安 超，李 磊，張愛良，羅金恒，宮彥雙，張庶鑫，付建民

(1.中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000;2.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077;3.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，陜西 西安 710077;4.中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580)

0 引言

在油氣田開發(fā)過程中，油氣混輸是油氣管道流體輸送的主要形式。與單相管道相比，混輸管道可簡化技術(shù)流程、縮短工程設(shè)計和施工時間、降低工程投資、提高油田開發(fā)的經(jīng)濟效益[1-3]，主要適用于邊際油田、沙漠油田等。然而，油氣混輸是多相多組分、傳熱與傳質(zhì)耦合的復(fù)雜過程[4]，具有流型變化多、流動不穩(wěn)定、流動規(guī)律復(fù)雜等特點，易導(dǎo)致管道運行不平穩(wěn)、波動大、段塞沖擊設(shè)備等問題[5]。更為嚴重的是，如果管道存在老化、腐蝕、磨損、焊接缺陷等問題，很可能會發(fā)生破裂，進而導(dǎo)致油氣泄漏[6]。我國西部地區(qū)沙漠、戈壁分布廣，氣候干燥，油氣泄漏后極易被引燃而引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

原油熱值高，流動性大，一旦泄漏極易造成大面積燃燒，導(dǎo)致災(zāi)難性后果。在油田開采過程中伴隨石油液體出現(xiàn)的天然氣，其主要成分為甲烷，天然氣相較于原油具有易爆、易擴散等特點。在開采或輸送過程中，一旦發(fā)生油氣混合物的泄漏，造成嚴重事故的“罪魁禍?zhǔn)住蓖翘烊粴?。因此，在油氣混輸物質(zhì)的泄漏事故中，天然氣和原油的火災(zāi)后果都不容忽視。

目前，在國內(nèi)外對混輸管道破裂泄漏研究中，曹學(xué)文等[6]利用雙流體模型建立氣液兩相流泄漏系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并以5 km混輸管道模擬分析分層流和段塞流流型下氣液兩相流管道的泄漏規(guī)律；Mohtadi等[7]重點研究了影響油氣管線開裂的影響因素；Duan等[8]研究了油氣混輸管道段塞形成機理和作用；Deng等[9]提出了一種模擬任意地形下高壓管道破裂釋放天然氣的方法，建立了考慮地形的離散模型；周魁斌等[10]研究了高壓可燃氣體泄漏過程中噴口處穩(wěn)態(tài)氣流狀態(tài)參數(shù)變化及其被點燃之后的噴射火火焰形態(tài)與輻射熱流場。

對于原油管道泄漏的后果。Schnecider等[11]結(jié)合實驗詳細分析了火焰熱通量的影響因素；Nedelka等[12]通過對比分析說明尺寸是影響火焰特性的重要因素；呂鵬等[13]利用流淌燃燒試驗平臺研究了原油流淌火的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)原油在穩(wěn)定流淌燃燒時，在燃燒槽末端出現(xiàn)類似池火且火勢規(guī)模較大；魏超南等[14]基于CFD方法建立油氣處理系統(tǒng)泄漏天然氣爆燃事故后果預(yù)測與評估模型，研究爆炸超壓、火焰溫度及熱輻射的發(fā)展規(guī)律，確定各危害指標(biāo)影響區(qū)域及人員安全區(qū)域。

本文研究對象為我國西部戈壁的油田集輸管道，泄漏場景空曠、無擁塞空間，噴射泄漏的天然氣很難達到爆炸條件，故而不考慮遠場場景下的天然氣蒸汽云爆炸情況。對于原油管道的油氣天然氣燃燒爆炸機理，毛金輝等[15]進行了深入研究。

