王一昊 劉曉龍 李強(qiáng) 姜雪 凌曉東 黨文義 于安峰

（1.中石化安全工程研究院有限公司 化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2.中石化國家石化項(xiàng)目風(fēng)險評估技術(shù)中心有限公司，山東 青島 266071；3.中國石油化工集團(tuán)公司 勝利石油管理局 安全環(huán)保質(zhì)量管理部，山東 東營 257000）

0 引言

硫化氫氣體是一種易燃的酸性氣體，無色，低濃度時具有臭雞蛋氣味，劇毒，一旦發(fā)生泄露，處理不當(dāng)極易導(dǎo)致人員傷亡事故的發(fā)生。因此對于硫化氫這種高危險物，在運(yùn)輸、儲藏等各個環(huán)節(jié)都應(yīng)引起足夠的重視。全國各地的天然氣根據(jù)氣源地不同，硫含量都不一樣，在國家標(biāo)準(zhǔn)中，天然氣總硫含量的要求為：1類≤60 mg/m3、2類≤200 mg/m3、3類≤350 mg/m3。目前石化企業(yè)針對天然氣長距離運(yùn)輸多采用管線，雖然國內(nèi)學(xué)者針對高含硫天然氣管道運(yùn)輸過程中泄漏的風(fēng)險有了初步研究，但該類管線的安全危害還未得到足夠的重視。

含硫天然氣在大氣中的擴(kuò)散屬于氣體污染物在大氣中的擴(kuò)散范疇，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了部分研究并建立了相關(guān)模型。楊圓鑒等［1］運(yùn)用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）模擬分析了集輸站場發(fā)生天然氣小孔、中孔、大孔泄漏的硫化氫毒性影響范圍，得出了不同條件下的硫化氫泄漏規(guī)律。姜雪等［2］分析了酸性氣管線腐蝕原因以及管線薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生泄漏時不同濃度硫化氫波及范圍，驗(yàn)證了管道泄漏的高風(fēng)險區(qū)域并提出改進(jìn)措施。XIN B等［3］結(jié)合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、CFD模擬和風(fēng)險理論，探索了復(fù)雜地形下混合天然氣的擴(kuò)散特性和危險區(qū)域，并基于風(fēng)險理論預(yù)測了4種風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)下的各種外部安全防護(hù)距離。曾維國等［4］對天然氣管道的彎道管線進(jìn)行了檢測，對不同位置的管線厚度以及腐蝕程度進(jìn)行了分析。周雄等［5］研究了管道在外力作用下的受損行為，針對不同的破損特征建立泄漏模型并進(jìn)行模擬，對不同的風(fēng)險程度進(jìn)行了劃分。黃琴等［6］利用CFD模擬了天然氣的泄漏行為，計(jì)算了模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)誤差并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對比，證實(shí)了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)情況基本吻合。沈艷濤等［7］基于CFD對氯氣擴(kuò)散行為和泄漏特性進(jìn)行了分析與表征，模擬得到了氣體的負(fù)荷云圖和濃度分布情況，對風(fēng)險等級進(jìn)行了評估。結(jié)合實(shí)際案例的CFD模擬，MAO X等［8］對城市燃?xì)夤艿赖膭討B(tài)泄漏特性進(jìn)行分析，提出了泄漏計(jì)算模型，并指出泄漏率、風(fēng)速和大氣穩(wěn)定性都會對燃?xì)夤艿赖男孤┖蛿U(kuò)散產(chǎn)生影響。

在對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述后可以發(fā)現(xiàn)，一方面，當(dāng)前對于酸性天然氣泄漏的研究以單一地形為主，而在實(shí)際天然氣運(yùn)輸過程中，管道常穿越山地、丘陵等復(fù)雜地形，酸性氣擴(kuò)散受地形影響較大；另一方面，目前對于復(fù)雜地形酸性氣管線壓力衰減泄漏的研究通常沒有考慮ESD（緊急關(guān)斷設(shè)施），而運(yùn)輸硫化氫管線通常配有ESD設(shè)施，一旦發(fā)生泄漏可以迅速切斷進(jìn)氣，使集輸管線內(nèi)氣體處于恒定體積泄漏，避免了災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)前該領(lǐng)域缺少對于此類災(zāi)害事故的后果模擬與應(yīng)急處置研究，因此本文將運(yùn)用流體力學(xué)模擬軟件FLACS對此開展實(shí)驗(yàn)研究。

