李玉星

中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院

近年來(lái)，我國輸油管道泄漏爆炸事故時(shí)有發(fā)生，如2014年大連“6.30”輸油管道泄漏爆燃事故等，引起了全社會(huì )的高度關(guān)注。本文對油品輸送過(guò)程中可能產(chǎn)生的泄漏爆燃后果進(jìn)行研究，通過(guò)災害分析事故模型及數值模型的建立，模擬原油泄漏后油氣的揮發(fā)、爆燃等過(guò)程，由對失效后果模型的計算得到危險介質(zhì)隨時(shí)間擴散的濃度分布、燃燒熱輻射及爆炸沖擊波超壓變化等參數，據此確定安全范圍，給新建管道的安全設計提供參考數據，對預防及控制事故有一定意義。

1  不同原油泄漏揮發(fā)油氣的爆燃特性分析

1.1 油品的揮發(fā)組分

各種原油揮發(fā)的氣體組成并不完全相同，但主要組分是一樣的，并且都有以下共同點(diǎn)[1]：

（1）原油散發(fā)出的基本上是C1-C5烴類(lèi)氣體。根據實(shí)驗結果，分別為甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷。

（2）原油散發(fā)出的氣體組分，大多數都是有4-5個(gè)碳原子。含有3個(gè)碳原子的相對較少。含有1個(gè)或2個(gè)碳原子的氣體組分幾乎沒(méi)有。具體原油揮發(fā)氣體組成如表1所示。

由上表可知，每種原油泄漏揮發(fā)的氣體組分雖然一樣，但各揮發(fā)氣的體積分數卻不一樣。由于氣體的爆炸極限和燃燒速率和氣體的組成有關(guān)，這就又會(huì )導致不同油品揮發(fā)氣的爆炸極限和燃燒速率不同，以至于不同原油泄漏后的爆燃后果不同。本文選擇具有代表性的大慶、勝利、大港原油作為研究對象。

根據勒夏特列準則，可燃氣體混合物的燃燒極限可根據下列公式進(jìn)行計算[2]。

根據氣體特性手冊，不同氣體理想當量比下的層流燃燒速率如下表2所示[3]。

1.2 三種油品揮發(fā)的質(zhì)量速率計算

根據AQT3046標準，管道泄漏可用下列公式計算，如公式（3）所示[4]。

式中，Q為質(zhì)量流率，kg/s；A為泄漏孔面積，m2；C0 為液體泄漏系數，一般取1.00；P為管道內液體壓力，Pa；ρ為泄漏液體密度，kg/m3；P0為環(huán)境壓力，Pa。

根據數據查詢(xún)得到，大慶原油密度為860kg/m3，勝利原油密度為908kg/m3，大港原油密度為930kg/m3。假設某輸油管道的運行壓力為5Mpa，溫度為25℃。根據原油沸點(diǎn)餾分收率的數據統計，利用差值法可以得出原油在空氣中不同的揮發(fā)率。根據API 581RP規定，選擇40mm為泄漏的孔徑，可求得三種油品在泄漏過(guò)程中可燃氣體的揮發(fā)質(zhì)量速率，計算結果如下表3所示。

2. 輸油管道油氣爆燃數值模型

進(jìn)行輸油管道泄漏爆燃事故的風(fēng)險評估，建立的幾何模型既要符合輸油管道的現狀，但又不用達到完全一致，所以建立輸油管道的簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。以穿越某城市的輸油管道為例，進(jìn)行爆燃模擬分析。

2.1 數值模型

采用有限體積法和SIMPLE算法，通過(guò)建立描述流體特性的質(zhì)量、動(dòng)量、能量以及組分守恒方程，配合邊界條件求解計算區域中的超壓、燃燒產(chǎn)物、火焰速度以及燃燒消耗量等變量的值，同時(shí)，湍流和化學(xué)反應的影響也包含在方程中：

   對于湍流條件，使用修正的湍流模型。大氣邊界層采用入口邊界的速度、溫度和湍流參數的強制斷面進(jìn)行模擬。根據爆燃事故的正反饋機理，采用分布式多孔結構思想對復雜幾何形狀進(jìn)行描述，并將幾何形狀和流動(dòng)、湍流相結合。

2.2 網(wǎng)格劃分

為了保證模擬結果的可靠性以及模擬爆燃事故過(guò)程中壓力波的傳播過(guò)程，模型采用較大的計算空間。為了較好的適應流場(chǎng)變化，對泄漏口計算網(wǎng)格進(jìn)行加密，以反映氣體運動(dòng)狀態(tài)的快速變化。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗，確定輸油管道爆燃事故模擬的網(wǎng)格模型，如圖2所示�？刂企w總數為550800。

圖1 城市輸油管道三維建模

圖2 網(wǎng)格模型圖

3  油氣爆燃模擬結果及分析

3.1爆炸超壓規律分析

從不同原油管道爆炸超壓分布圖3可以看出，爆炸在1.2s左右從中心一點(diǎn)開(kāi)始向外爆炸；1.267s時(shí)爆炸沖擊波傳播到附近的建筑物，給附近的人和建筑物帶來(lái)的危害最大�？梢钥闯鋈�種原油泄漏后發(fā)生爆炸的壓力波的傳播規律是一致的，所不同的是產(chǎn)生的超壓大小和超壓傳播的速度不同，其中大慶原油產(chǎn)生的爆炸超壓最高，在1.232S時(shí)為0.25bar，而遼河和大港原油所產(chǎn)生的爆炸超壓為0.2bar。由圖可以看出，地上壓力最大值可以達到0.3bar，由圖像可知壓力在不斷的波動(dòng)，而且還會(huì )出現負壓。這是因為地面上有建筑物的因素，由模型地面中心位置向外爆炸擴散，一段時(shí)間后，中心位置的空氣都被爆炸沖擊波帶到建筑物附近，這樣中間地區就會(huì )出現短暫的負壓。高壓空氣在遇到建筑物時(shí)，在建筑物附近會(huì )形成短暫的的積聚，不僅會(huì )給建筑物帶來(lái)破壞，同時(shí)高壓空氣還會(huì )反彈回來(lái)，形成了壓力波動(dòng)的曲線(xiàn)。

