張愛(ài)良，馬 超，李 磊，安 超，張庶鑫，吳 超，張 杰

(1.中國(guó)石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油塔里木油田分公司克拉油氣開(kāi)發(fā)部 新疆 庫(kù)爾勒 841000；3.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著我國(guó)天然氣需求的不斷加大，氣田的勘探開(kāi)發(fā)規(guī)模逐漸增加，地面集輸和處理系統(tǒng)已經(jīng)建成大量的集輸氣管道。并行敷設(shè)所占用的土地面積較少，是一種備受關(guān)注且廣泛應(yīng)用的管道敷設(shè)方式[1-2]，尤其是對(duì)于油氣處理站場(chǎng)，小間距并行敷設(shè)既可以節(jié)約土地，又可以實(shí)現(xiàn)工藝管線的排布要求，優(yōu)點(diǎn)突出。然而，小間距并行敷設(shè)也存在重大隱患，即泄漏風(fēng)險(xiǎn)，這方面問(wèn)題已成為天然氣管道安全系統(tǒng)的重要研究課題[3]。在油氣處理站場(chǎng)并行管道設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范側(cè)重從管道腐蝕、同溝敷設(shè)、交叉敷設(shè)、施工間距等方面規(guī)定管道的安全距離，但缺乏管道失效事故對(duì)并行管道破壞的分析[4]。油氣處理站場(chǎng)的工藝管道分布集中，周邊設(shè)備密集，人員較多，如果發(fā)生天然氣泄漏，極有可能造成災(zāi)難性后果。根據(jù)API 581《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)所述，天然氣管道泄漏后發(fā)生安全排放、噴射火焰、閃火、蒸氣云爆炸的概率分別為0.8、0.1、0.06、0.04[5]。其中，噴射火焰事故的發(fā)生概率較大，且后果比較嚴(yán)重[6]。在相同情況下，噴射火焰的死亡半徑大于蒸氣云爆炸的死亡半徑[7-8]。因此，研究天然氣泄漏燃燒對(duì)小間距并行管道鋼管性能的影響有助于提升管道安全，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。已有文獻(xiàn)表明[9-12]，當(dāng)前小間距并行管道泄漏的研究主要側(cè)重于天然氣泄漏后噴射火焰對(duì)人員與設(shè)備的危害，而未見(jiàn)對(duì)管道鋼管性能的影響研究。

天然氣管道泄漏屬于可壓縮流體噴射泄漏，擴(kuò)散傳遞過(guò)程符合質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，天然氣泄漏后被點(diǎn)燃產(chǎn)生噴射火焰，燃燒初期為層流燃燒狀態(tài)，之后進(jìn)入過(guò)渡階段，最終發(fā)展成為穩(wěn)定湍流燃燒。本文以西部某氣田站內(nèi)小間距并行天然氣管道為背景，運(yùn)用CFD模擬軟件FLACS，綜合考慮并行間距、風(fēng)向和泄漏時(shí)間等因素，數(shù)值模擬并行管道的噴射火焰高溫覆蓋范圍，以此研究鋼管的性能變化規(guī)律。

1 并行管道噴射火焰高溫覆蓋范圍

以站內(nèi)四條并行管道(下文圖中管道均為從左向右分別標(biāo)記為a、b、c和d)為研究對(duì)象，架空鋪設(shè)，管段長(zhǎng)度設(shè)為50 m，鋼管材料為20#鋼，管輸介質(zhì)為天然氣，泄漏位置為管道a的中間部位，噴射方向與管道b的相對(duì)部位，不考慮其它管道泄漏的影響，取管道泄漏速率50 kg/s，大氣溫度20 ℃，風(fēng)速取2 m/s，以保守計(jì)算噴射火焰的高溫覆蓋范圍。

