裴 斌 鄧豐林 陳 鵬 楊云峰 楊 斯

1.中國(guó)石油西南管道昆明輸油氣分公司， 云南 昆明 650000；2.中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部中緬項(xiàng)目部， 云南 昆明 650000

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森林火災(zāi)對(duì)埋地輸氣管道影響的數(shù)值模擬

裴 斌1鄧豐林1陳 鵬1楊云峰1楊 斯2

1.中國(guó)石油西南管道昆明輸油氣分公司， 云南 昆明 650000；2.中國(guó)石油管道建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部中緬項(xiàng)目部， 云南 昆明 650000

中緬油氣管道國(guó)內(nèi)段多埋設(shè)于山林區(qū)，一旦發(fā)生森林火災(zāi)，就可能對(duì)埋地管道造成影響。針對(duì)埋地管道的實(shí)際情況建立相應(yīng)的三維物理模型，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研確定埋地管道及周圍土壤參數(shù)，修正建筑火災(zāi)升溫曲線作為受火面森林火災(zāi)升溫曲線；采用結(jié)構(gòu)化有限容積法對(duì)埋地管道及周圍土壤的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬研究；通過FLUENT軟件模擬，得到火災(zāi)發(fā)生及撲滅后一段時(shí)間內(nèi)的管道溫度變化規(guī)律，找到管道最高溫度的位置并分析其出現(xiàn)的原因。實(shí)際發(fā)生的森林火災(zāi)具有一定的蔓延速度，固定區(qū)域的停留時(shí)間較短，相比之下模擬結(jié)果較為保守。

數(shù)值模擬；埋地管道；溫度場(chǎng)；森林火災(zāi)

0 前言

天然氣的管道輸送具有輸氣量大，安全性好，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。中緬天然氣管道作為我國(guó)西南天然氣進(jìn)口通道，為我國(guó)西南地區(qū)天然氣供應(yīng)提供了保障。中緬管道國(guó)內(nèi)段通過地區(qū)地形相當(dāng)復(fù)雜，多是山林區(qū)域，森林覆蓋率高，加上這些地區(qū)多兼具低緯氣候、季風(fēng)氣候、山原氣候的特點(diǎn)，容易發(fā)生火險(xiǎn)[1]。

一旦發(fā)生森林火災(zāi)，土壤的熱力平衡將受到破壞，熱量向土壤內(nèi)部傳遞，從而影響到埋地管道的防腐層、管壁以及輸送介質(zhì)的正常狀態(tài)，可能造成防腐層、管壁的失效，以及輸送介質(zhì)性質(zhì)的改變[2]。

國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)此類問題進(jìn)行了研究，楊麗蕓等人[3]對(duì)火災(zāi)下埋地管道地表邊界條件進(jìn)行研究，確定了各邊界條件適用范圍；鄧松圣等人[4]建立了火災(zāi)下埋地管道的非穩(wěn)態(tài)模型，得出管道周圍溫度場(chǎng)的一般規(guī)律。本文以中緬管道國(guó)內(nèi)段為研究背景，以FLUENT軟件為求解手段，采用結(jié)構(gòu)化有限容積法對(duì)三維埋地管道模型的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。

1 數(shù)學(xué)模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，提出以下基本假設(shè)：林火燃燒穩(wěn)定連續(xù)；將土壤簡(jiǎn)化為各向同性的均勻介質(zhì)，忽略土壤中水分的影響；林火對(duì)管道熱力影響區(qū)的范圍為水平橫向-13 m≤x≤13 m、水平縱向0≤z≤50 m、垂直方向-8 m≤y≤0 m[5]。

基于上述簡(jiǎn)化與假設(shè)，建立火災(zāi)對(duì)埋地管道影響數(shù)學(xué)模型如下[6-10]：

土壤導(dǎo)熱方程：

Cs

(1)

式中：λs為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Cs為土壤容積熱容量，kJ/(m3·K)；Ts為土壤溫度，K；t為時(shí)間，s。

管壁、防腐層導(dǎo)熱方程：

(2)

式中：r為徑向位置，m；φ為環(huán)向弧度；z為軸向位置，m；k取1,2分別代表鋼管壁、防腐層；λk為第k層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Ck為第k層容積熱容量，kJ/(m3·K)；Tk(k=1,2)分別代表鋼管壁、防腐層的溫度，K；t為運(yùn)行時(shí)間，s。

鋼管外壁和防腐層內(nèi)壁滿足式(3)～(4)：

(3)

(4)

防腐層外壁和管道周圍土壤滿足式(5)～(6)：

(5)

(6)

式中：R1、R2分別為輸氣管道外壁、防腐層外壁半徑，m；Ts為土壤溫度，K。

邊界條件滿足式(7)～(8)：

(7)

y=0時(shí)，λs(Ta-Ts)

