石一丁

(勞氏瑞安咨詢(北京)有限公司，北京 100013)

埋地管道火災(zāi)后果模擬分析

石一丁

(勞氏瑞安咨詢(北京)有限公司，北京100013)

應(yīng)用三維CFD火災(zāi)模擬軟件KFX對國內(nèi)某天然氣站場埋地管道破裂導(dǎo)致的火災(zāi)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明KFX適用于陸上大型噴射火模擬，并且模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。研究還表明三維CFD軟件能分析地理環(huán)境和障礙物對火災(zāi)后果的影響。通過對閥室埋地管道的火災(zāi)模擬，分析了風(fēng)速對火災(zāi)危險(xiǎn)范圍的影響。確定了不同風(fēng)速下火災(zāi)危險(xiǎn)距離。

埋地管道 火災(zāi)模擬 CFD 危險(xiǎn)距離 KFX

管道是石油天然氣重要的輸送工具之一。埋地管道由于腐蝕、自身缺陷、使用損耗、地理埋藏條件、外力等因素，會(huì)發(fā)生泄漏事故。如果泄漏量較大，會(huì)發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故，給人民生命安全造成威脅，給國家和企業(yè)造成財(cái)產(chǎn)損失。一旦發(fā)生管道火災(zāi)爆炸事故，如何確定安全距離是進(jìn)行人員疏散和救援的關(guān)鍵。因此，研究埋地管道破裂后的火災(zāi)或爆炸后果，對確定事故危害范圍及鄰近設(shè)施的安全距離，防止事故蔓延及進(jìn)行周圍人員的疏散和救援尤為重要。

在進(jìn)行火災(zāi)后果分析方面，目前主要有3種常用方法：實(shí)驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值法。在對研究結(jié)果準(zhǔn)確度要求日益提高的情況下，數(shù)值法通過將求解方程離散化，使得無法獲得解析解的傳熱傳質(zhì)問題可以通過計(jì)算機(jī)求解大規(guī)模偏微分方程，在這種情況下，計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics，CFD)軟件的開發(fā)和應(yīng)用而得到了快速發(fā)展。CFD技術(shù)在經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在火災(zāi)爆炸模擬分析領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展，許多專業(yè)模擬軟件被開發(fā)并用于工程應(yīng)用領(lǐng)域。

本研究將應(yīng)用CFD技術(shù)，對埋地管道破裂后導(dǎo)致的火災(zāi)后果進(jìn)行模擬。通過對國內(nèi)發(fā)生的一起埋地管道火災(zāi)事故進(jìn)行模擬并與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對比，評估CFD軟件的準(zhǔn)確性。進(jìn)而分析埋地管道發(fā)生破裂和火災(zāi)事故后，火災(zāi)影響范圍和影響因素。

1 模擬軟件及方法

應(yīng)用專業(yè)的火災(zāi)模擬軟件KameleonFireEx (KFX)進(jìn)行火災(zāi)的模擬計(jì)算。KFX是一款專門用于烴類火災(zāi)模擬的三維CFD軟件，在通風(fēng)、氣體擴(kuò)散、和火災(zāi)模擬方面處于國際領(lǐng)導(dǎo)地位。

KFX由挪威科技大學(xué)(NTNU)，SINTEF和ComputIT公司主導(dǎo)開發(fā)，得到國際上眾多石油天然氣公司、工程公司、風(fēng)險(xiǎn)管理公司和科研院所的資金和技術(shù)支持，包括：StatoilHydro, Total, ENI-group, ConocoPhillips, Gaz de France, Ruhrgas, BP, Sandia National Laboratories等。KFX在石油化工等領(lǐng)域已經(jīng)有了近40年的應(yīng)用歷史。已經(jīng)通過大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。其結(jié)果準(zhǔn)確性得到世界眾多機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，廣泛用于陸上及海上石油化工裝置及工程設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)評估及設(shè)計(jì)工作。被認(rèn)為是工業(yè)領(lǐng)域烴類火災(zāi)和氣體擴(kuò)散CFD模擬軟件的領(lǐng)導(dǎo)者。

本研究將選取兩種地理環(huán)境進(jìn)行埋地管道破裂后的火災(zāi)后果模擬。分別為天然氣分輸站和閥室。

對國內(nèi)某天然氣分輸站埋地管道火災(zāi)事故，通過事故現(xiàn)場勘查調(diào)研，創(chuàng)建三維幾何模型。通過事故方提供的事故當(dāng)天壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，反推得到泄漏流量。通過查閱事故當(dāng)天的天氣記錄，確定風(fēng)向和風(fēng)速，對火災(zāi)事故進(jìn)行三維CFD模擬。通過對結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證軟件的準(zhǔn)確性和適用性。

對閥室埋地管道火災(zāi)模擬，通過選取真實(shí)的管道直徑及壓力，確定泄漏速率。通過對東風(fēng)風(fēng)向的3種風(fēng)速2，10，18 m/s進(jìn)行火災(zāi)模擬，確定危險(xiǎn)范圍以及風(fēng)速對危險(xiǎn)范圍的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 某天然氣分輸站埋地管道火災(zāi)事故模擬

