何 沫，廖柯熹

（西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院， 四川 成都 610500）

輸氣管道潛在影響區(qū)模型關(guān)鍵參數(shù)取值討論

何 沫，廖柯熹

（西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院， 四川 成都 610500）

天然氣管道的潛在影響區(qū)是指如果管道發(fā)生失效，其周邊公眾安全和財(cái)產(chǎn)可能受到明顯響影的區(qū)域。泄漏速率衰減因子的取值對(duì)潛在影響區(qū)半徑計(jì)算模型的準(zhǔn)確性有著極大影響，ASME B31.8S基于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究，將泄漏速率衰減因子λ的取值為0.33。研究ASME B31.8S中泄漏速率衰減因子的取值方法，并根據(jù)該取值方法，對(duì)不同管道的泄漏速率衰減因子λ進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于108～1 219 mm管徑的管道，泄漏速率衰減因子在0.14到0.32之間，泄漏速率衰減因子不隨管道壓力變化，而隨管徑的減小而減小。由此得出結(jié)論：將λ取為0.33可以滿足安全管理需求，但是對(duì)于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋@類較小口徑管道而言，可能造成潛在影響半徑計(jì)算結(jié)果過(guò)大，在安全管理中難以執(zhí)行且提高安全管理成本。最后將不同管道λ分別取值，計(jì)算出潛在影響區(qū)半徑與原潛在影響區(qū)半徑公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

天然氣管道；泄漏；泄漏速率衰減因子；潛在影響區(qū)半徑；ASME；PHAST

潛在影響區(qū)是指如果管道發(fā)生失效，其周邊公眾安全和財(cái)產(chǎn)可能受到明顯影響的區(qū)域[1]。ASME B31.8S提供的天然氣管道的潛在影響區(qū)計(jì)算模型在噴射火單點(diǎn)源模型的基礎(chǔ)上提出，通過(guò)計(jì)算噴射火熱輻射的影響范圍對(duì)管道失效后的潛在影響區(qū)半徑進(jìn)行計(jì)算。發(fā)生泄漏后，天然氣管道壓力會(huì)不斷衰減，質(zhì)量泄漏速率Q隨時(shí)間不斷降低，因此運(yùn)用噴射火模型對(duì)潛在影響區(qū)計(jì)算模型推導(dǎo)的過(guò)程中必須引入當(dāng)量泄漏速率這一概念。ASME B31.8S引入“泄漏速率衰減因子λ”這個(gè)概念，將當(dāng)量泄漏速率Qeff取為λQpeak[2]。因此，λ的取值對(duì)于潛在影響區(qū)半徑計(jì)算的準(zhǔn)確性有極大影響，基于對(duì)管道泄漏速率衰減規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，在ASME B31.8S中，λ被取為0.33。

根據(jù)相關(guān)研究[3]，不同管道條件下λ的值不同。城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿拦軓捷^小，分布密集，若將泄漏速率衰減因子取為0.33會(huì)造成管道潛在影響半徑計(jì)算結(jié)果過(guò)大，進(jìn)而增加安全管理成本，還可能造成管道建設(shè)與城市規(guī)劃相抵觸，安全范圍無(wú)法執(zhí)行等問(wèn)題。因此，必須針對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖墓艿罈l件，對(duì)泄露速率衰減因子的取值展開(kāi)討論。

本文在泄漏速率計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，對(duì)管道泄漏過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)的泄漏速率進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算出泄漏速率衰減因子λ和ASME B31.8S中λ的取值進(jìn)行比較。文章最后根據(jù)λ的計(jì)算值計(jì)算出不同管道對(duì)應(yīng)的潛在影響區(qū)半徑，并與原公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

1 關(guān)于泄漏速率衰減因子取值的討論

1.1 潛在影響區(qū)模型和泄漏速率衰減因子的關(guān)系

在 ASME B31.8S中，潛在影響區(qū)半徑計(jì)算模型為[4]：

其中： Hc——泄漏氣體的燃燒熱，kJ/kg；

η——燃燒效率，無(wú)量綱；

Xg——發(fā)射率，無(wú)量綱；

r——潛在影響區(qū)半徑,m；

Q——當(dāng)量泄漏質(zhì)量速率，kg/s;

I——熱輻射閾值，kW/m2。

從模型可以看出，天然氣管道的潛在影響區(qū)半徑r是一個(gè)關(guān)于泄漏速率Q的函數(shù)。由于天然氣管道發(fā)生泄漏后，泄漏速率會(huì)隨著壓力的衰減而不斷減小，ASME B31.8S引入泄漏速率這一概念，并將當(dāng)量泄漏率Qeff取值為λQpeak，其中λ為泄漏速率衰減因子。因此，泄漏速率衰減因子的取值對(duì)天然氣管道潛在影響區(qū)半徑的計(jì)算是非常重要的。在潛在影響區(qū)半徑計(jì)算模型的推導(dǎo)過(guò)程中，Mark.J等人認(rèn)為泄漏速率衰減因子λ的取值跟管道直徑，管道工作壓力，和管道泄漏后被點(diǎn)燃的時(shí)間這個(gè)3個(gè)因素有關(guān)[5]。

