楊 坤，王 磊，高 琦，王 琴，池 強

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院,石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077；2.中國石油管道有限責任公司西部分公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，天然氣的用量需求越來越大。作為最經(jīng)濟、安全的天然氣運輸方式，管道輸送也朝著高鋼級、大管徑、高輸送壓力的方向發(fā)展[1-3]。在埋地長輸管道服役時，在腐蝕、外力損傷、地形變化等因素以及內壓耦合作用下會發(fā)生管泄漏和斷裂[4]，嚴重時可能發(fā)生管道爆炸，對臨近管道、周圍人或建筑造成危害，引發(fā)重大經(jīng)濟、安全損失[5-6]。

高壓天然氣管道泄漏后由于管內高壓，氣體大量從泄漏點散出，管道在泄漏位置會發(fā)生裂紋擴展，加速氣體泄漏過程。由于管道斷裂以及天然氣體積極速膨脹，會形成劇烈的物理爆炸，產(chǎn)生強烈的沖擊波超壓，造成危害[7-9]。

此外，高壓天然氣管道泄漏后，由于泄漏點附近具有較高的壓力以及天然氣濃度(以甲烷為主)，并不會發(fā)生點火爆炸。隨后，天然氣體積迅速膨脹，并向空中進行擴散，與大氣中的氧氣充分混合，形成預混蒸氣云[10]。當滿足氣體的爆炸極限時，蒸氣云會被點燃[11]。由于天然氣與空氣混合充分均勻，點燃過程極為劇烈，火焰前沿速度可達50～100 m/s，產(chǎn)生強烈的爆燃，并向周圍釋放沖擊波及熱輻射，對人員、建筑和設置造成巨大傷害[12-13]，嚴重威脅管道服役安全，從而對管道鋪設區(qū)域的公共安全帶來重大威脅。

天然氣管道爆炸既有管道斷裂、氣體泄漏膨脹的物理爆炸，又有與空氣混合點燃后的化學爆炸。在管線設計及建設過程中必須針對沖擊波及熱輻射等信息進行綜合考慮，設定管線建設、服役的安全半徑，從而降低管道失效所帶來的危害[14]。

天然氣全尺寸氣體爆破試驗是管道服役安全及危害行為影響重要的研究手段和方法。利用該試驗可模擬實際管道發(fā)生泄漏、斷裂以及之后的整個爆炸過程，對管道斷裂控制、爆炸危害評估方面具有重要的研究意義和價值[15]。本文通過所開展X80 OD1 422 mm焊管的天然氣全尺寸氣體爆破試驗對管道爆炸危害類型、范圍、影響程度等內容進行了研究和分析，結合理論模型分析，估算出管道危害的安全距離，并與試驗結果進行了對比分析。

1 爆破管道布置、數(shù)據(jù)采集方案及相關試驗參數(shù)

1.1 全尺寸氣體爆破試驗管串布置及試驗過程

爆破試驗管串由13根X80鋼級、外徑(OD)1 422 mm、壁厚(T)21.4 mm 直縫埋弧焊管組成(長度為130 m)，試驗時管串內天然氣壓力為12.05 MPa，管內氣體溫度為13.8 ℃，管道的回填深度為1.2 m。管串中的鋼管按止裂韌性高低進行排布(管串中間為止裂韌性較低的管道，兩端為止裂韌性較高的管道)并焊接。管串沿軸向南北布置，起爆中心位于試驗管串正中的管道上(啟裂管)。試驗中通過線性聚能切割器(切割器安裝在啟裂管中部垂直向上位置)引入貫穿裂紋，初始裂紋的長度為500 mm。

試驗時，通過聚能切割器將裂紋引入管串，在管道內壓的作用下，裂紋由起裂位置向管串兩側發(fā)生擴展，同時管內天然氣泄出并迅速膨脹，引起物理爆炸，產(chǎn)生沖擊波超壓。隨著裂紋向兩側的擴展，鋼管的止裂韌性升高，裂紋擴展阻力增大，裂紋擴展速度逐漸降低并發(fā)生止裂。