2.1.1幾何模型

建模主要考慮了以下3個(gè)方面：①分輸站周圍山體及地形；②埋地管道斷裂后形成彈坑及對分輸站墻體的破壞；③分輸站工藝設(shè)施及建筑，站內(nèi)地形。

根據(jù)現(xiàn)場勘查調(diào)研及設(shè)施所在區(qū)域地形圖和站場平面布局圖，創(chuàng)建三維幾何模型。創(chuàng)建的三維幾何模型見圖1。圖1左圖為站場所在地理環(huán)境鳥瞰圖，右圖為站場局部圖。

圖1 三維幾何模型

2.1.2火災(zāi)場景設(shè)置

埋地管道斷裂位置為站場西北側(cè)墻外。管道破裂后，形成彈坑，最寬處約為10 m，最窄處約為4 m，深約2 m。管道斷裂后依然處于水平狀態(tài)，泄漏方向與地面基本平行。模型中根據(jù)實(shí)際情況創(chuàng)建了彈坑，泄漏方向?yàn)檠刂艿赖乃椒较?，見圖2。

根據(jù)事故當(dāng)天的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，推算泄漏速率為643.46 kg/s；當(dāng)天的天氣情況為：天氣晴，西北風(fēng)，風(fēng)速6 m/s，溫度-2～-15 ℃。

根據(jù)工藝參數(shù)，泄漏天然氣組分簡化為甲烷95%，乙烷4%，丙烷1%。

圖2 彈坑示意

2.1.3計(jì)算結(jié)果

圖3為噴射火焰三維圖。雖然泄漏方向?yàn)樗?，但由于彈坑的阻礙作用，沿彈坑兩側(cè)形成了向上的氣流，從而形成向上的火焰，而非水平火焰。由于泄漏速率較大，因此火焰很高。

圖3 站場埋地管道噴射火焰示意

熱輻射通量分布等值線圖表明，泄漏點(diǎn)附近直徑約10 m范圍內(nèi)熱輻射通量達(dá)到了100 kW/m2，泄漏點(diǎn)處沿北側(cè)圍墻受到了高強(qiáng)度熱輻射，圍墻部分墻體在高強(qiáng)度熱輻射作用下發(fā)生變化。模擬結(jié)果與實(shí)際情況比較符合。泄漏源附近直徑160 m范圍內(nèi)熱輻射通量達(dá)到12.5 kW/m2，并且由于西北風(fēng)向的作用，站場內(nèi)受到高熱輻射影響的范圍較大。站場西側(cè)67 m處山坡上有灌木被引燃的痕跡，也說明火災(zāi)模擬結(jié)果與現(xiàn)場過火范圍比較符合。

模擬顯示站場東門口處的熱輻射強(qiáng)度較低(10～12.5 kW/m2)，但現(xiàn)場過火痕跡表明所受熱輻射強(qiáng)度較大，根據(jù)東門附近現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的燒毀的汽車位置，其所受熱輻射通量約為12.5～25 kW/m2，因此推測為汽車被引燃后形成的二次火災(zāi)對熱輻射產(chǎn)生了疊加效應(yīng)，導(dǎo)致東門附近熱輻射通量增大，受損嚴(yán)重。

通過模擬結(jié)果與現(xiàn)場情況對比可以判斷，應(yīng)用KFX進(jìn)行火災(zāi)模擬的結(jié)果與實(shí)際情況比較符合，KFX可以用于陸上大尺度噴射火火災(zāi)場景模擬。同時(shí)，由于三維CFD軟件可以考慮障礙物等對氣流流場的影響，證明了正是由于彈坑的影響使得水平氣流走向發(fā)生變化，形成豎直方向的火焰。

2.2 閥室埋地管道火災(zāi)模擬及安全距離計(jì)算

2.2.1幾何模型

根據(jù)國內(nèi)常見閥室，創(chuàng)建三維幾何模型，見圖4，模型同樣考慮了彈坑的尺寸。

2.2.2火災(zāi)場景設(shè)置

圖4 閥室?guī)缀文Ｐ?/p>

管道壓力假設(shè)為9 MPa，管道直徑為0.3 m，假定管道發(fā)生全孔徑斷裂。環(huán)境溫度假定為10 ℃。由于不考慮閥室周圍地形影響，因此可以對一個(gè)風(fēng)向進(jìn)行模擬。本研究中對東風(fēng)風(fēng)向的3種風(fēng)速2，10，18 m/s進(jìn)行火災(zāi)模擬。分析不同風(fēng)速對火災(zāi)后果及安全距離的影響。

假設(shè)天然氣組分為甲烷95%，乙烷4%，丙烷1%。

2.2.3計(jì)算結(jié)果

風(fēng)速分別為2，10，18 m/s的火災(zāi)模擬結(jié)果見圖5、圖6和圖7，圖中表示了火焰三維效果和熱輻射通量在地面上方1.5 m高度處的水平分布(左圖)以及熱輻射通量為12.5 kW/m2的等值面(右圖)。