通過文獻調(diào)研可知，當(dāng)前國內(nèi)外對混輸管道破裂泄漏的研究主要集中在管道泄漏原因和破裂變形機理方面，對油氣混輸管道泄漏后果的研究較少，且主要是針對原油或天然氣單一介質(zhì)火災(zāi)爆炸后果的研究。油氣混輸管道泄漏后果研究的缺乏導(dǎo)致難以制定合理的事故應(yīng)急預(yù)案和采取恰當(dāng)?shù)默F(xiàn)場處置措施。本文綜合考慮原油和天然氣混輸管道泄漏火災(zāi)事故的影響，對比研究不同氣油比下，天然氣噴射火、原油池火燃燒危害嚴重程度的影響規(guī)律，為混輸油氣管道風(fēng)險評估和安全控制提供理論支持和技術(shù)參考。在石油天然氣生產(chǎn)過程中，為了表征混輸管道天然氣和原油的比例，通常使用“氣油比”(標(biāo)準(zhǔn)狀況下，采出每噸原油所帶出的天然氣氣體體積)作為重要的生產(chǎn)指標(biāo)參數(shù)。

1 混輸泄漏原油池火災(zāi)CFD模型

國內(nèi)外學(xué)者對池火及噴射火進行了試驗研究[16]，取得了較豐富的試驗數(shù)據(jù)。在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上分析數(shù)據(jù)，提出了多種火焰尺寸、火焰表面熱通量、熱輻射在空間的傳播規(guī)律模型和經(jīng)驗公式。這些經(jīng)驗公式都有各自的適用范圍和適用條件，相比于計算機仿真模擬，其計算結(jié)果誤差較大。本文應(yīng)用基于CFD技術(shù)開發(fā)的一款三維計算流體力學(xué)軟件FLACS對混輸原油泄漏擴散進行模擬。

計算流體力學(xué)工具FLACS在結(jié)構(gòu)笛卡爾網(wǎng)格上求解了質(zhì)量密度ρ、動量ρui、焓ρh、湍流動能ρk、湍流動能耗散率ρε、燃料質(zhì)量分數(shù)ρYf和混合分數(shù)ρξ的三維Favre-averaged平均守恒方程。通過調(diào)用k-ε模型和理想氣體狀態(tài)方程來封閉，邊界層在FLACS中不被解析，而是使用壁面函數(shù)來計算網(wǎng)格上的物體產(chǎn)生的湍流和拖曳力，例如大于計算單元的尺寸。

幾何在計算網(wǎng)格上使用孔隙度(PDR)概念表示。在模擬之前，體積孔隙度βv表示每個計算單元的開放體積與總體積的比率，并在相應(yīng)的網(wǎng)格單元中心定義。同樣，面積孔隙度βj表示2個相鄰小區(qū)中心之間的預(yù)計開放面積與各自控制體積面的總面積的比率。因此，一般變量φ(代表ρ，ρui，ρh，ρk，ρε，ρYf或ρξ)被集成在控制體積的多孔部分上，φ的守恒方程中的通量項加權(quán)于面積孔隙率βj：

(1)

式中：Γφ代表有效湍流交換系數(shù)；Sφ是φ的源項；Rφ代表額外的阻力，額外的混合或者由流動中的固體障礙引起的額外的傳熱。k-ε模型被擴展為子網(wǎng)格障礙物引起的湍流產(chǎn)生的源項。

FLACS將湍流和化學(xué)反應(yīng)耦合，通過研究局部壓力、溫度、濃度、湍流等多個參數(shù)的變化，繼而來描述火焰的發(fā)展，并實現(xiàn)對氣體燃燒和爆炸建模，采用有限體積法并配合邊界條件求解N-S方程，并計算出區(qū)域中的壓力、火焰速度和溫度等變量的值：

(2)

式中：φ代表通用求解變量；ρ是氣體密度(kg/m3)；xj代表在j方向上積分；ui代表i方向上的速度矢量；Γφ是擴散系數(shù)；Sφ為源項。

該方法考慮了火焰和設(shè)備、管道等的相互影響和作用，可以直接對氣體爆炸沖擊波進行計算。

CFD求解液池動量方程：

(3)