1 基本理論及模型

1.1 酸性氣管道腐蝕機(jī)理

酸性氣在長距離運(yùn)輸過程中，在管道壁和彎管處極易因長時間腐蝕發(fā)生泄漏。這是由于我國的天然氣中H2S和CO2含量較高，水的礦化度也較高，離子導(dǎo)電性強(qiáng)，因此易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，這種電化學(xué)腐蝕是一種均勻腐蝕。除此以外，H2S解離后產(chǎn)生的離子會在鋼管表面發(fā)生應(yīng)力腐蝕。同時，管道外在氣象條件引發(fā)的外腐蝕和由于沖刷作用引起的腐蝕共同加劇了酸性氣管道的腐蝕。管道的腐蝕主要分外部腐蝕和內(nèi)部腐蝕，外部腐蝕主要是由于雨雪風(fēng)霜等惡劣條件管線保護(hù)層受損，內(nèi)部腐蝕主要有4種：①均勻腐蝕。H2S和CO2溶于水為酸性，導(dǎo)致接觸腐蝕介質(zhì)的金屬表面全面產(chǎn)生腐蝕；②坑蝕。硫化物沉積、腐蝕不均勻，腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜出現(xiàn)結(jié)晶剝裂等會導(dǎo)致坑蝕；③應(yīng)力腐蝕。硫化物解離，會加速陰極放氫，從而導(dǎo)致材料韌性下降，脆性增加，在應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生滯后斷裂；④沖刷腐蝕。流速較高的沖擊氣流，將腐蝕產(chǎn)物帶走，導(dǎo)致新的管道表面不斷裸露，從而加速腐蝕。

圖1對常見的泄漏場景進(jìn)行了劃分。

1.2 模型及場景設(shè)定

模型選取中國西南某處山區(qū)，區(qū)域大小為5 km×5 km。根據(jù)高含硫天然氣定義“H2S體積分?jǐn)?shù)為在4%～7%”，該區(qū)產(chǎn)出的天然氣為高含硫天然氣，區(qū)域內(nèi)存在天然氣閥室、酸性氣管道、凈化廠以及人口密集的城鎮(zhèn)，平面布置見圖2。

根據(jù)管段總平面布置圖、設(shè)備布置圖、管道布置圖及相關(guān)設(shè)備的立面圖，結(jié)合現(xiàn)場勘查獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用FLACS前處理軟件CASD建立全尺寸的三維物理模型如圖3所示。

根據(jù)風(fēng)玫瑰圖得知，該地區(qū)常年最大風(fēng)頻對應(yīng)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，平均風(fēng)速2.7 m/s。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)可以得出年平均氣溫16.7℃，大氣穩(wěn)定度為F。

該酸性氣管道長2.86km，輸氣量為465萬m3/d，運(yùn)行壓力為5.99 MPa，運(yùn)行溫度為30℃，管道直徑為323.9 mm（外徑），ESD緊急切斷響應(yīng)時間為5 min，產(chǎn)出氣體為富含硫化氫的酸性氣，詳細(xì)氣體組分見表1。

表1 酸性氣組分 %

泄漏孔徑選取《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》（AQ/T 3046—2013）中建議的中孔泄漏取值和極端地質(zhì)災(zāi)害下管斷裂時對應(yīng)的管道直徑，以全面評價不同孔徑下泄漏的影響。因小孔泄漏時危險性較低，模擬時只考慮中孔泄漏孔徑50 mm和斷裂情況孔徑298.9 mm（內(nèi)徑）。

《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（TJ 36—79）有關(guān)規(guī)定可知，根據(jù)硫化氫在空氣中的不同濃度，作業(yè)區(qū)域被劃分成不同危險區(qū)域，如表2所示。對于管斷裂，分別選取極度危險區(qū)域中1×10-3、7×10-4、高度危險區(qū)域中7×10-4、5×10-4、中度危險區(qū)域中1×10-4作為監(jiān)測體積分?jǐn)?shù)，以區(qū)分不同后果等級；對于中孔泄漏，由于其影響相對較小，故選取管斷裂下濃度值的十分之一作為監(jiān)測值，對泄漏后果進(jìn)行模擬。

表2 硫化氫危害等級

2 泄漏擴(kuò)散結(jié)果及分析

2.1 50 mm中孔泄漏

當(dāng)緊急切斷閥之前管道發(fā)生50 mm孔徑泄漏時，根據(jù)工藝條件，計(jì)算得到泄漏孔處瞬時泄放速率大于其無阻流量。因此以無阻流量465×104m3/d為修正泄漏速率，泄漏方向選取人口聚集村莊的方向，對高含硫天然氣泄漏場景進(jìn)行模擬。泄漏初期5 min內(nèi)，采用恒定壓力泄漏；5 min后，ESD系統(tǒng)生效，切斷管線進(jìn)氣，采用恒定體積壓力衰減泄漏，硫化氫監(jiān)測體積分?jǐn)?shù)：10×10-6、30×10-6、50×10-6、70×10-6、100×10-6。

