余東亮，劉奎榮，吳東容，蔣 毅，軒 恒

(國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司，四川 成都 610000)

0 引言

近年，我國油氣管道建設(shè)規(guī)模穩(wěn)步增長，隨著管道建設(shè)規(guī)模增大，單管敷設(shè)方式的局限性日漸突出，而并行敷設(shè)方式在設(shè)計效率、征地面積、建設(shè)施工、管理維護、生態(tài)保護等方面具有顯著優(yōu)勢，已在國內(nèi)多條管道得到實踐[1]。對于并行敷設(shè)的油氣管道，當天然氣管道由于腐蝕、材料老化等內(nèi)部或外部因素發(fā)生噴射火事故時，有可能造成相鄰輸油管道破裂失效[2-3]。目前，針對天然氣管道噴射火對相鄰輸油管道的影響，以數(shù)值模擬研究為主，李鎮(zhèn)裕等[4]通過模擬不同環(huán)境風速下架空管道天然氣泄漏燃燒過程，分析失效天然氣管道噴射火對相鄰天然氣管道的影響。趙鑫晨[5]以并行長輸油氣管道為研究對象，采用理論分析、編程計算和模擬驗證等方法對天然氣管道燃燒失效、天然氣管道與其并行管道的換熱失效、并行管道受熱失效3個過程進行研究。張伊恒[6]基于CFD理論，利用FLUENT模擬不同管輸壓力、泄漏孔徑、泄漏方向、間距下泄漏燃燒對相鄰管道影響情況。Mazzola[7]基于CFD理論和半經(jīng)驗公式，研究天然氣管道發(fā)生高壓噴射火災時對并行天然氣管道產(chǎn)生的熱效應(yīng)。Patej等[8]搭建噴射火災對管道熱影響實驗裝置，確定噴射火的特性與水流穿過鋼管的熱響應(yīng)，并通過熱電偶監(jiān)測來量化管道熱響應(yīng)。Abbasi[9]通過模擬在管道完整情況下，噴射火直接沖擊管道和管道發(fā)生泄漏后立即點火的場景，得到管道屈曲失效原因、泄漏孔大小和位置，對延遲/避免災難性管道故障的影響。

一些國內(nèi)外學者在研究并行管道中天然氣管道失效繼而發(fā)生火災對相鄰管道產(chǎn)生熱影響時，更多通過數(shù)值模擬和對事故現(xiàn)場統(tǒng)計分析[10-12]研究相鄰管道溫度分布及失效概率，極少部分學者利用實驗方法研究噴射火對輸水管道的熱影響。由于噴射火實驗具備一定危險性，且高溫下油品可能大量揮發(fā)產(chǎn)生油蒸汽，暫未發(fā)現(xiàn)有學者搭建噴射火對輸油管道的熱影響實驗平臺。數(shù)值模擬方法無法模擬高溫下管材機械性能的變化規(guī)律[13]。因此，本文為研究天然氣噴射火對流動狀態(tài)下相鄰輸油管道的影響，設(shè)計并搭建天然氣噴射火對輸油管道的熱影響實驗平臺，并驗證該實驗平臺具備一定的可行性與安全性。通過更換管道、燃燒介質(zhì)和油品介質(zhì)，實驗平臺可應(yīng)用于不同條件下的熱影響實驗，并結(jié)合材料性能測試手段，研究高溫對管材性能的影響，研究結(jié)果可為油氣并行管道的安全運行提供相關(guān)實驗依據(jù)。