式中：Fg,i為重力，N；Fτ,i為切應(yīng)力，N。

2 原油燃燒數(shù)值模擬

原油火災(zāi)的燃燒特性是預(yù)測火災(zāi)發(fā)展趨勢和評估火災(zāi)對周圍環(huán)境影響的基礎(chǔ)和前提。由于原油火災(zāi)實驗的特殊性，且存在安全、環(huán)保等因素的限制，直接進行大型實驗是非常困難的。因此利用計算機模擬計算原油燃燒中各種特性參數(shù)的變化成為研究原油火災(zāi)的重要手段。由于原油含有幾十種組分，考慮到FLACS模擬軟件計算限制，本文采用虛擬組分進行原油池火模擬。

該場景設(shè)置地面50 m×50 m，泄漏管道長度為50 m，泄漏點取管道中段。本文考察的是混相流泄漏，泄漏燃燒物質(zhì)為原油及天然氣，不考慮現(xiàn)場地形及氣象條件，環(huán)境溫度為20.0 ℃。地面材料為混凝土地面，其導(dǎo)熱系數(shù)為1.0 W/(m·K)，比熱容為0.8 kJ/(kg·K)，熱擴散率為5.7E-07 m2/s，材料厚度為100 mm。甲烷密度為719 kg/m3，原油密度為890 kg/m3。

設(shè)置泄漏孔徑為0.02 m2，目標(biāo)管道中氣油比為200 m3/t，假定每分鐘泄漏天然氣200 m3、原油1 000 kg。選擇氣油比為50，100，150，200，250，300 m3/t進行不同梯度的模擬計算。據(jù)事故經(jīng)驗可知，在此泄漏場景下，泄漏10 min后，天然氣泄漏達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。氣體泄漏速率及原油擴散面積如見表1。

表1 氣體泄漏速率及原油擴散面積Table 1 Gas leakage rates and diffusion area of crude oil

經(jīng)計算，管道泄漏10 min后形成液池面積為560 m2。首先在FLACS設(shè)置液池泄漏面積。在模擬的第7 s時進行點火，池火燃燒時燃料已經(jīng)氣化，蒸發(fā)形成湍流擴散燃燒，對周圍環(huán)境的主要傷害為熱輻射作用。

常見的熱輻射破壞標(biāo)準(zhǔn)可以歸納為熱通量準(zhǔn)則、熱強度準(zhǔn)則、熱通量-時間準(zhǔn)則，考慮本研究對象為穩(wěn)態(tài)池火災(zāi)，所以選用熱通量準(zhǔn)則對人與設(shè)備的安全進行評估。穩(wěn)態(tài)火災(zāi)熱輻射作用下，人員傷害和設(shè)備破壞的臨界熱通量見表2。

表2 火災(zāi)熱輻射對人員傷害和設(shè)備破壞的熱輻射通量準(zhǔn)則Table 2 Criteria of thermal radiation flux for personal injury and equipment damage by thermal radiation of fire

圖1為池火模擬點火后熱輻射強度示意圖，圖1(a)和1(b)分別為t=7.5，10.5 s的輻射強度分布。模擬中設(shè)置可顯示熱輻射強度，依據(jù)熱輻射損害程度判定準(zhǔn)則閾值(分別為1.6，37.5 kW·m-2)進行設(shè)定。

圖1 池火點火后2 s內(nèi)熱輻射強度示意Fig 1 Schematic diagram of thermal radiation intensities within 2 seconds after ignition of pool fire

在點火發(fā)生前，泄漏原油已經(jīng)形成一定規(guī)模，較大量蒸汽云已經(jīng)形成，漂浮于液池上方。點火發(fā)生時(7 s)，原油上方較大量可燃蒸汽云被瞬間點燃，由圖1(a)可以看出，熱輻射呈現(xiàn)較規(guī)則圓環(huán)形且向四周衰減明顯，隨著時間增長，在圖1(b)中熱輻射逐漸減弱并趨于穩(wěn)定。

在原油液池點火發(fā)生時，液池中央熱輻射值接近于0。造成此后果的主要原因是點火瞬間，液池上方氣云被點燃，而液池中央由于液體的比熱容較大，吸附了較多熱量，導(dǎo)致點火瞬間中央熱輻射值較小。在后續(xù)燃燒過程中，液池周圍的液體不斷被火焰加熱并蒸發(fā)，形成可燃氣體被燃燒，而液池中央原油吸收熱量較少，蒸發(fā)速率較慢，故而形成火焰比液池周圍稍晚。

