秦 璇 宋代詩雨

中國石油集團工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

近年來，隨著天然氣能源需求不斷增加,中國天然氣管道布局也得到了蓬勃發(fā)展。目前中國已形成的天然氣管網(wǎng)橫跨東西,縱貫?zāi)媳?。在許多地區(qū),由于受地形、交通、環(huán)保等因素的影響,采用了管道并行敷設(shè)的形式。但近年世界各國輸氣管道泄漏造成的爆炸事故時有發(fā)生,人們對天然氣管道安全輸送越來越重視,而英國在經(jīng)過大量實驗研究后,率先提出了安全距離的定義,規(guī)定了管道爆炸對周圍建筑物不產(chǎn)生影響的最小距離,這也對天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距要求提出了新的思路[1-4]。

天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距由多方面因素決定,主要從地形、交通、環(huán)保、熱輻射等方面考慮。本文將通過與中國天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距相關(guān)規(guī)范的比較和分析,結(jié)合國外標(biāo)準(zhǔn),運用DNV PHAST軟件淺析澳大利亞天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距的確定。

1 并行天然氣管道間距

影響天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距的因素很多,但是在確定并行管道間距時,主要需滿足兩方面的要求,一是滿足操作空間,不僅要針對現(xiàn)有地面操作或者施工的空間要求,同時也要滿足未來施工的要求,包括但不限于采用爆破法施工時的間距要求。二是滿足熱輻射要求,當(dāng)發(fā)生緊急事故,如管道破裂、燃燒或爆炸時,沖擊波或者熱輻射不會對臨近管道正常生產(chǎn)運行造成影響。

1.1 滿足操作空間

滿足操作空間作為確定天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距要求,主要是在新建管道施工時,盡量利用現(xiàn)有設(shè)施,不對已建管道工程造成影響或者破壞。機械化施工時,合理間距為施工間距,無機械化施工時,合理間距為維搶修間距[5-7]。在后續(xù)可能的施工中,因為有足夠的安全距離,特別是在采用爆破法開挖管溝時,不會對現(xiàn)有管道造成影響。在中國規(guī)范GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》第4.4節(jié)做了具體要求,在石方地段,后建管道采用爆破開挖時,并行距離宜大于20 m;不受地形、地段限制的并行管道,最小距離不應(yīng)小于6 m[8],根據(jù)土壤類別要求的具體管道間距可以參考SY/T 7365-2017《油氣輸送管道并行敷設(shè)技術(shù)規(guī)范》表5.2.3[9]。

澳大利亞和新西蘭聯(lián)合組建標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會,形成了AS/NZS標(biāo)準(zhǔn),澳大利亞天然氣管道工程設(shè)計遵循AS 2885.1《石油天然氣管道設(shè)計與施工》(以下簡稱AS 2885.1)標(biāo)準(zhǔn),最新版標(biāo)準(zhǔn)于2019年已發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)是基于風(fēng)險控制的標(biāo)準(zhǔn),主要功能為指導(dǎo)工程設(shè)計人員識別管道設(shè)計與施工中潛在的風(fēng)險和危險,以確保在相應(yīng)的地方采取必要的控制措施[10-11]。

AS 2885.1標(biāo)準(zhǔn)中沒有對天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距做具體數(shù)值要求,而是通過計算管道抗侵蝕的能力,來確定天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距。通過對不同類型的挖掘機挖斗對管道造成破孔大小進行分析,結(jié)合AS 2885.1標(biāo)準(zhǔn)中Y3章節(jié)瞬間擊穿管道模型(Puncture Energy Release Rates)的公式計算,得到天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距[12]。

1.2 滿足熱輻射間距

相鄰兩條或多條并行管道中,當(dāng)一條管道發(fā)生爆炸、燃燒時,會在沖擊波或熱輻射的影響下,影響其他管道運行,為了避免熱輻射或沖擊波的影響,并行管道間需要足夠的安全距離。