1.1 不同管道間距下噴射火焰的高溫覆蓋范圍

管道間距選取0.5、1和2 m，以此研究不同間距下噴射火焰的高溫覆蓋范圍，以下取噴射火焰穩(wěn)定后(約5 s)的溫度覆蓋范圍。圖1和圖2分別為在-Y和-X風(fēng)向下不同間距的并行管道對(duì)噴射火焰溫度分布影響的模擬結(jié)果。從圖1和圖2可見(jiàn)，管道間距從0.5 m增加到2 m，噴射火焰的最高溫度均超過(guò)2 300 K，超高溫區(qū)域出現(xiàn)在泄漏口相對(duì)的管壁外側(cè)處，且隨著管道間距增大超高溫覆蓋區(qū)域顯著減少。而且，在-Y風(fēng)向下，當(dāng)管道間距為0.5 m時(shí)，噴射火焰因受臨近管道的阻礙作用，發(fā)生了轉(zhuǎn)向，火焰向-Y方向噴射，間距增大后火焰方向繼續(xù)向+Y方向噴射；在-X風(fēng)向下，沿著管道軸向的火焰范圍更大，且在0.5 m管道間距時(shí)未見(jiàn)噴射火焰轉(zhuǎn)向。不同間距下并行管道的受熱分析如下：

1)當(dāng)管道間距為0.5 m時(shí)，管道a和管道b受噴射火焰的加熱，溫度可達(dá)2 300 K以上，管道c溫度達(dá)到1 500 K以上，管道d溫度在600～800 K之間；

圖1 -Y風(fēng)向下三種間距的管道所在區(qū)域的火焰溫度

圖2 -X風(fēng)向下三種間距的管道所在區(qū)域的火焰溫度

2)當(dāng)管道間距為1 m時(shí)，管道a的泄漏點(diǎn)周圍未受到明顯加熱，管道b和管道c受噴射火焰的加熱，溫度達(dá)到1 800 K以上，管道d及外圍地面溫度達(dá)到2 300 K以上；

3)當(dāng)管道間距為2 m時(shí)，管道a整體未受到明顯加熱，管道b、管道c和管道d的4～5 m寬度受噴射火焰加熱，溫度達(dá)到1 100～2 300 K之間，管道d的外圍地面明顯受噴射火焰加熱，溫度到2 300 K以上。

1.2 不同時(shí)間下噴射火焰的高溫覆蓋范圍

前述研究中主要對(duì)比了在噴射火焰發(fā)生5 s后的管道受熱狀況和高溫覆蓋范圍，但沒(méi)有分析噴射火焰隨時(shí)間變化對(duì)管道的影響。為研究噴射火焰高溫覆蓋范圍隨時(shí)間變化對(duì)管道的影響規(guī)律，在前述模型中增加9個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)以實(shí)時(shí)記錄管道表面溫度，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布位置如圖3所示。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相距10 m，選取-Y風(fēng)向進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，其它條件與上述研究相同。由于臨近噴射火焰的管道越容易因高溫而發(fā)生失效，故將監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、5、8設(shè)置在管道b的外壁，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化僅供參考。

圖4為不同管道間距下監(jiān)測(cè)點(diǎn)2、5、8隨時(shí)間的變化情況(時(shí)間范圍0～20 s)。從圖4可見(jiàn)，管道間距從0.5 m到2 m范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的溫度極低，接近大氣溫度，這是由于此處被燃料覆蓋，并未點(diǎn)燃，反而起到保護(hù)作用；監(jiān)測(cè)點(diǎn)2和監(jiān)測(cè)點(diǎn)8的溫度隨時(shí)間延長(zhǎng)波動(dòng)較大，當(dāng)管道間距不超過(guò)1 m時(shí)，管道持續(xù)受1 000～2 300 K的高溫加熱，當(dāng)管道間距達(dá)到2 m時(shí)，僅監(jiān)測(cè)點(diǎn)8在0～5 s受到1 500 K以上高溫加熱，5 s后溫度迅速降低，趨近于大氣溫度。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖4 三種間距的并行管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度

圖5 20#鋼金相組織

2 天然氣噴射火焰對(duì)并行管道性能的影響

由前述研究對(duì)象可知，該4條并行管道所用鋼管材料為20#鋼，含碳量為0.2%，屬亞共析鋼，其金相組織照片如圖5所示。從圖5可知，并行管道的金相組織為珠光體+鐵素體，晶粒度8.0級(jí)，為典型的20#鋼的金相組織。由于站內(nèi)小間距并行天然氣管道不能開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，因此為分析噴射火焰對(duì)管道所用鋼管性能的影響程度，本文依據(jù)理論的相關(guān)機(jī)理，即鐵-碳相圖分析鋼管受高溫加熱后的性能變化[13]。