圖2為原油液池泄漏池火穩(wěn)定后熱輻射范圍強度。點火初期熱輻射值由于液池的吸熱蒸發(fā)而短暫下降，在池火災(zāi)穩(wěn)定之后，輻射熱通量穩(wěn)定在液池中心以外半徑12 m左右的范圍，池火內(nèi)大部分面積熱輻射通量超過致死值37.5 kW·m-2，且與點火初期不同，穩(wěn)定池火災(zāi)高熱輻射區(qū)域在液池中央。

圖2 火焰穩(wěn)定熱輻射范圍強度Fig.2 Thermal radiation range and intensity of stable fire

3 不同含氣量原油管道泄漏噴射火后果對比

3.1 噴射火超高溫區(qū)域?qū)Ρ?/h3>

模擬6組情況下管道破裂天然氣泄漏噴射火熱輻射強度及范圍。建立火焰溫度對鋼結(jié)構(gòu)和人體的傷害準(zhǔn)則如表3[14]所示。

表3 火焰溫度耐受極限Table 3 Tolerance limit of flame temperature

模擬含氣量分別為50，100，150，200，250和300 m3/t場景下天然氣泄漏10 s后點燃，隨著天然氣的持續(xù)泄漏，可燃氣云爆燃逐漸轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的噴射火燃燒狀態(tài)形成火舌，爆燃火焰發(fā)展過程可分為6個階段：初期-發(fā)展階段-全省階段-蔓延階段-衰減階段-穩(wěn)定階段。在爆燃初期點火源周圍可燃氣體在火源作用下即刻與氧氣開始燃燒反應(yīng)，釋放化學(xué)能量，已燃氣體均勻向外膨脹，將能量輸送給鄰近的混合氣層，在燃燒區(qū)前沿形成高溫區(qū)，進入發(fā)展階段火焰陣面拉伸與未燃氣體接觸面積增大，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率加快，釋放能量也急劇增加，火焰擴散速度加快，在火焰燃燒達到最劇烈狀態(tài)時，周圍空氣被急劇消耗，同時火焰產(chǎn)生煙氣，阻擋天然氣與周圍空氣的表面接觸，火焰尺寸不再擴張，燃燒區(qū)域基本穩(wěn)定。

圖3為200 m3/t天然氣泄漏噴射火初始燃燒階段和穩(wěn)定燃燒階段的溫度場分布圖。噴射火火焰分為柱狀穩(wěn)定射流部分和“擴展云”區(qū)域，開始階段是由于高壓氣體泄漏射流速度較快，受黏滯力作用與空氣產(chǎn)生動量交換，帶動和卷吸周圍空氣形成的混合區(qū)，隨后氣體受到空氣阻力干擾，形成云團形狀。

圖3 含氣量200 m3/t原油泄漏天然氣噴射火溫度范圍Fig.3 Temperature range of jet fire of natural gas by leakage of crude oil with gas content of 200 m3/t

圖3中泄漏點軸向20 m范圍內(nèi)火焰中心區(qū)域溫度均維持在2 100 K以上超高溫水平，在此范圍內(nèi)管道將完全失效。在不同氣油比泄漏火災(zāi)工況下，均發(fā)現(xiàn)隨著點火后噴射火燃燒的進行，在泄漏點水平方向和豎直方向溫度范圍出現(xiàn)較大變化，水平方向上火焰擴散范圍增大但高溫區(qū)域減小，豎直方向上由于空氣浮力作用，氣體擴散橫向速度衰減，火焰水平方向燃燒高溫中心區(qū)域減小，豎直方向上升較快但整體擴散仍是水平方向橫向擴散范圍較大。在圖3(a)中初始燃燒階段火焰水平尺寸較大，射流水平方向50 m范圍內(nèi)溫度均超出人體致死溫度543 K；圖3(b)中水平方向火焰范圍超出115 m，但火焰中心區(qū)域外溫度未達到560 K，豎直方向上火焰發(fā)展較快，溫度在約20 m高度處可達543 K。