天然氣泄出后，迅速向空中擴散，并與空氣充分混合，達到爆炸極限。利用信號彈將其點燃，發(fā)生閃爆，形成天然氣的蒸汽云爆炸。

采用沖擊波、熱輻射等傳感器及數(shù)據(jù)采集設備，在距起爆中心不同位置上進行傳感器布置，對天然氣管道爆炸過程中的沖擊波、熱輻射數(shù)據(jù)進行捕獲分析。

1.2 傳感器安裝情況及參數(shù)

沖擊波傳感器分別安裝于垂直管串、與管串成30°夾角兩個方向上。兩個方向上安裝傳感器的數(shù)量、距起爆中心的距離相同。距起爆位置100 m內，每隔10 m安裝一個沖擊波傳感器，100 m以外，每隔20 m安裝一個沖擊波傳感器，每個方向上的傳感器數(shù)量為15個，如圖1所示。

圖1 X80 1 422 mm全尺寸氣體爆破試驗管串及沖擊波傳感器安裝布置示意圖

熱輻射傳感器分別安裝于垂直管串以及與管串成30°夾角兩個方向上。距起爆中心每隔50 m安裝一個熱輻射傳感器，管串垂直方向上安裝了6個傳感器，與管串呈30°夾角方向上安裝了4個傳感器。

沖擊波傳感器為針筒狀，安裝在距地面1.5 m高的鐵架上，用于測試試驗過程中的沖擊波壓力,如圖2(a)所示；熱輻射傳感器為方塊狀，安裝在距地面1 m高的鐵架上，并呈一定角度(垂直于爆炸火球)，用于捕獲點燃后的燃燒熱輻射，如圖2(b)所示。

圖2 沖擊波傳感器和熱輻射傳感器安裝效果

2 試驗結果及分析

2.1 全尺寸氣體爆破試驗鋼管測試結果

起爆后，裂紋由啟裂管中心向南北兩側擴展，并在南1管(啟裂管南側相鄰的第一根鋼管)和北1管(啟裂管北側相鄰的第一根鋼管)止裂，如圖3所示。在南側，裂紋穿過起裂管后，在南1管內擴展9.10 m后止裂，南側裂紋擴展總距離13.965 m，從起裂到止裂共耗時142.6 ms。在北側，裂紋穿過起裂管后，在北1管內擴展8.15 m后止裂，北側裂紋擴展總距離13.015 m，從啟裂到止裂共耗時133.3 ms，如圖3所示。

圖3 OD1 422 mm /X80/21.4～12 MPa直縫埋弧焊管全尺寸氣體爆破試驗

2.2 全尺寸氣體爆破試驗沖擊波測試結果及分析

由于管道啟裂和蒸氣云點燃存在一定的時間間隔(信號彈點燃比切割器啟裂晚0.5 s)，沖擊波傳感器僅采集到了由天然氣在空中點燃所產(chǎn)生的化學爆炸沖擊波數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 垂直方向距起爆位置40 m位置上不同時刻的沖擊波傳壓力

起爆管串放置在管溝中，并進行了回填處理，物理爆炸造成的沖擊波受管溝及土壤回填的影響大大衰減。物理爆炸所產(chǎn)生的沖擊波在向四周傳播的過程中能量損失較大，因此遠處傳感器接收到的物理爆炸壓力信號值較弱。

對兩個方向上采集到的沖擊波傳感器數(shù)據(jù)進行分析，獲得了試驗過程中不同位置上產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值，并對采集數(shù)據(jù)進行了濾波處理，獲得了不同時刻上的沖擊波壓力變化曲線，如圖5所示。從圖中可見，不同位置上采集到的沖擊波具有明顯的時間間隔。距離除以時間，并求平均值，可計算出沖擊波的傳播速度為357.1 m/s，與聲速(340 m/s)接近。

圖5 濾波處理后不同時刻的沖擊波峰壓力

圖6為不同方向上沖擊波峰壓力隨距離的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著與起爆中心距離的增加，沖擊波峰值迅速下降，沖擊波能量衰減很快。距起爆中心80 m以外的區(qū)域沖擊波峰值相差不大。

圖6 不同位置上的沖擊波峰壓力

表1為《安全評價方法應用指南》給出的沖擊波壓力對人的傷害。結合本次試驗的沖擊波超壓峰值可以看出，只有在爆炸點附近(10 m距離內)，爆炸沖擊波才會對人造成致命殺傷。