1 實驗平臺設(shè)計及實施

1.1 設(shè)計目的與思路

搭建實驗平臺是為了盡可能還原油氣并行管道天然氣噴射火災場景，研究天然氣噴射火條件下火焰、輸油管道管壁、油品的溫度分布，以及噴射火災對管材性能的影響。

根據(jù)功能劃分，實驗平臺由環(huán)道及冷卻系統(tǒng)、火焰系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個部分組成。其中，環(huán)道及冷卻系統(tǒng)設(shè)有儲油罐以儲存柴油，充當流量緩沖設(shè)備；油罐內(nèi)設(shè)置換熱盤管用以冷水與熱油換熱；儲油罐頂部蓋板上設(shè)置排氣管用以集中排放油蒸汽，避免油蒸汽任意飄散導致發(fā)生危險；采用防爆型管道泵為環(huán)道系統(tǒng)提供動力，在泵入口前設(shè)置過濾網(wǎng)以防止焊渣、鐵銹等損傷管道泵；環(huán)道管道分為測試管段和非測試管段，非測試管段法蘭墊片采用普通橡膠墊片，測試管段法蘭墊片采用耐高溫的石墨墊片，防止高溫下測試管段法蘭連接處出現(xiàn)滲漏；測試管段兩端法蘭連接處分別設(shè)置手動球閥，便于更換測試管道。火焰系統(tǒng)中，采用高壓甲烷氣瓶提供燃料，通過面板式流量計測量甲烷流量，結(jié)合減壓閥將天然氣流量控制在所需范圍內(nèi)，通過火焰噴頭模擬天然氣噴射火?？刂萍皵?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過變頻器控制泵的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)油品流量；通過渦輪轉(zhuǎn)子流量計測量油品流量；環(huán)道上安裝有壓力變送器及溫度傳感器，以記錄管內(nèi)油品壓力、溫度、管壁溫度等數(shù)據(jù)；測試管段外壁安裝有耐高溫的K型熱電偶，以記錄天然氣的火焰溫度；流量、壓力、溫度信號均通過屏蔽導線連接至數(shù)據(jù)采集器，并通過無線傳輸模塊遠程傳送至計算機終端，用以數(shù)據(jù)遠程實時顯示與存儲；實驗平臺電源總開關(guān)、泵開關(guān)、緊急關(guān)斷按鈕、采集器現(xiàn)場只讀屏幕均集成在1個控制柜中，便于集中控制實驗平臺。

1.2 搭建過程

天然氣噴射火對相鄰柴油輸送管道熱影響實驗平臺由儲油罐、防爆管道泵、電磁閥、油品流量計、90°彎頭、壓力變送器、溫度傳感器、非測試管段、截止閥、測試管段、法蘭、火焰系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊14個部分組成，如圖1所示，主要設(shè)備參數(shù)如表1所示，平臺主要設(shè)備及功能如下：

圖1 實驗平臺示意Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

1)儲油罐：設(shè)有換熱盤管、過濾網(wǎng)、排氣管、溫度傳感器及排油口。換熱盤管材質(zhì)為導熱系數(shù)較大的紫銅，內(nèi)部有常溫清水通過，為熱油降溫，避免油品溫度過高；儲油罐出口設(shè)置過濾網(wǎng)，儲油罐頂部蓋板設(shè)置排氣管；采用pt100鉑熱電阻實時監(jiān)測儲油罐內(nèi)柴油溫度，其測溫范圍可達800 ℃；儲油罐底部設(shè)置排油口，需要更換介質(zhì)或?qū)嶒炌瓿珊?，可利用排油口將柴油排放至指定容器?/p>

2)防爆管道泵：為確保在較大黏度范圍內(nèi)仍能正常工作，選用防爆型齒輪油泵，現(xiàn)場油品經(jīng)濟流速為1.5 m/s左右，本文實驗環(huán)道管徑為DN50 mm，據(jù)此選擇的齒輪油泵額定流量為200 L/min。

3)電磁閥：在儲油罐前和防爆管道泵后設(shè)置耐溫達80 ℃的電磁閥，與管道泵電源聯(lián)動，實驗中發(fā)生危險時可瞬間切斷油罐與環(huán)道的流通路徑，同時關(guān)斷管道泵電源。

4)油品流量計：由于流量相對較小，采用測量精度高的渦輪轉(zhuǎn)子流量計實時測量管內(nèi)流量。

5)90°彎頭：規(guī)格為R=1.5D，距測試管段長1 m，以保證流體以穩(wěn)定流場經(jīng)過實驗管段。

6)壓力變送器：量程為0～1.6 MPa，用以實時監(jiān)測實驗過程中管道內(nèi)油品壓力。

7)溫度傳感器：pt100熱電阻溫度傳感器(量程≤800 ℃)實時監(jiān)測柴油及管壁溫度；K型熱電偶(量程≤1 300 ℃)用以測量噴射火溫度。

8)非測試管段：環(huán)道搭建主體，管道尺寸DN50 mm×5 mm。

9)截止閥：更換測試段時，關(guān)斷位于測試管段兩端的截止閥，防止大量油品流出環(huán)道系統(tǒng)。

10)測試管段：外壁與噴射火焰直接接觸承受高溫，內(nèi)壁與柴油接觸，模擬天然氣噴射火災發(fā)生時相鄰輸油管段，實驗完成后，取下測試管段，通過測量管材強度、硬度、金相組織等變化，研究火災對管材性能的影響。