由于天然氣易燃、易爆的特性,管道泄漏時一旦遇到火源即有可能引起蒸氣云爆炸、火球火災(zāi)、噴射火,嚴重威脅管道運營,同時根據(jù)API 581《基于風(fēng)險的檢驗》顯示,燃氣泄漏發(fā)生噴射火事故概率為0.1,主要以噴射火作為主工況進行分析[13-14]。

目前,計算熱輻射的典型數(shù)學(xué)模型主要有兩種:點源模型(Point Source Model)和固體火焰模型(Solid Flame Model)。點源模型通過將熱輻射集中在中心點來計算,也是API 521《泄壓和減壓系統(tǒng)》中使用的模型[15-17]。由于噴射火焰具有長度較長、影響范圍較大的特點,在計算時使用固體火焰模型計算[18]，典型的噴射火示意圖見圖1。滿足熱輻射要求造成的管道間距則需要通過DNV PHAST軟件計算。

圖1 典型的噴射火示意圖

需要注意,基于DNV PHAST軟件在計算熱輻射距離時,管道失效是按照完全爆炸模型(Full Bore)計算,若管道僅為部分穿孔,則考慮瞬間擊穿管道模型(Puncture Energy Release Rates)計算。

2 并行管道間距的確定

2.1 管道完全爆炸模型

根據(jù)AS 2885.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,確定天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距,需要以4.7 kW/m2和12.6 kW/m2作為臨界熱通量來分別計算熱輻射曲線。根據(jù)韓國學(xué)者Jo Y D的研究認為,管道危險距離反應(yīng)的是在最不利的天氣條件下,管道斷裂時引起的火災(zāi)造成室外個體暴露在熱輻射下30 s內(nèi)死亡概率為1%所對應(yīng)的最小距離[19]。故首先通過DNV PHAST軟件計算爆炸初30 s后的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)體積流,再利用計算值來確定點火后的熱輻射曲線,這些數(shù)據(jù)通過PHAST軟件獲得,并作為管道完全爆炸模型的結(jié)果。

在建立PHAST模型時,根據(jù)已知管道的壓力、管徑,結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)速,按照10°、20°和30°泄漏方向分別計算出不同的熱輻射距離,同時根據(jù)API 521計算熱輻射公式,計算熱輻射距離,將由PHAST計算出的敷設(shè)曲線中的最大距離與API 521計算熱輻射公式中的最大距離相比較,取最大值作為管道完全爆炸模型時的管道間距。

API 521計算熱輻射公式[20]:

(1)

2.2 瞬間擊穿管道模型

根據(jù)AS 2885.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,熱輻射計算時還應(yīng)考慮瞬間擊穿管道模型,計算公式:

(2)

(3)

式中:Q為釋放能量,MJ/s;R12.6、R4.7分別為輻射強度12.6、4.7 kW/m2時的熱輻射，m。

而釋放能量計算可以通過式(4)～(6)計算：

(4)

m′=1.1×10-3PDA

(5)

(6)

式中:A為泄漏孔有效面積,mm2;d為泄漏孔大小,mm;GHV為燃氣熱值,MJ/m3;m′為質(zhì)量流量,kg/s;PD為設(shè)計壓力,MPa;ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度,kg/m3。

從式(4)～(6)可以發(fā)現(xiàn),熱輻射的影響范圍與管道的泄漏孔面積有關(guān),而泄漏孔主要考慮管道被不同類型的挖掘機斗齒破壞,造成大小不一的泄漏孔,主要對常規(guī)齒、單虎齒、雙虎齒的進行分析。

在計算時,首先根據(jù)AS 2885.1標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于的規(guī)定,對比管道抗傾入阻力和判斷管道是否發(fā)生侵入情況,即Rp>BF時,管道不發(fā)生侵蝕情況,其中Rp為管道抗侵入的阻力,根據(jù)式(7)計算,F為挖掘機鏟斗在管道上造成的力,根據(jù)式(8)計算,B為一個綜合系數(shù),具體取值見表1,挖掘機相關(guān)參數(shù)見表2。

(7)

F=7.5WOP-0.04(WOP)2

(8)

式中:tw為管道壁厚,mm;σu為極限抗拉應(yīng)力,MPa,根據(jù)API 5 L表7取值[21];L為鏟斗齒長度,mm;W為鏟斗齒寬度,mm;WOP為鏟斗工作壓力,kN。

