石杰紅,史聰靈,劉晶晶

(1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院,北京 100012; 2.地鐵火災(zāi)與客流疏運(yùn)安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

0 引言

我國地鐵建設(shè)始于20世紀(jì)60年代，截止2019年12月，全國已有40個(gè)城市開通地鐵軌道交通，運(yùn)營線路總長6 882.13 km。我國軌道建設(shè)目前處于高速發(fā)展階段，北京、上海、成都等城市規(guī)劃地鐵建設(shè)規(guī)模較大,線路總長均超過1 000 km。

實(shí)際工程中，地鐵線路可能鄰近或下穿油氣管道，油氣管道泄漏易引發(fā)爆炸事故，且泄漏方式及原因多樣。前人針對(duì)油氣管道泄漏方式展開研究：李強(qiáng)等[1]采用當(dāng)量計(jì)算法和應(yīng)力計(jì)算法分析法蘭泄漏方式；孫博等[2]對(duì)管道泄漏原因進(jìn)行分析。部分學(xué)者對(duì)埋地管道泄漏后果展開研究[3-18]，霍成索等[19]應(yīng)用三維CFD模擬軟件KFX研究海底輸氣管道泄漏對(duì)鄰近海上平臺(tái)影響；肖華華[20]研究管道氣體爆炸動(dòng)力學(xué)模型。目前研究主要集中于管道泄漏原因、泄漏方式及泄漏對(duì)地面物體影響，針對(duì)管線泄漏爆炸給地下建筑，尤其是地下空間人員安全影響方面研究較少。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，重點(diǎn)研究地鐵上覆燃?xì)夤艿辣▽?duì)隧道及人員安全影響，研究結(jié)果可為地下工程下穿油氣管線安全影響分析提供理論支撐。

1 分析方法

1.1 泄漏尺寸確定

油氣管道泄漏模式主要包括瞬時(shí)泄漏與連續(xù)泄漏，其中，泄漏口尺寸、形狀與泄漏源嚴(yán)重性直接相關(guān)，是計(jì)算事故后果影響范圍、確定事故發(fā)生概率的關(guān)鍵指標(biāo)，需根據(jù)裝置中各重要設(shè)備設(shè)施、管道及附屬裝置等接口實(shí)際尺寸分布情況，確定合適的典型性泄漏尺寸。管道典型泄漏尺寸等級(jí)主要包括小型、中型、大型及特大型。世界銀行推薦以管道20%及100%破裂作為典型泄漏尺寸，該劃分方法主要考慮管道大型泄漏與災(zāi)難性破裂等情況，忽視管道日常運(yùn)行中因密封不嚴(yán)、腐蝕、缺陷、不規(guī)則裂紋等原因造成的小型泄漏；挪威船級(jí)社在QRA研究中推薦的典型泄漏尺寸范圍與代表性孔徑，更貼近實(shí)際工程情況，見表1。

表1 典型泄漏孔徑分類及代表性孔徑Table 1 Classification of typical leakage diameter and representative hole diameter mm

1.2 泄漏速率

根據(jù)氣體流動(dòng)狀態(tài)不同將氣體管道泄漏分為臨界流與亞臨界流:最大出口速度等于聲速為臨界流；反之為亞臨界流。根據(jù)判斷準(zhǔn)則[21]，可知音速流動(dòng)與亞音速流動(dòng)如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：P0為環(huán)境大氣壓力，Pa；P為容器壓力，Pa；k為氣體絕熱指數(shù)，即定壓比熱CP與定容比熱Cv比值。

研究過程中，設(shè)定環(huán)境溫度20 ℃，k=1.3，管道內(nèi)氣體壓力8.5 MPa，經(jīng)計(jì)算可知燃?xì)夤艿佬孤儆谝羲倭鲃?dòng)。

臨界流質(zhì)量泄漏速率如式(3)所示：

(3)

式中：Q為氣體泄漏速率，kg/s；Cd為氣體泄漏系數(shù)；A為裂口面積，m2；M為氣體相對(duì)分子質(zhì)量；R為普適氣體常數(shù)；T為氣體儲(chǔ)存溫度，K。

1.3 事故后果計(jì)算模型

基于泄漏尺寸與泄漏速率，確定泄漏后果模型。燃?xì)夤艿揽赡馨l(fā)生的重大事故后果主要包括蒸氣云爆炸(VCE)、火災(zāi)、物理爆炸等，其中，蒸汽云爆炸后果最嚴(yán)重。蒸氣云爆炸會(huì)產(chǎn)生沖擊波超壓、熱輻射、破片作用等多種破壞效應(yīng)，沖擊波超壓最危險(xiǎn)且破壞力最強(qiáng)。

爆炸沖擊波經(jīng)上覆土層、隧道、空氣、地鐵車輛外殼作用于乘客。因此，本文采用蒸氣云爆炸超壓評(píng)判事故后果對(duì)乘客的影響。

燃?xì)庹魵庠票芰客ㄟ^TNT當(dāng)量法確定。

1.4 事故后果傷害準(zhǔn)則

采用超壓模型界定沖擊波傷害區(qū)域。沖擊傷害區(qū)域依據(jù)后果嚴(yán)重程度劃分為死亡區(qū)域、重傷區(qū)域、輕傷區(qū)域、財(cái)產(chǎn)損失半徑4種，沖擊波超壓影響半徑見表2。