(8)

式中：αa為地表向大氣的放熱系數(shù)，W/(m2·K)，αa；u為當(dāng)?shù)仫L(fēng)速,m/s；Ta為地表上方溫度,K；L1為熱力影響區(qū)域水平方向x軸邊界位置，m;L2為z軸方向邊界位置，m；H為熱力影響區(qū)域深度方向邊界位置，m。

2 模型參數(shù)

關(guān)于森林火災(zāi)，Philpot在1965年提出了最熱火，火焰溫度高達(dá)1 500 ℃；Clemont和MCMahon于1980年提出最冷火，火焰溫度為800 ℃；駱介禹等人[11]在火焰溫度估測(cè)一文中提到火焰溫度為850～1 000 ℃；閔明保等人[12]提到溫度800～1 000 ℃時(shí)，木材全部燒盡。幾乎所有文獻(xiàn)關(guān)于林火溫度的描述都在800～1 000 ℃，因此參照ISO 834《國(guó)際阻燃、防火測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》的建筑物火災(zāi)升溫曲線將森林火災(zāi)升溫曲線修正如下：

Tt=T0+345ηlog(8t+1)

(9)

式中：Tt為火焰溫度，K；T0為初始環(huán)境溫度，K；t為著火時(shí)間，min；η為修正系數(shù)，取0.725。

根據(jù)SY/T 5922-2003《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》[13]，管道中心線兩側(cè)5 m的范圍內(nèi)不種植樹木，僅播種種草，在埋地管道上方靠近中心線兩側(cè)的溫度要遠(yuǎn)低于林火溫度。因此將受火面劃分為樹木燃燒區(qū)域和枯草燃燒區(qū)域。

受火面的溫度分布滿足式(10)：

(10)

圖1 埋地管道計(jì)算模型

圖1為埋地管道計(jì)算模型，其中受火面深色區(qū)域代表樹木燃燒區(qū)域，淺色區(qū)域代表枯草燃燒區(qū)域。取管道埋深1.2 m，徑向50 m，軸向13 m，總?cè)紵娣e為1 300 m2。

中緬油氣管道國(guó)內(nèi)段輸氣干線管道直徑 Φ 1 016 mm×17.5 mm，管道外防腐層厚度3 mm，管道最小埋深(從地表至管道軸心的垂直距離)1.2 m，管道天然氣的輸送溫度298.15 K，管道天然氣主要成分為甲烷，流速4.26 m/s；管道周圍土壤平均密度取 2 400 kg/m3，平均比熱容取1 840 J/(kg·K)，平均導(dǎo)熱系數(shù)取2.0 W/(m·K)；管道材料為X 70/X 80鋼密度取7 850 kg/m3，比熱容取 434 J/(kg·K)，平均導(dǎo)熱系數(shù)取45 W/(m·K)；防腐層為三LPE結(jié)構(gòu)，密度950 kg/m3，比熱容取2 512 J/(kg·K)，平均導(dǎo)熱系數(shù)取0.48 W/(m·K)；風(fēng)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響較小，取定值3 m/s，地表與大氣的換熱系數(shù)為23.12 W/(m2·K)。管道周圍土壤溫度初始條件t=0，T0=298.15 K。

3 數(shù)值模擬及分析

使用Gambit軟件將計(jì)算區(qū)域劃分成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其解表明計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格劃分無關(guān)。采用結(jié)構(gòu)化有限容積法以及Fluent軟件，模擬埋地管道及土壤溫度場(chǎng)。Fluent軟件在計(jì)算此類傳熱問題時(shí)，通過在Energy面板上打開Energy Equation 選項(xiàng)來激活傳熱計(jì)算。受火地表的邊界類型為對(duì)流換熱邊界條件，管內(nèi)流體的入口邊界為速度入口，出口邊界為出流邊界，其余邊界均設(shè)為絕熱邊界。傳熱介質(zhì)的參數(shù)按照現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)設(shè)定。

不同著火時(shí)間埋地管道防腐層溫度變化曲線見圖2，不同時(shí)刻沿管道方向管內(nèi)壁溫度變化曲線見圖3。

圖2 不同著火時(shí)間埋地管道防腐層溫度變化曲線

圖2中的三條曲線分別描述了火災(zāi)持續(xù)50、80、100 h后被撲滅的管道防腐層溫度變化情況。每條曲線都在著火時(shí)升高，火滅后下降。曲線的最高點(diǎn)出現(xiàn)在火滅后的一段時(shí)間里，這是由于表面的火撲滅后，土壤內(nèi)部仍有大量熱量向下傳遞，導(dǎo)致管道溫度繼續(xù)升高；到達(dá)最高點(diǎn)后，管道溫度會(huì)緩慢下降，這是由于火撲滅之后，土壤與空氣的對(duì)流換熱，換熱量相對(duì)較小，從而導(dǎo)致管道溫度降低十分緩慢。管道內(nèi)壁溫度變化也具有相同規(guī)律。