表1 實驗平臺主要設(shè)備參數(shù)Table 1 Main equipment parameters of experimental platform

11)法蘭：連接實驗平臺各個組件，便于裝卸(實驗環(huán)道共用13對法蘭，其余為支線未標出)。

12)火焰系統(tǒng)：模擬管道內(nèi)天然氣燃燒狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)天然氣流量與火焰噴頭到測試管段的距離，進行不同噴射火場景下熱影響研究實驗。

13)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：包括環(huán)道系統(tǒng)整體電源控制、泵開關(guān)控制及流量調(diào)節(jié)、溫度傳感器數(shù)據(jù)采集及壓力傳感器實時采集，通過定制開發(fā)，數(shù)據(jù)采集軟件實時顯示并存儲實驗數(shù)據(jù)。

14)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊：無線傳輸距離可達3 km，將采集器信號無線傳輸至計算機終端，保證實驗人員安全。

整個環(huán)道系統(tǒng)放置于高1.2 m鋁合金支架上，該高度符合人體工程學，可有效避免實驗人員在拆裝實驗平臺時產(chǎn)生的腰部疲勞；鋁合金支架下端固定于雙層鋼板底座上，底座4個角安裝有吊環(huán)，方便運輸，整個實驗平臺實現(xiàn)撬裝化，降低對實驗場地的要求。搭建完成的實驗平臺如圖2所示，定制開發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件界面如圖3所示。

圖2 實驗平臺安裝現(xiàn)場Fig.2 Installation site of experimental platform

圖3 數(shù)據(jù)采集軟件界面Fig.3 Interface of data acquisition software

1.3 實驗流程

為保證實驗安全有序進行，提前制定實驗流程，詳細步驟如下：

第1步：組裝實驗平臺。距離測試管段兩側(cè)法蘭各0.25 m處的3點鐘、6點鐘、9點鐘與12點鐘方位，安裝pt100鉑熱電阻測量管壁及油品溫度，在火焰噴頭附近安裝K型熱電偶，詳細位置如圖4所示。

圖4 K型熱電偶安裝位置Fig.4 Installation positions of K-type thermocouples

第2步：密閉性測試。將環(huán)道中充滿水，在防爆管道泵提供的最大壓力下保持一定時間，壓力表讀數(shù)保持穩(wěn)定且環(huán)道無滲漏現(xiàn)象說明環(huán)道密封性良好，可開展實驗。

第3步：進行天然氣噴射火對相鄰輸油管道熱影響實驗，具體驟如下：

1)對儲油罐、閥門、法蘭、防爆管道泵、火焰噴頭及甲烷氣瓶進行安全檢查，對壓力變送器及溫度傳感器進行標定與檢查。

2)打開儲油罐與測試段兩端閥門，調(diào)節(jié)防爆管道泵流量，使管內(nèi)柴油流速處于勻速狀態(tài)并達到實驗測試所需流速。

3)打開甲烷氣瓶與火焰噴頭閥門，點燃火焰，火焰大小通過調(diào)節(jié)天然氣流量進行調(diào)整。

4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1 s采集測試管道內(nèi)柴油溫度、管內(nèi)外壁溫度、火焰溫度、環(huán)道內(nèi)壓力與溫度變化等數(shù)據(jù)，并通過無線數(shù)據(jù)從傳輸模塊遠傳至50 m外的計算機終端。