表2 沖擊波超壓影響半徑Table 2 Influence radius of shock wave overpressure

2 工程實(shí)例

2.1 概況

以某市地鐵下穿既有高壓燃?xì)夤艿罏檠芯繉?duì)象，分析燃?xì)夤艿佬孤┍▽?duì)地鐵隧道及乘客安全影響。地鐵隧道埋深10 m，管道埋深1.04 m，直徑0.6 m，運(yùn)行壓力8.5 MPa，隧道頂距離管道底部約8.4 m。隧道主要穿越可塑、硬塑砂質(zhì)黏性土。

裸露狀態(tài)高壓燃?xì)夤艿佬孤┨攸c(diǎn)為：氣體濃度隨高度增加逐漸降低，近地面濃度可達(dá)95%，且分布范圍窄；隨高度增加，分布范圍逐漸增大，燃?xì)夥植汲实谷?；管道壓力?.4 MPa～1.6 MPa時(shí)，高濃度區(qū)域主要分布于距地面3～6 m處；達(dá)到爆炸極限濃度燃?xì)庵饕植荚?0 m以上高空[22]。本文研究燃?xì)夤艿缐毫?.5 MPa，埋深1.04 m，土體無法提供稀釋空間，高壓氣體突破土體釋放至空中進(jìn)行泄壓，視為燃?xì)獍l(fā)生空中爆炸。其中，空氣、土壤對(duì)爆炸超壓均有阻擋作用，結(jié)合土體泄壓與燃?xì)獗舛确植继攸c(diǎn)，等效TNT可近似視為近地面爆炸，從而建立爆炸超壓計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 爆炸超壓計(jì)算模型Fig.1 Computational model

2.2 泄漏方式及泄漏強(qiáng)度

依據(jù)挪威船級(jí)社推薦方法，并結(jié)合實(shí)際工況，選擇代表性孔徑進(jìn)行分析，見表3。

表3 典型泄漏孔徑分類及代表性孔徑Table 3 Classification of typical leakage hole diameter and representative hole diameter mm

物料泄漏速率按照式(3)計(jì)算，得到不同管道泄漏模式對(duì)應(yīng)泄漏速率，見表4。

表4 管道泄漏模式及泄漏速率Table 4 Pipeline leakage mode and leakage rate

考慮燃?xì)夤艿雷詣?dòng)斷氣裝置，本文僅考慮燃?xì)庑孤?00 s及相鄰截?cái)嚅y間燃?xì)庑孤┍▽?duì)地鐵隧道內(nèi)人員安全影響，則TNT當(dāng)量如式(4)所示：

(4)

式中：A為蒸氣云TNT當(dāng)量系數(shù)，取4%；WTNT為蒸氣云TNT當(dāng)量，kg；Wf為蒸氣云燃料總質(zhì)量，kg；Qf為燃料燃燒熱，MJ/kg，根據(jù)管道輸送介質(zhì)特性，取值70.72 MJ/kg；QTNT為TNT爆炸熱，取4 520 kJ/kg；TNT密度1.63 g/cm3。

TNT當(dāng)量換算結(jié)果見表5。

表5 TNT當(dāng)量換算結(jié)果Table 5 TNT equivalent conversion result

2.3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

為研究管道泄漏爆炸沖擊波超壓對(duì)地鐵隧道及乘客影響，以距離隧道頂部約2.2 m處為測點(diǎn)位置，利用LS-DYNA模擬軟件，得到不同泄漏模式下，炸藥上方隧道超壓曲線，如圖2～8所示。由圖2～8可知，泄漏孔徑越大，爆炸能量越大，產(chǎn)生沖擊波傳遞速度越快，測點(diǎn)位置超壓值達(dá)到峰值時(shí)間越短，時(shí)間跨度分布在爆炸后0.027～0.035之間；超壓值峰值隨泄漏孔徑減小而減小，由150 mm孔徑27 Pa降至2 mm孔徑1.7 Pa，但均遠(yuǎn)小于爆炸時(shí)人體可承受閾值。說明在該種工況下，管道泄漏爆炸經(jīng)地面空氣、上覆土體及隧道結(jié)構(gòu)緩沖后，不會(huì)造成區(qū)域內(nèi)人員傷亡。

圖2 管道大孔泄漏(150 mm)超壓曲線Fig.2 Overpressure curve of large hole leakage (150 mm)

圖3 管道中孔泄漏(120 mm)超壓曲線Fig.3 Overpressure curve of hole leakage (120 mm)

圖4 管道中孔泄漏(80 mm)超壓曲線Fig.4 Overpressure curve of hole leakage (80 mm)

圖5 管道小孔泄漏(50 mm)超壓曲線Fig.5 Overpressure curve of pipeline small hole leakage (50 mm)

圖6 管道小孔泄漏(20 mm)超壓曲線Fig.6 Overpressure curve of pipeline small hole leakage (20 mm)

圖7 管道微小孔泄漏(6 mm)超壓曲線Fig.7 Overpressure curve of pipeline small hole leakage (6 mm)

圖8 管道針孔泄漏(2 mm)超壓曲線Fig.8 Pipeline pinhole leakage (2 mm) overpressure curve

3 結(jié)論

1)埋地管道發(fā)生泄漏導(dǎo)致爆炸事故，采用TNT當(dāng)量法計(jì)算爆炸沖擊超壓值，分析管道泄漏爆炸對(duì)地鐵隧道及乘客影響。

2)天然氣管道一旦發(fā)生蒸氣云爆炸(小孔以上泄漏模式)，影響范圍會(huì)波及到地鐵區(qū)間隧道，但經(jīng)地面空氣、上覆土體及隧道結(jié)構(gòu)緩沖，管道爆炸沖擊波不會(huì)造成人員傷亡。