圖4為不同含氣量條件下管道泄漏天然氣噴射火溫度區(qū)域?qū)Ρ?。隨著含氣量上升，管道泄漏后天然氣噴射火覆蓋距離較快增加，但當(dāng)氣油比達到250 m3/t之后，高溫覆蓋距離不再明顯增加，即40 m為此場景下混輸油氣泄漏噴射火致死距離上限，120 m為溫度影響上限。2 100 K火焰高溫區(qū)域上升速度較人員致死溫度560 K緩慢。

圖4 不同含氣量天然氣泄漏噴射火焰距離對比Fig.4 Comparison of jet fire distance by leakage of natural gas with different gas contents

3.2 噴射火熱輻射對比

火災(zāi)的主要危害形式是通過燃燒釋放輻射熱影響周圍環(huán)境，造成人員傷亡，管道燃燒變形、損壞破裂甚至易導(dǎo)致事故連鎖的多米諾效應(yīng)。根據(jù)火焰熱輻射對人體的傷害準(zhǔn)則，人員長期暴露在1.6 kW/m2以下環(huán)境無不舒服感，在高于37.5 kW/m2的高強度熱輻射作用下設(shè)備嚴重損壞，人員死亡，因此將1.6 kW/m2作為傷害區(qū)域下限。

圖5，圖6分別為不同含氣量天然氣泄漏噴射火熱輻射距離和面積對比圖。隨著不同氣油比天然氣含量增大噴射火熱輻射覆蓋距離和面積總體增大，但增長速度隨著氣體含量上升有所下降，且熱輻射距離在達到50 m左右后不再隨著汽油比上升而增多。這是由于隨著天然氣泄漏量上升，氣體不完全燃燒釋放的煙氣增多在很大程度上降低火焰的表面輻射力，導(dǎo)致熱輻射增長速率在減小?；鹧娉叽缭趪娚浞较蛏匣静蛔冊跈M向方向上繼續(xù)擴張，火焰熱輻射面積仍然有所上升。

圖5 不同含氣量天然氣泄漏噴射火熱輻射距離對比Fig.5 Comparison of thermal radiation distances by jet fire of leaking natural gas with different gas contents

圖6 不同含氣量天然氣泄漏噴射火熱輻射面積對比Fig.6 Comparison of thermal radiation areas by jet fire of leaking natural gas with different gas contents

由于穩(wěn)定燃燒階段的熱輻射距離受泄漏量影響較大，穩(wěn)定燃燒階段的熱輻射距離增長速度高于點火初始階段。點火初始階段的熱輻射距離和面積高于穩(wěn)定燃燒階段且在含氣量50 m3/t條件下差值最大。這是由于點火之前天然氣泄漏噴出后已經(jīng)氣化產(chǎn)生一定體積的可燃氣云，在點燃初始階段遇到點火源被全部點燃熱輻射范圍較大，而在穩(wěn)定燃燒階段可燃氣云體積受到泄漏速率限制，火焰尺寸基本穩(wěn)定因此熱輻射范圍小于初始階段，隨著泄漏速率上升這一差值會逐漸減小，在含氣量達到200 m3/t后點燃初始階段和穩(wěn)定燃燒階段熱輻射范圍接近。

4 油氣混相泄漏后果對比

假設(shè)在重力作用下發(fā)生有效分離，原油在地表形成油池，天然氣在管道高壓下對空氣形成噴射泄漏。當(dāng)點火源對泄漏的油氣點火時，泄漏原油形成的池火以及天然氣噴射火的傷害范圍對比是本文研究的重點。

圖7為原油天然氣泄漏火災(zāi)熱輻射強度對比圖。對于氣油比為200 m3/t的原油泄漏工況，原油與天然氣點燃的后果對比即為燃燒熱輻射危害范圍對比。圖7(a)為10 min原油泄漏560 m2液池燃燒熱輻射影響區(qū)域，圖7(b)為200 m3/t氣油比條件下天然氣噴射火影響范圍對比。