表1 綜合系數(shù)B取值表

表2 挖掘機相關(guān)參數(shù)表

通過式(7)～(8)計算后,若Rp

(9)

(10)

σflow=68.95+σy

(11)

(12)

CDL=2c

(13)

式中:MT為膨脹系數(shù);σy為材料規(guī)定的最小屈服強度,MPa;D為管道外徑,mm;PD為設(shè)計壓力,MPa;CDL為缺陷臨界長度，m;σH為環(huán)向應(yīng)力，MPa;σflow為屈服應(yīng)力，MPa。

根據(jù)式(9)～(13)判斷出會發(fā)生泄漏的管道,再根據(jù)式(4)～(6)計算出安全間距,由此確定天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距。

3 工程實例

澳洲某管道工程,介質(zhì)為天然氣,密度1.347 kg/m3,燃氣熱值37.11 MJ/m3,其他管道參數(shù)見表3。

首先根據(jù)式(7)～(8),判斷是否會發(fā)生管道傾入的工況。由于計算時與綜合系數(shù)B有很大的關(guān)系,在校核時根據(jù)兩個極端工況,分別計算B=0.75和B=1.3時管道是否侵入的情況。不同挖掘機鏟斗類型管道是否發(fā)生侵入計算結(jié)果見表4。

表3 澳洲某管道工程管道參數(shù)表

表4 不同挖掘機鏟斗類型管道是否發(fā)生侵入計算結(jié)果表

當(dāng)分析出哪些管道可能發(fā)生侵入工況后,再將可能發(fā)生侵入工況的管道,通過式(9)～(13)判斷管道侵入的具體工況,若發(fā)生破損,則采用DNV PHAST軟件,按照完全爆炸模型計算,若發(fā)生泄漏,則采用式(4)～(6)計算安全間距,判斷天然氣輸送管道并行敷設(shè)距離。具體判斷結(jié)果見表5。

表5 不同挖掘機鏟斗類型管道侵入類型判斷結(jié)果表

根據(jù)表5的判斷標(biāo)準(zhǔn),泄漏的管道根據(jù)瞬間擊穿管道模型計算,計算結(jié)果見表6。

表6 瞬間擊穿管道模型計算結(jié)果表

完成泄漏工況計算后,破損管道工況根依據(jù)DNV PHAST軟件,分別按照10°,20°和30°泄漏角度,在風(fēng)速為5 m/s,濕度50%的情況下計算,計算結(jié)果見表7。

表7 管道完全爆炸模型計算結(jié)果表

在計算完表7中兩種工況后,可以得出結(jié)論,若管道發(fā)生泄漏工況,天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距為70 m；若管道發(fā)生破損爆炸工況,天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距為217 m。

4 結(jié)論

合理確定天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距對于長輸管道安全運行有重要意義。通過與中國天然氣輸送管道并行敷設(shè)確認規(guī)范及方法的比較,引入并介紹分析了澳大利亞天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距計算方法,并通過DNV PHAST軟件計算結(jié)果AS 2885.1標(biāo)準(zhǔn)的方法在實際工程中的應(yīng)用,得出以下結(jié)論:

1)中國在天然氣輸送管道并行敷設(shè)要求方面,通過強度來保證安全,已經(jīng)摒棄了安全距離的概念和要求,從防腐、施工、維護管理角度對管道間距提出要求。

2)利用澳大利亞規(guī)范計算時,根據(jù)管道傾入情況,分為泄漏和完全爆炸工況,泄漏工況通過AS 2885.1標(biāo)準(zhǔn)公式計算,完全破損工況通過DNV PHAST軟件計算。根據(jù)AS 2885.1標(biāo)準(zhǔn)公式計算的安全距離與中國標(biāo)準(zhǔn)接近,而根據(jù)DNV PHAST軟件計算的安全距離遠遠大于中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3)泄漏和完全爆炸工況相比較,完全破損工況為最惡劣工況,天然氣輸送管道并行敷設(shè)間距最大。