從上述噴射火焰高溫覆蓋范圍及隨時(shí)間變化規(guī)律可知，當(dāng)管道間隔為0.5 m時(shí)，泄漏5 s后，管道a和管道b均受到2 300 K以上高溫加熱，管道c受到1 500 K以上高溫加熱，管道d受到600～800 K的溫度加熱，隨著泄漏時(shí)間不斷增加管道持續(xù)受到高溫加熱。由鐵-碳相圖分析可知，管道a和管道b所受到的加熱溫度已超過(guò)20#鋼的熔點(diǎn)(1 773 K左右)，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(至少20 s)，所以管道a和管道b的將發(fā)生軟化，力學(xué)性能急劇衰退，全面喪失承壓性能；管道c所受加熱的溫度未達(dá)到熔點(diǎn)，但已處于奧氏體化溫度區(qū)間，長(zhǎng)期加熱下金相組織向奧氏體轉(zhuǎn)變。由于奧氏體的塑性好，屈服強(qiáng)度低，導(dǎo)致鋼管的強(qiáng)度降低，且由于奧氏體體積較鐵素體小，降溫冷卻時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋，承壓能力下降；管道d所受溫度較低，不足以引起鋼管的相變，力學(xué)性能變化較小。

當(dāng)管道間隔為1 m時(shí)，泄漏5 s后，管道a局部遭受2 300 K以上高溫加熱，管道b和管道c受到1 800 K以上高溫加熱，管道d受到2 300 K以上高溫加熱，隨著泄漏時(shí)間增加管道持續(xù)受1 000～2 300 K高溫加熱。由此可見(jiàn)，4條并行管道持續(xù)受高溫加熱，最高溫度超過(guò)1 800 K，已突破鋼管的熔點(diǎn)。因此，該4條并行管道將發(fā)生軟化，性能將急劇衰退，全面喪失承壓性能。

當(dāng)管道間隔為2 m時(shí)，泄漏5 s后，管道a整體未受到明顯高溫加熱，管道b受到1 800 K以上高溫加熱，管道c和管道d受到1 000 K以上高溫加熱，隨著泄漏時(shí)間增加，管道b、管道c和管道d所受溫度迅速降低。由此可見(jiàn)，管道a未受高溫影響，管道b初期受超高溫影響，溫度已超過(guò)鋼管熔點(diǎn)，鋼管將發(fā)生軟化，約5 s后溫度降低至500 K左右，快速冷卻將引起相變和晶粒變大，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋，承壓性能下降；管道c和管道d初期受高溫加熱，處于奧氏體化溫度區(qū)間，金相組織向奧氏體轉(zhuǎn)變，約5 s后溫度降低至500 K左右，快速冷卻導(dǎo)致奧氏體轉(zhuǎn)化較少，晶粒變大，易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋，承壓能力下降。

3 結(jié)論與建議

1)間隔0.5 m的4條并行天然氣管道，其外側(cè)單根管道泄漏產(chǎn)生的噴射火焰將向垂直方向擴(kuò)散超過(guò)20 m，沿地表方向溫度超過(guò)1 000 K的范圍為泄漏點(diǎn)周圍30 m的空間區(qū)域。

2)隨著管道間距從0.5 m增大到2 m，并行天然氣管道受到的超高溫(超過(guò)1 773 K)和高溫(超過(guò)1 000 K)影響區(qū)域變小，尤其是管道間距為2 m時(shí)，泄漏管道未受明顯高溫加熱，僅相鄰管道受短暫(約5 s)超高溫加熱。

3)隨著管道間距從0.5 m增大到2 m，噴射火焰所產(chǎn)生的高溫可引起鋼管的軟化、相變和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力及裂紋等，管道間距越大，高溫對(duì)管道的破壞越小。

4)建議集輸站場(chǎng)內(nèi)并行天然氣管道的間距不小于2 m，同時(shí)盡可能的減少架空敷設(shè)，多采用埋地敷設(shè)，以利用土壤進(jìn)行火災(zāi)爆炸防護(hù)。