根據(jù)文獻(xiàn)資料，發(fā)生全管徑斷裂時(shí)，天然氣管道發(fā)生泄漏后被點(diǎn)燃的常見(jiàn)時(shí)間為1～2 min[6]。荷蘭應(yīng)用科學(xué)院（TNO）對(duì)大量不同管道泄漏速率衰減規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究，管道在泄漏發(fā)生60 s后，泄漏速率已經(jīng)趨于穩(wěn)定，根據(jù)以上研究結(jié)論，ASME B31.8S選用60 s時(shí)的瞬時(shí)泄漏率作為熱輻射計(jì)算時(shí)的當(dāng)量泄漏率，并定義60 s時(shí)的瞬時(shí)泄漏率Q60與初始泄漏率峰值Qpeak之比等于泄漏速率衰減因子λ。根據(jù)TNO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同管道的λ在0.2～0.5之間，英國(guó)的管道事故后果危害研究認(rèn)為λ的合理取值為0.25[7]，而ASME B31.8S將λ相對(duì)保守的取為0.33，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出廣為人知的潛在影響區(qū)半徑計(jì)算公式：

式中：p——管道壓力，Pa；

d——管道直徑，mm。

由上文可知，ASME B31.8S對(duì)λ的取值完全基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，下文將基于泄漏速率計(jì)算模型通過(guò)數(shù)值模擬的方法，計(jì)算出60 s時(shí)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)泄漏率及初始泄漏速率峰值，進(jìn)而計(jì)算出λ的值和ASME

B31.8S對(duì)λ的取值進(jìn)行比較，以對(duì)λ的合理取值展開(kāi)討論。

1.2 泄漏速率衰減因子計(jì)算方法簡(jiǎn)述

本文運(yùn)用挪威船級(jí)社失效后果模擬軟件PHAST對(duì)天然氣管道的平均泄漏速率Qavra和泄漏速率初始峰值Qpeak進(jìn)行計(jì)算[8,9]。泄漏速率計(jì)算采用管道泄漏常用模型，考慮管道全管徑斷裂，泄漏孔徑取為管道直徑d：

式中： Qin——?dú)怏w泄漏質(zhì)量速率，kg/s；

Cd——?dú)怏w流量系數(shù)；

a0——當(dāng)?shù)芈曀?，m/s；

φ——流動(dòng)系數(shù)，無(wú)量綱；

d——有效孔徑，m；

p——管道壓力，Pa。

管內(nèi)氣體壓力計(jì)算采用 BWRS氣體狀態(tài)方程[10]：

式中：P——?dú)怏w壓力，Pa；

ρ——?dú)庀嗝芏?，kmol/m3；

R——理想氣體常數(shù)，無(wú)量綱；

T——?dú)怏w溫度，K。

采用ASME B31.8S中的的取值方法，對(duì)泄漏速率衰減因子λ值的計(jì)算，首先計(jì)算出管道泄漏速率峰值和60 s時(shí)的泄漏速率，后采用計(jì)算公式如下：

式中： Q60—60 s時(shí)管道泄漏速率，kg/s；

Qpeak—泄漏速率峰值,kg/s。

圖1 泄漏速率衰減因子計(jì)算流程圖Fig.1 The tree of the calculation of leakage rate decay factor

軟件將泄漏總時(shí)間t分為100個(gè)時(shí)間段，假設(shè)在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，管道各參量都不發(fā)生變化[11,12]。計(jì)算步驟如圖1所示。

1.3 天然氣管道泄漏速率衰減因子的計(jì)算

為研究管道壓力，管徑對(duì)衰減因子λ的影響，本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管徑的管道在不同壓力條件下管道的衰減因子進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同管道條件下泄漏速率衰減因子計(jì)算結(jié)果表Table1Calculation result of leakage rate decay factor under different pipeline condition

從表1可以看出，對(duì)管徑在108 mm到1 219 mm間的管道，λ的計(jì)算結(jié)果在0.14～0.32之間，當(dāng)管徑一定時(shí)，泄漏速率衰減因子λ不隨壓力的變化而發(fā)生變化；當(dāng)壓力一定時(shí)，λ隨著管徑的減小而減?。磺耶?dāng)管徑較大時(shí)，λ隨著管徑的變化趨勢(shì)較緩，當(dāng)管徑較小時(shí)，λ隨管徑的變化趨勢(shì)較陡。由計(jì)算結(jié)果可以看出，在計(jì)算管道失效后的潛在影響區(qū)半徑時(shí)將泄漏速率衰減因子λ取為0.33是相對(duì)合理的，可以滿足安全管理需求；同時(shí)，我們也應(yīng)注意到，不同管徑管道的泄漏速率衰減因子變化幅度較大，對(duì)于較小管徑的管道，將λ取為0.33無(wú)疑會(huì)使得管道的安全管理成本增加。