5)實驗結(jié)束后，關(guān)閉火焰噴頭與甲烷氣瓶閥門，保存實驗測試數(shù)據(jù)記錄。

6)繼續(xù)運行齒輪油泵，使測試管段溫度降低至安全水平，以便實驗人員更換測試管段。

7)關(guān)閉齒輪油泵，拆卸相關(guān)實驗儀器，進行檢查或保養(yǎng)，進行下組實驗時按實驗方案更換測試管段。

2 驗證實驗及結(jié)果討論

2.1 實驗條件

本文實驗測試管段Φ60.3 mm×8 mm，長2 m，通過變頻器將管內(nèi)油品流速調(diào)節(jié)至約1.5 m/s，實驗介質(zhì)為0#柴油，測試管段加熱長度為1 m，火焰噴頭距離管壁4 cm。進行實驗時，通過減壓閥將甲烷流量穩(wěn)定至12 Nm3/h。實驗時采集并記錄測試管段內(nèi)外壁溫度、柴油溫度、火焰溫度及流量等數(shù)據(jù)，便于后續(xù)深入分析。

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析

管內(nèi)壓力和流量隨時間變化如圖5所示，泵入口壓力始終小于出口壓力，壓力曲線始終在小范圍內(nèi)波動，其原因可能是齒輪泵嚙合齒間斷性泵出油品，流量波動導致壓力波動。此外，電機運轉(zhuǎn)引發(fā)實驗平臺振動也會導致壓力波動。實驗初始階段，泵入口和泵出口壓力均較高，隨后逐漸下降并趨于穩(wěn)定，這是由于噴射火導致油品溫度上升，進而使油品黏度降低、管內(nèi)壓力下降。實驗中保持電機轉(zhuǎn)速不變，因此流量僅在很小范圍內(nèi)波動。

圖5 管內(nèi)壓力和流量隨時間的變化Fig.5 Variation of pressure and flow rate in pipe with time

利用紅外相機記錄測試管段紅外溫度場圖像和可見光圖像，如圖6所示，紅外相機測得最高火焰溫度約1 112.7 ℃，噴射火焰完全包圍住測試管段，達到預期效果。

圖6 實驗場景下測試管段紅外圖像與可見光圖像Fig.6 Infrared image and visible image of testing pipe section in experimental scene

K型熱電偶測得不同位置火焰溫度如圖7所示，K14熱電偶測得的火焰溫度最高，約為1 077 ℃，與紅外相機所得數(shù)據(jù)相近；不同位置火焰溫度均有所差別，說明K型熱電偶布置點位能夠盡可能多地反映出火焰流場溫度變化；由于實驗在室外進行，實驗時受到環(huán)境風速影響，導致火焰有所偏轉(zhuǎn)，火焰溫度存在波動。

圖7 測試管段不同位置火焰溫度隨時間的變化Fig.7 Change of flame temperature with time at different positions of testing pipe section

測試管段出入口處壁溫、油溫、溫差隨時間變化如圖8所示。實驗初始時刻，油溫約為27.5 ℃，壁溫約為27.8 ℃，進出口油溫溫差約為0.1 ℃。由于噴射火焰持續(xù)灼燒管道，測試管段柴油及管壁溫度開始上升，油溫溫差逐漸增大。一段時間后，管內(nèi)柴油溫度及管壁溫度趨于穩(wěn)定，在57.2～65.8 ℃，油溫溫差在2.0～2.5 ℃之間小范圍波動。通過查閱文獻[14-15]，我國柴油初餾點均在150 ℃以上，本文實驗平臺最高油溫為65.8 ℃，低于柴油初餾點，實驗過程中不會有大量輕質(zhì)組分揮發(fā)，說明實驗平臺冷卻系統(tǒng)能夠有效控制柴油溫度，保證實驗安全進行。

圖8 測試管段出入口壁溫、油溫、溫差隨時間的變化Fig.8 Variation of wall temperature,oil temperature and temperature difference at inlet and outlet of testing pipe section with time

3 結(jié)論

1)實驗平臺環(huán)道密閉性良好，所需流量、壓力、溫度信號均能實時無線采集，冷卻系統(tǒng)能夠?qū)⒉裼蜏囟瓤刂圃诘陀诔躔s點的溫度，火災實驗平臺具備一定的可行性與安全性。

2)實驗平臺可進行不同管道規(guī)格及材質(zhì)、火災形式、油品介質(zhì)及流速條件下的熱影響實驗，結(jié)合材料性能測試手段，進一步研究噴射火對管材性能的影響，可為并行管道安全運行提供參考依據(jù)。