李玉星

中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

近年來，我國輸油管道泄漏爆炸事故時有發生，如2014年大連“6.30”輸油管道泄漏爆燃事故等，引起了全社會的高度關注。本文對油品輸送過程中可能產生的泄漏爆燃后果進行研究，通過災害分析事故模型及數值模型的建立，模擬原油泄漏后油氣的揮發、爆燃等過程，由對失效后果模型的計算得到危險介質隨時間擴散的濃度分布、燃燒熱輻射及爆炸沖擊波超壓變化等參數，據此確定安全范圍，給新建管道的安全設計提供參考數據，對預防及控制事故有一定意義。

1  不同原油泄漏揮發油氣的爆燃特性分析

1.1 油品的揮發組分

各種原油揮發的氣體組成并不完全相同，但主要組分是一樣的，并且都有以下共同點[1]：

（1）原油散發出的基本上是C1-C5烴類氣體。根據實驗結果，分別為甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷。

（2）原油散發出的氣體組分，大多數都是有4-5個碳原子。含有3個碳原子的相對較少。含有1個或2個碳原子的氣體組分幾乎沒有。具體原油揮發氣體組成如表1所示。

由上表可知，每種原油泄漏揮發的氣體組分雖然一樣，但各揮發氣的體積分數卻不一樣。由于氣體的爆炸極限和燃燒速率和氣體的組成有關，這就又會導致不同油品揮發氣的爆炸極限和燃燒速率不同，以至于不同原油泄漏后的爆燃后果不同。本文選擇具有代表性的大慶、勝利、大港原油作為研究對象。

根據勒夏特列準則，可燃氣體混合物的燃燒極限可根據下列公式進行計算[2]。

根據氣體特性手冊，不同氣體理想當量比下的層流燃燒速率如下表2所示[3]。

1.2 三種油品揮發的質量速率計算

根據AQT3046標準，管道泄漏可用下列公式計算，如公式（3）所示[4]。

式中，Q為質量流率，kg/s；A為泄漏孔面積，m2；C0 為液體泄漏系數，一般取1.00；P為管道內液體壓力，Pa；ρ為泄漏液體密度，kg/m3；P0為環境壓力，Pa。

根據數據查詢得到，大慶原油密度為860kg/m3，勝利原油密度為908kg/m3，大港原油密度為930kg/m3。假設某輸油管道的運行壓力為5Mpa，溫度為25℃。根據原油沸點餾分收率的數據統計，利用差值法可以得出原油在空氣中不同的揮發率。根據API 581RP規定，選擇40mm為泄漏的孔徑，可求得三種油品在泄漏過程中可燃氣體的揮發質量速率，計算結果如下表3所示。

2. 輸油管道油氣爆燃數值模型

進行輸油管道泄漏爆燃事故的風險評估，建立的幾何模型既要符合輸油管道的現狀，但又不用達到完全一致，所以建立輸油管道的簡化模型，如圖1所示。以穿越某城市的輸油管道為例，進行爆燃模擬分析。

2.1 數值模型

采用有限體積法和SIMPLE算法，通過建立描述流體特性的質量、動量、能量以及組分守恒方程，配合邊界條件求解計算區域中的超壓、燃燒產物、火焰速度以及燃燒消耗量等變量的值，同時，湍流和化學反應的影響也包含在方程中：

   對于湍流條件，使用修正的湍流模型。大氣邊界層采用入口邊界的速度、溫度和湍流參數的強制斷面進行模擬。根據爆燃事故的正反饋機理，采用分布式多孔結構思想對復雜幾何形狀進行描述，并將幾何形狀和流動、湍流相結合。

2.2 網格劃分

為了保證模擬結果的可靠性以及模擬爆燃事故過程中壓力波的傳播過程，模型采用較大的計算空間。為了較好的適應流場變化，對泄漏口計算網格進行加密，以反映氣體運動狀態的快速變化。經網格無關性檢驗，確定輸油管道爆燃事故模擬的網格模型，如圖2所示。控制體總數為550800。

圖1 城市輸油管道三維建模

圖2 網格模型圖

3  油氣爆燃模擬結果及分析

3.1爆炸超壓規律分析

從不同原油管道爆炸超壓分布圖3可以看出，爆炸在1.2s左右從中心一點開始向外爆炸；1.267s時爆炸沖擊波傳播到附近的建筑物，給附近的人和建筑物帶來的危害最大。可以看出三種原油泄漏后發生爆炸的壓力波的傳播規律是一致的，所不同的是產生的超壓大小和超壓傳播的速度不同，其中大慶原油產生的爆炸超壓最高，在1.232S時為0.25bar，而遼河和大港原油所產生的爆炸超壓為0.2bar。由圖可以看出，地上壓力最大值可以達到0.3bar，由圖像可知壓力在不斷的波動，而且還會出現負壓。這是因為地面上有建筑物的因素，由模型地面中心位置向外爆炸擴散，一段時間后，中心位置的空氣都被爆炸沖擊波帶到建筑物附近，這樣中間地區就會出現短暫的負壓。高壓空氣在遇到建筑物時，在建筑物附近會形成短暫的的積聚，不僅會給建筑物帶來破壞，同時高壓空氣還會反彈回來，形成了壓力波動的曲線。