表1 爆炸超壓傷害分區(qū)標準[16]

2.3 全尺寸氣體爆破試驗熱輻射測試結果及分析

管道啟裂后，天然氣逸出并與空氣充分混合，形成混合蒸氣云。利用信號彈將其點燃，點燃高度距地面約150 m?；旌险魵庠瓢l(fā)生閃爆，并向四周產(chǎn)生爆炸超壓以及熱輻射。對熱輻射傳感器采集到的熱輻射通量峰值與傳感器安裝位置的關系利用公式進行擬合，可獲得不同方向上的熱輻射通量與距離的變化關系，如圖7所示。從圖中可以看出，隨著距離的增加，熱輻射通量峰值迅速衰減。相同距離位置上垂直方向上的熱輻射值要高于30°方向上的熱輻射值。

場地風速對天然氣蒸氣云爆炸有一定的影響。天然氣泄漏后的混合蒸氣云在風的作用下會發(fā)生一定的移動，引起爆炸位置的改變，從而導致地面相同位置不同方向上熱輻射傳感器數(shù)值的差異。

圖7 不同位置上的熱輻射通量

表2為根據(jù)熱通量/熱劑量準則對人員及設備的傷害情況，結合傳感器測試結果，按照1%以下的致死率為安全距離來估計，當人曝露在熱輻射小于10 s時，安全距離為124.9 m。

綜合考慮沖擊波與熱輻射的危害范圍，可確定出此次爆破試驗的安全距離為124.9 m。

表2 熱通量/熱劑量準則的危害程度[16]

3 模型計算及與試驗結果對比

本次試驗中爆破段長度為130 m，管內天然氣體積為80 000 m3，天然氣的熱值為40.99～45.24 MJ/m3，密度為0.717 4 kg/m3。這里考慮管道發(fā)生泄漏，根據(jù)泄漏口尺寸與管道尺寸的孔徑比，假定泄漏百分比為3%，周圍環(huán)境溫度為-14 ℃～0，風速為4～7 m/s，根據(jù)上述條件結合靜態(tài)火球模型，可以估算出危害距離。

天然氣質量與體積、密度存在關系如式(1)：

m=ρ×V

(1)

式中：m為天然氣質量，kg；ρ為天然氣密度，kg/m3；V為天然氣體積，m3。可計算泄漏的天然氣質量為57 143 kg。

天然氣爆炸靜態(tài)模型計算火球直徑、火球高度可通過公式2、公式(3)分別計算：

D=5.8×m1/3

(2)

H=4.35×m1/3

(3)

式中：D、H分別為爆炸火球直徑和高度，m； m為天然氣質量，kg。根據(jù)公式可計算出火球的直徑為223.4 m，高度為167.5 m。

根據(jù)天然氣泄漏爆炸靜態(tài)模型火球持續(xù)時間公式如式(4)：

t=0.25×m1/3

(4)

可計算出火球的持續(xù)時間為9.6 s。

熱劑量與距離存在關系如式(5)：

x=m1/3×e-0.541(10.3516-lnQ)

(5)

式中：x為距起爆點的距離，m；Q為熱通量,kW/m2；m為天然氣質量，kg。結合表2，可以計算出火球持續(xù)燃燒9.6 s后，1%致死概率下的安全半徑為147.6 m，與試驗結果相比較為保守。

4 結 論

1)長輸管道泄漏爆炸后的主要危害因素為爆炸引起的沖擊波以及爆燃時的熱輻射。隨著與起爆點距離的增大，沖擊波壓力迅速降低，沖擊波傳播的速度平均值為357.1 m/s，不同方向(垂直管串、與管串成30°夾角方向)上，沖擊壓力隨距離的變化規(guī)律相同。

2)隨著與起爆點距離的增大，熱輻射通量迅速降低，垂直爆破管串方向上的熱輻射通量值較高，結合熱通量規(guī)范可計算出熱輻射安全距離為124.9 m，高于沖擊波危害的安全距離。

3)靜態(tài)火球模型估算出的熱輻射危害半徑為147.6 m，比試驗結果更為保守、安全。