圖7 原油天然氣泄漏火災(zāi)熱輻射強度對比Fig.7 Comparison of thermal radiation intensities for fire of crude oil and natural gas leakage

由模擬后果可知，原油燃燒熱超過37.5 kW/m2的面積覆蓋400 m2。X方向上的影響范圍相較于天然氣噴射火更廣，且熱輻射覆蓋了超過30 m的管道。不同含氣量天然氣噴射火在熱輻射影響范圍上明顯比池火模型更窄，在X方向上僅有4～5 m的輻射范圍，但其在Y方向的輻射影響范圍超過40 m，超過37.5 kW/m2的面積超過200 m2。

圖8為原油池火與不同含氣量天然氣噴射火穩(wěn)定后熱輻射影響距離對比。由圖8可知，原油池火超過37.5 kW/m2熱輻射危害距離與200 m3/t工況天然氣相近。原油池火超過1.6 kW/m2熱輻射危害距離與100 m3/t工況天然氣相近。即在泄漏10 min場景下，從熱輻射危害距離角度考慮，氣油比低于100 m3/t工況下，原油池火為火災(zāi)危險的主要影響因素。應(yīng)在應(yīng)急處置中以池火影響為安全距離考慮。氣油比高于200 m3/t工況下，天然氣噴射火為火災(zāi)危險的主要影響因素。氣油比在100～200 m3/t工況條件下原油池火與天然氣噴射火危害距離接近。應(yīng)在應(yīng)急中以噴射火影響為安全距離考慮。圖9為10 min泄漏場景中噴射火點火瞬間熱輻射覆蓋距離與原油池火對比。

圖8 原油池火及不同含氣量天然氣穩(wěn)定噴射火熱輻射Fig.8 Thermal radiation by pool fire of crude oil and stable jet fire of natural gas with different gas contents

圖9 原油池火及不同含氣量天然氣初始噴射火熱輻射Fig.9 Thermal radiation by pool fire of crude oil and initial jet fire of natural gas with different gas contents

由于噴射火點火瞬間危害距離較大，由圖9可以得知，從點火瞬間角度考慮，氣油比超過100 m3/t工況下，天然氣噴射火火災(zāi)危險性就已經(jīng)超過原油池火。應(yīng)急處置應(yīng)以噴射火影響做主要考慮。

噴射火熱輻射最高值集中在泄漏點附近，即泄漏點附近的管道受到炙烤程度尤為嚴重，極易產(chǎn)生后續(xù)破壞，導(dǎo)致泄漏加劇，且考慮到原油組分中多含有水，液池實際點火不易，故而在此范圍內(nèi)天然氣噴射火仍較池火有更大危險性。對比研究發(fā)現(xiàn)在油氣混相泄漏火災(zāi)事故中天然氣噴射火對周圍生命及設(shè)備的影響程度更大。

5 結(jié)論

1)比較不同氣油比工況天然氣噴射火的點火階段與穩(wěn)定階段，超過560 K的致死高溫區(qū)域均首先覆蓋水平方向，隨后高溫在水平方向縮減并開始向垂直方向擴展。

2)當(dāng)氣油比達到250 m3/t之后，高溫覆蓋距離不再明顯增加，即40 m為此場景下混輸油氣泄漏噴射火致死距離上限，120 m為溫度影響上限。

3)在油氣混輸管線泄漏10 min形成穩(wěn)定火焰的場景中，從熱輻射危害距離角度考慮，氣油比低于100 m3/t工況下，原油池火為火災(zāi)危險的主要影響因素，應(yīng)在應(yīng)急處置中以池火影響為安全距離考慮；氣油比高于200 m3/t工況下，天然氣噴射火為主要影響因素，應(yīng)在應(yīng)急中以噴射火影響為安全距離考慮。

4)由于點火瞬間火災(zāi)熱輻射危害相較于穩(wěn)定火焰大，從點火瞬間角度考慮，氣油比超過100 m3/t的工況，天然氣噴射火火災(zāi)危險性都將超過原油池火，應(yīng)急處置應(yīng)以噴射火影響作為主要考慮對象。