圖3 不同原油泄漏爆燃事故的超壓分布圖

3.2 爆炸熱輻射規律分析

從不同原油輸送的管道爆炸溫度分布圖4可以看出，在各個時段內，溫度隨著時間推移逐漸升高，傳播的范圍也逐漸增大。在1.255s時，高溫從中心向外擴散；1.388s到1.417s時高溫向外逐漸擴散加大，最后1.58s時，整個離中心20m至30m的范圍內都是高溫地區。不同原油管道爆炸溫度分布圖基本一致，從小到大向外擴散加大，最后充滿整個區域。不過各時段的溫度大小不一樣，說明不同原油揮發組分不同，導致爆炸結果不同。由圖可知，離點火源位置越近的監測點，檢測到上網溫度上升的就越快，離點火源位置越遠，溫度上升的就越慢。壓力和溫度在不同位置所能達到的最大值也有差別，離點火源越近的位置，壓力和溫度能達到的最大值越大。因為爆炸是由點火源開始向外爆炸擴散，所以說明越靠近中心位置，危險等級越高。

圖4 原油泄漏爆燃事故的溫度分布圖

3.3 爆炸后果分析及安全間距確定

發生爆炸時，爆破能量向外釋放時以沖擊波、碎片和容器殘余變形能量3種形式表現出來，其中空氣沖擊波占絕大部分，是爆炸的主要危害因素。沖擊波是由壓縮波疊加形成的，是波陣面以突進形式在介質中傳播的壓縮波。油氣燃燒產生的熱量以熱傳導、對流和輻射方式向四周傳播，火焰和熱輻射對人體的傷害主要體現在水平方向上，可能會引起人員燒傷甚至死亡，設備損壞。實驗數據證明，人體能夠承受的高溫極限為116℃。爆炸超壓對人造成的危害標準如表4所列。

根據前面得到爆炸超壓規律，地面上的爆炸超壓最大值會達到0.3bar，這將會導致墻體斷裂，也會給人的器官帶來損傷。設定壓力低于0.05bar為安全值，那么從爆炸圖像可以看出在50m以內所有物體都會受到不同程度的損害，并且越靠近中心點所受到的傷害就越大，越靠近高大建筑物的附近受到的傷害也越大，因為爆炸蒸汽云在遇到阻擋之后會再次累積。因此輸油管道的建立要遠離人口密集的地帶，平面距離至少超過50m以上。

根據前面得到爆炸溫度圖可知，溫度最高可達2500K，遠遠大于116℃，暴露在這樣高溫下的人會立即死亡。從爆炸溫度的2D圖可以看出，爆炸溫度的安全距離為20m以上。綜合考慮爆炸超壓和爆炸熱輻射的影響，確定管道的安全距離為50m。

4 結論與建議

（1）通過輸送不同組分原油的管道爆炸模擬可以得出，不同油品的爆炸范圍有所不同，但油品泄漏后發生爆炸給人和建筑物帶來的后果是非常嚴重的，因此應通過一定的辦法來排查隱患，進行風險控制，降低事故發生概率，并要完善相應的應急管理制度。

（2）通過對爆燃事故模擬的超壓和熱輻射結果分析，管道的安全距離為50m。但總的來說管道選址一定要遠離人員密集場所，其他重要公共建筑物也要遠離輸油管道建設，這樣才能保障人群和建筑物的安全。

參考文獻：

[1]項小強, 戴聯雙, 曹濤, 等. 輸油管道泄漏液池的蒸氣云擴散模型[J]. 油氣儲運, 2011,30(05):334-336.

[2] Mashuga C V, Crowl D A. Derivation of Le Chatelier's mixing rule for flammable limits[J]. Process Safety Progress, 2000, 19(2):112–117

[3] 波漢尼什. 有害化學品安全手冊[M]. 中國石化出版社, 2003.

[4] AQT3046—2013化工企業定量風險評價導則[S]. 中國安全生產監督管理總局

作者：李玉星，教授，博士生導師，主要從事油氣水混輸工藝技術、輸氣管道運行模擬仿真技術、天然氣水合物技術、音波法泄漏檢測技術等方面的研究。

張玉乾，在讀碩士研究生，研究方向油氣管道完整性管理技術及油氣長距離管輸技術。

《管道保護》2016年第6期（總第31期）