表1 火災(zāi)發(fā)生80 h后管道不同位置處的溫度值

位置/m溫度/K?x㊣=0340?x㊣=25346?x㊣=50352

火災(zāi)發(fā)生80 h對(duì)應(yīng)的管道溫度場(chǎng)見圖4，火災(zāi)發(fā)生80 h后管道不同位置處的溫度值見表1。由圖3～4以及表1可以看出，火災(zāi)發(fā)生80 h后，沿著管道方向的溫度不一致，會(huì)出現(xiàn)大約12度的溫度差。這是由于從遠(yuǎn)處來的管內(nèi)流體溫度保持不變，當(dāng)通過著火段時(shí)，會(huì)沿著流動(dòng)方向不斷與相對(duì)高溫的管道內(nèi)壁進(jìn)行對(duì)流換熱，導(dǎo)致在z=0 m處的管內(nèi)流體和管壁溫度差Δt要大于z=50 m處的溫度差。

對(duì)流傳熱的基本計(jì)算式(11)[14]：

φ=hAΔt

(11)

式中:Δt為流體和管壁的溫差，K;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K);A為傳熱面積，m2;φ為熱流量，W。

在森林火災(zāi)中，某一片區(qū)域的火災(zāi)持續(xù)時(shí)間不可能長(zhǎng)達(dá)100 h。根據(jù)木材在火災(zāi)燃燒時(shí)炭化速率3 mm/min[15]，得出一棵高3.6 m的大樹，完全炭化的時(shí)間不超過20 h。而且在發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，樹木不可能完全炭化，樹木持續(xù)燃燒的時(shí)間會(huì)遠(yuǎn)低于20 h?；馂?zāi)發(fā)生100 h時(shí)各時(shí)間點(diǎn)防腐層與管內(nèi)壁的最高溫度見表2，由表2可見，若管道上方火災(zāi)持續(xù)20 h，管道的最高溫度在27 ℃左右。對(duì)于輸氣管道，甚至輸油管道，這個(gè)溫度是安全的，不會(huì)對(duì)埋地管道造成影響。

而假設(shè)森林火災(zāi)持續(xù)了100 h后撲滅，防腐層的最高溫度出現(xiàn)在110 h，z=50 m處，溫度為93.67 ℃；管內(nèi)壁最高溫度也出現(xiàn)在110 h，z=50 m處，溫度為87.85 ℃。三LPE管道防腐層的失效溫度160～180 ℃，而X 80/X 90鋼的失效溫度則更高。從模擬結(jié)果看，即使林火燃燒持續(xù)100 h，林火對(duì)管道的影響也不足以使管道失效引發(fā)更大的危害。

表2 火災(zāi)發(fā)生100 h時(shí)各時(shí)間點(diǎn)防腐層與管內(nèi)壁的最高溫度

時(shí)間/h防腐層溫度/℃管內(nèi)壁溫度/℃1021.7321.872027.6727.083038.4236.764049.6547.025059.6956.266068.2064.137075.3270.738081.2576.249086.1980.8410090.3184.6811093.6787.8512093.3387.7813088.4183.5014081.6577.4515074.7771.21

4 結(jié)論

通過對(duì)森林火災(zāi)下埋地管道的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究，得到森林火災(zāi)下管道的溫度變化規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明，燃燒產(chǎn)生熱量并向下傳遞，導(dǎo)致土壤溫度以及管道溫度的上升；當(dāng)火災(zāi)撲滅之后，管道的溫度會(huì)有一個(gè)繼續(xù)上升的過程，然后再降低?；馂?zāi)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，火災(zāi)撲滅后繼續(xù)升溫的時(shí)間越長(zhǎng)；沿著管道軸流方向，各截面溫度分布不一致。最高溫度出現(xiàn)在受火段管道末端的防腐層處，如果防腐層的質(zhì)量不合格，在高溫下容易發(fā)生脫落或剝離；當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)不會(huì)對(duì)正常埋深的管道產(chǎn)生危害。

森林火災(zāi)實(shí)際狀況十分復(fù)雜，受到地形、地表植被和風(fēng)速等因素的影響；土壤的孔隙度以及含水率也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定影響。本研究基于危害最大化原則，簡(jiǎn)化地表火災(zāi)以及土壤狀況，其計(jì)算結(jié)果偏于保守。

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2015-09-22

中國(guó)石油集團(tuán)中緬天然氣管道云南段放空系統(tǒng)安全評(píng)估項(xiàng)目(XNYX-KM-2014-FM-69)

裴 斌(1985-)，男，云南昆明人，工程師，學(xué)士，主要從事油氣管道生產(chǎn)運(yùn)行工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.007