提供相應參考。