1.4λ的變化對(duì)潛在影響區(qū)半徑的影響

對(duì)不同管徑管道的泄漏速率衰減因子分別取值，并將λ帶入潛在影響區(qū)模型中，則潛在影響區(qū)公式可變?yōu)楸?所示。

根據(jù)表2中的公式，對(duì)不同管道潛在影響區(qū)半徑計(jì)算如表3所示。其中λ為原衰減因子；R是以λ計(jì)算出的潛在影響區(qū)半徑；R’是以λ’計(jì)算出的潛在影響區(qū)半徑，ΔR為R與R’之差；相對(duì)誤差為ΔR與R的比值。

表2 不同λ對(duì)應(yīng)的潛在影響區(qū)半徑公式表Table 2 The formula of potential impact area for differentλ

表3 潛在影響區(qū)半徑計(jì)算結(jié)果表Table 3 Calculation result of the potential impact area radius

圖2 潛在影響區(qū)半徑差值百分比曲線Fig.2 The D-value percentage of the potential impact area radius

2 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)ASME B31.8S中氣體管道衰減因子的取值方法的研究，采用相同的方法對(duì)不同管道條件下衰減因子的值進(jìn)行計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）管道的泄漏速率衰減因子不隨管道壓力變化，但隨管徑的減小而減小。

（2）不同管徑管道泄漏速率衰減因子的計(jì)算值在 0.14～0.32之間，將所有管徑管道統(tǒng)一取為 0.33可以較為保守的滿足安全管理要求，但對(duì)于小口徑管道而言，會(huì)造成潛在影響區(qū)半徑計(jì)算值過(guò)于保守。

（3）在實(shí)際工程運(yùn)用中，對(duì)于口徑較小的管道，可根據(jù)表2中提供的公式計(jì)算潛在影響區(qū)半徑，以達(dá)到降低安全管理成本的目的。

［1］嚴(yán)大凡,等. 油氣長(zhǎng)輸管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與完整性管理[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社案例科學(xué)與工程出版中心, 2005.

［2］霍春勇, 董玉華, 余大濤, 等. 長(zhǎng)輸管線氣體泄漏率的計(jì)算方法研究[J]. 石油學(xué)報(bào), 2004, 25(1): 101-105.

［3］safety study on the transportation of natural gas and LPG by Un derground Pipeline in the Netherlands.Netherlands Organization f or Applied Scientific Reserch,TNO[R].1982.

［4］ASME B31.8S-1010，Managing System Integrity of Gas Pipelines[S].

［5］Stephens M J, Leewis K, Moore D K. A model for sizing high consequence areas associated with natural gas pipelines[C]//2002 4th International Pipeline Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2002: 759-767.

［6］Bilo M, Kinsman P R. Thermal radiation criteria used in pipeline risk assessment[J]. Pipes & pipelines international, 1997, 42(6): 17-25.

［7］Hill R T, Catmur J R. Risks from hazardous pipelines in the United Kingdom[R]. HSE CONTRACT RESEARCH REPORT, 1994.

［8］曹斌, 劉志福,等.基于 PHAST 軟件的凈化器泄漏擴(kuò)散研究分析[J].西部探礦工程, 2010, 26(3): 75-77.

［9］潘鵬. DNV PHAST 軟件在氣體擴(kuò)散模擬分析中的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)計(jì), 2006, 23(2): 61-62.

［10］李長(zhǎng)俊.天然氣管道輸送[M]. 北京:石油工業(yè)出版社, 2000.

［11］Witlox H W M, Harper M, Oke A, et al. Phast validation of discharge and atmospheric dispersion for carbon dioxide releases[C]//15 th Annual Symposium, Mary Kay O’Connor Process Safety Centre, Texas A&M University, College Station, Texas. 2012: 23-25.

［12］Witlox H W M. Overview of consequence modelling in the hazard assessm[R].

Discussion on the Key Parameters of Gas Transmission Pipeline Potential Impact Areas Model

HE Mo,LIAO Ke-xi

（Petroleum and Natural Gas Engineering Institute, Southwest Petroleum University, Sichuan Chengdu 610500, China）

Potential impact area of natural gas pipeline is an area where the public security and property may be significantly affected if pipeline failures. The value of leak rate attenuation factor has a great impact on the calculation accuracy of the potential impact radius model. ASME B31.8S evaluates the leak rate decay factor λ to 0.33 based on the experimental data. In this paper, the reasonableness of the value of λ was discussed, the method to evaluate leakage rate decay factor in ASME B31.8S was studied. And then leak rate decay factor λ of different pipelines was calculated with the sophisticated leak rate calculation model according to the method. The results show: for different pipelines, leak rate decay factor is between 0.14 and 0.32; the leak rate decay factor does not vary with the pressure changing in the pipeline, but decreases with the diameter decreasing. It is concluded that, taking the λ as 0.33 can meet the needs of safety, but this will improve the cost of safety management for small diameter pipeline. Finally, the radius of potential impact area of natural gas pipeline was calculated when λ was different, and the results were compared with the results when λ was taken as 0.33.

Natural gas pipeline; Discharge; Leak rate decay factor; Potential impact area; ASME; PHAST

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0608-04

2014-11-04

何沫（1990-），男，重慶人，碩士學(xué)位，2015年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：天然氣管道泄漏后果評(píng)價(jià)。E-mail：573524840@qq.com。