泄漏5 min、10 min、15 min后形成天然氣云團(tuán)如圖4所示，天然氣云團(tuán)可擴(kuò)散至東側(cè)臨近村莊。因泄漏孔徑不大，其危險性相對較小，毒性影響范圍小。

模擬泄漏過程中氣體云團(tuán)達(dá)到穩(wěn)定，模擬結(jié)果 如圖5和表3所示。

表3 泄漏影響范圍

2.2 管斷裂

管斷裂時，瞬時泄放速率大于其無阻流量。因此以無阻流量465×104m3/d為修正泄漏速率，泄漏方向選取人口聚集村莊的方向，對高含硫天然氣泄漏場景進(jìn)行模擬，泄漏初期5 min，采用恒定壓力泄漏；5 min后，ESD系統(tǒng)生效切斷管線進(jìn)氣，采用恒定體積壓力衰減泄漏，硫化氫監(jiān)測體積分?jǐn)?shù)：100×10-6、300×10-6、500×10-6、700×10-6、1 000×10-6。

泄漏5 min、10 min、15 min后形成天然氣云團(tuán)如圖6所示，天然氣云團(tuán)可擴(kuò)散至東側(cè)臨近村莊。因管線完全斷裂，泄漏孔徑大，泄漏速率及毒性影響范圍較大。

模擬泄漏過程中氣體云團(tuán)達(dá)到穩(wěn)定，模擬結(jié)果如圖7和表4所示。

表4 泄漏影響范圍

3 結(jié)果與討論

本文利用CFD軟件FLACS對復(fù)雜山區(qū)地形的高含硫天然氣管線進(jìn)行泄漏擴(kuò)散模擬，可以得出以下結(jié)論：

1）管線泄漏位置硫化氫含量最高，硫化氫沿著泄漏方向降低至零。

2）硫化氫氣體由于密度較大，會沿著地面向地勢較低處蔓延，山脈丘陵等對硫化氫具有較強(qiáng)的阻擋作用，硫化氫氣體翻越山脈能力較差。

3）隨著泄漏孔徑的增大，硫化氫濃度顯著增加；隨著硫化氫濃度增大，硫化氫云團(tuán)的長度與寬度減小，毒性的波及范圍減小。

4）因極端自然災(zāi)害導(dǎo)致管道發(fā)生斷裂時，高濃度硫化氫會迅速擴(kuò)散，并在地面聚集，約5 min體積分?jǐn)?shù)100×10-6的硫化氫即可波及到附近城鎮(zhèn)。5 min時，ESD緊急關(guān)斷生效，硫化氫呈現(xiàn)壓力衰減泄漏趨勢，泄漏速率逐漸降低至零。100×10-6的硫化氫最遠(yuǎn)波及范圍約為860 m，300×10-6的硫化氫最遠(yuǎn)波及范圍約為610 m，500×10-6的硫化氫最遠(yuǎn)波及范圍約為580 m。

5）當(dāng)發(fā)生50 mm中孔泄漏時，約5 min體積分?jǐn)?shù)20×10-6的硫化氫可波及到附近城鎮(zhèn)。5 min時，ESD緊急關(guān)斷生效，硫化氫呈現(xiàn)壓力衰減泄漏趨勢，泄漏速率逐漸降低至0。由于泄漏孔徑較小，且存在緊急關(guān)斷的措施，100×10-6的硫化氫只會在泄漏點(diǎn)附近聚集，半徑范圍小于50 m，并不會對附近城鎮(zhèn)造成影響。

6）管斷裂時，積聚的Q9（Q9氣云是泄漏產(chǎn)生的非均質(zhì)氣云當(dāng)量對應(yīng)的化學(xué)計(jì)量氣云體積，預(yù)計(jì)會產(chǎn)生與原始?xì)庠祁愃频谋ㄝd荷）氣云體積大約為800 m3，遇點(diǎn)火源極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，危害較大。中孔泄漏時，泄漏出的天然氣被環(huán)境風(fēng)吹散，危險較小。

根據(jù)CFD模擬結(jié)果建議：作業(yè)人員在酸性氣管線周邊開展作業(yè)時，需要提前做好有毒氣體檢測，佩戴便攜式硫化氫報警器和呼吸器才能開展作業(yè)；加強(qiáng)日常演練，發(fā)生緊急情況時緊急關(guān)斷并迅速往上風(fēng)向和地勢高處撤離；加強(qiáng)日常巡檢，監(jiān)測集輸管道厚度及裂紋，做到防范于未然。