圖3 不同原油泄漏爆燃事故的超壓分布圖

3.2 爆炸熱輻射規律分析

從不同原油輸送的管道爆炸溫度分布圖4可以看出，在各個(gè)時(shí)段內，溫度隨著(zhù)時(shí)間推移逐漸升高，傳播的范圍也逐漸增大。在1.255s時(shí)，高溫從中心向外擴散；1.388s到1.417s時(shí)高溫向外逐漸擴散加大，最后1.58s時(shí)，整個(gè)離中心20m至30m的范圍內都是高溫地區。不同原油管道爆炸溫度分布圖基本一致，從小到大向外擴散加大，最后充滿(mǎn)整個(gè)區域。不過(guò)各時(shí)段的溫度大小不一樣，說(shuō)明不同原油揮發(fā)組分不同，導致爆炸結果不同。由圖可知，離點(diǎn)火源位置越近的監測點(diǎn)，檢測到上網(wǎng)溫度上升的就越快，離點(diǎn)火源位置越遠，溫度上升的就越慢。壓力和溫度在不同位置所能達到的最大值也有差別，離點(diǎn)火源越近的位置，壓力和溫度能達到的最大值越大。因為爆炸是由點(diǎn)火源開(kāi)始向外爆炸擴散，所以說(shuō)明越靠近中心位置，危險等級越高。

圖4 原油泄漏爆燃事故的溫度分布圖

3.3 爆炸后果分析及安全間距確定

發(fā)生爆炸時(shí)，爆破能量向外釋放時(shí)以沖擊波、碎片和容器殘余變形能量3種形式表現出來(lái)，其中空氣沖擊波占絕大部分，是爆炸的主要危害因素。沖擊波是由壓縮波疊加形成的，是波陣面以突進(jìn)形式在介質(zhì)中傳播的壓縮波。油氣燃燒產(chǎn)生的熱量以熱傳導、對流和輻射方式向四周傳播，火焰和熱輻射對人體的傷害主要體現在水平方向上，可能會(huì )引起人員燒傷甚至死亡，設備損壞。實(shí)驗數據證明，人體能夠承受的高溫極限為116℃。爆炸超壓對人造成的危害標準如表4所列。

根據前面得到爆炸超壓規律，地面上的爆炸超壓最大值會(huì )達到0.3bar，這將會(huì )導致墻體斷裂，也會(huì )給人的器官帶來(lái)?yè)p傷。設定壓力低于0.05bar為安全值，那么從爆炸圖像可以看出在50m以?xún)人�有物體都會(huì )受到不同程度的損害，并且越靠近中心點(diǎn)所受到的傷害就越大，越靠近高大建筑物的附近受到的傷害也越大，因為爆炸蒸汽云在遇到阻擋之后會(huì )再次累積。因此輸油管道的建立要遠離人口密集的地帶，平面距離至少超過(guò)50m以上。

根據前面得到爆炸溫度圖可知，溫度最高可達2500K，遠遠大于116℃，暴露在這樣高溫下的人會(huì )立即死亡。從爆炸溫度的2D圖可以看出，爆炸溫度的安全距離為20m以上。綜合考慮爆炸超壓和爆炸熱輻射的影響，確定管道的安全距離為50m。

4 結論與建議

（1）通過(guò)輸送不同組分原油的管道爆炸模擬可以得出，不同油品的爆炸范圍有所不同，但油品泄漏后發(fā)生爆炸給人和建筑物帶來(lái)的后果是非常嚴重的，因此應通過(guò)一定的辦法來(lái)排查隱患，進(jìn)行風(fēng)險控制，降低事故發(fā)生概率，并要完善相應的應急管理制度。

（2）通過(guò)對爆燃事故模擬的超壓和熱輻射結果分析，管道的安全距離為50m。但總的來(lái)說(shuō)管道選址一定要遠離人員密集場(chǎng)所，其他重要公共建筑物也要遠離輸油管道建設，這樣才能保障人群和建筑物的安全。

參考文獻：

[1]項小強, 戴聯(lián)雙, 曹濤, 等. 輸油管道泄漏液池的蒸氣云擴散模型[J]. 油氣儲運, 2011,30(05):334-336.

[2] Mashuga C V, Crowl D A. Derivation of Le Chatelier's mixing rule for flammable limits[J]. Process Safety Progress, 2000, 19(2):112–117

[3] 波漢尼什. 有害化學(xué)品安全手冊[M]. 中國石化出版社, 2003.

[4] AQT3046—2013化工企業(yè)定量風(fēng)險評價(jià)導則[S]. 中國安全生產(chǎn)監督管理總局

作者：李玉星，教授，博士生導師，主要從事油氣水混輸工藝技術(shù)、輸氣管道運行模擬仿真技術(shù)、天然氣水合物技術(shù)、音波法泄漏檢測技術(shù)等方面的研究。

張玉乾，在讀碩士研究生，研究方向油氣管道完整性管理技術(shù)及油氣長(cháng)距離管輸技術(shù)。

《管道保護》2016年第6期（總第31期）