圖5 風(fēng)速2 m/s的火災(zāi)模擬結(jié)果

圖6 風(fēng)速10 m/s的火災(zāi)模擬結(jié)果

圖7 風(fēng)速18 m/s的火災(zāi)模擬結(jié)果

通過以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，火焰在下風(fēng)向蔓延，熱輻射影響范圍具有一定的方向性，即沿著泄漏方向和下風(fēng)向的火災(zāi)影響范圍較大。隨著風(fēng)速的增大，火焰逐漸貼向地面，其熱輻射影響范圍也隨之發(fā)生變化。火災(zāi)影響范圍的方向性受風(fēng)速影響較大，當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，下風(fēng)向火災(zāi)影響范圍明顯高于上風(fēng)向；而風(fēng)速較小時(shí)，差異較小。

表1為熱輻射通量12.5，35，100 kW/m2的影響范圍邊界與泄漏點(diǎn)之間的最大距離。通過表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增大，熱輻射影響范圍先減小后增大。原因是由于風(fēng)速的增大，火焰越來越貼向地面。由于可燃?xì)怏w燃燒需要消耗氧氣，火焰越接近地面，從周圍環(huán)境補(bǔ)充氧氣的速度越慢，燃燒也就相對不夠充分，導(dǎo)致熱輻射強(qiáng)度降低，從而使得熱輻射影響范圍縮小。而當(dāng)風(fēng)速進(jìn)一步增大，促進(jìn)了氧氣與可燃物的混合，熱輻射影響范圍又有所增大。

根據(jù)2013年5月26日發(fā)生于江西萍鄉(xiāng)上栗的西氣東輸二線江西上栗縣赤山鎮(zhèn)段分支的天然氣管道火災(zāi)爆炸事故。通過對現(xiàn)場目擊者和傷員的采訪，當(dāng)時(shí)有一位距離爆炸點(diǎn)100 m的一位居民，感覺全身灼痛。這也間接對火災(zāi)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

表1 熱輻射影響范圍 m

根據(jù)表1，可以確定當(dāng)埋地管道發(fā)生斷裂而導(dǎo)致火災(zāi)事故時(shí)，對人員造成死亡威脅的熱輻射通量的影響范圍。以挪威石油公司為例，認(rèn)為在熱輻射通量大于12.5 kW/m2時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人員死亡。通過對火災(zāi)場景的模擬計(jì)算，得到各熱輻射通量對應(yīng)的影響距離，這對于確定事故發(fā)生時(shí)的安全距離及進(jìn)行人員救援與疏散具有重要意義，同時(shí)對于鄰近裝置的熱輻射保護(hù)也給出了具體的參考數(shù)值。

3 結(jié)語

通過對國內(nèi)某天然氣站場的埋地管道斷裂導(dǎo)致的火災(zāi)事故進(jìn)行事故火災(zāi)模擬，驗(yàn)證了專業(yè)三維CFD火災(zāi)模擬軟件KFX在進(jìn)行陸上大尺度火災(zāi)場景模擬方面的適用性，火災(zāi)模擬結(jié)果與事故現(xiàn)場考察結(jié)果符合較好。同時(shí)可以考慮實(shí)際環(huán)境因素，例如地理環(huán)境和障礙物、風(fēng)向風(fēng)速、環(huán)境溫度等對火災(zāi)后果的影響。

通過對典型閥室埋地管道的火災(zāi)模擬，研究了風(fēng)速對火災(zāi)破壞范圍的影響特點(diǎn)，得到了火災(zāi)影響距離。進(jìn)行大尺度火災(zāi)實(shí)驗(yàn)投入巨大且不宜控制和實(shí)現(xiàn)，因此無法通過實(shí)驗(yàn)來確定大事故場景下的火災(zāi)安全距離。采用CFD軟件進(jìn)行模擬計(jì)算可以彌補(bǔ)這一不足，為進(jìn)行安全區(qū)域劃分和事故條件下的人員疏散和救援研究提供幫助。

TheSimulationAnalysisonBuriedPipelineFireConsequence

Shi Yiding

(Lloyd′s Ruian consulting (Beijing) Co. Ltd.，Beijing, 100013)

Through three-dimensional CFD simulation with software KFX on the fire damage caused by buried pipeline rupture in a domestic gas station, by comparing simulation results with the scene of the accident investigation, it shows that KFX applies to large jet fire simulation of the land, and the results are more accurate. Studies also suggest that three-dimensional CFD software consequences in geographical environment and obstacles to fire effects of sophistication and advantage. Through the valve chamber of buried pipeline fire simulation, analysis the influence of wind speed scope of fire damage. The fire danger under different wind speed range is also determined in this paper.

buried pipeline; fire simulation; CFD; danger range; KFX

2015-12-10

石一丁，博士，2010年博士畢業(yè)于北京理工大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，主要從事通風(fēng)、氣體擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸后果模擬及風(fēng)險(xiǎn)分析工作。