王騰

輸油輸氣管道事故具有重大危險(xiǎn)性，事故頻發(fā)給鄰近建筑物的安全風(fēng)險(xiǎn)管理提出了挑戰(zhàn)。文章依托湖南省某高速公路上跨輸油管道工程，分析了輸油管道運(yùn)營(yíng)事故對(duì)鄰近橋墩帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，并采用LS-DYNA有限元軟件對(duì)泄漏燃爆進(jìn)行數(shù)值模擬，提出通過設(shè)置減震帶、集油槽、減少擾動(dòng)、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)等方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)，為類似交叉工程的安全問題處理提供參考。

安全風(fēng)險(xiǎn);輸油管道;泄漏;燃爆;安全防護(hù)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U442.5+5-A-21-066-4

0 引言

目前我國(guó)“十四五”規(guī)劃編制工作正在開展，高速公路已形成橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、覆蓋全國(guó)的格局;同時(shí)，政府大力支持城市管網(wǎng)的建設(shè)，通過電力、電訊、燃?xì)?、輸油管道給全國(guó)各地輸送資源，從而存在路網(wǎng)與管線縱橫交錯(cuò)、高速路網(wǎng)走廊帶與管線相互交叉的現(xiàn)象，易導(dǎo)致管道事故，如青島“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸[1]、貴州天然氣輸氣管道泄漏燃爆等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)油氣管道事故率平均為3次/1 000 km，遠(yuǎn)高于國(guó)外的油氣管道事故率[2]，解決路網(wǎng)與管線之間的交叉安全問題已迫在眉睫。本文結(jié)合湖南省某高速公路，分析既有輸油管道泄漏燃爆對(duì)鄰近高速橋墩造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，為類似工程的安全風(fēng)險(xiǎn)分析提供參考。

1 工程概況

湖南省某高速公路立體交叉上跨三條既有輸油管線，分別為航空煤油長(zhǎng)輸管道（①號(hào)，管徑159 mm）、中石油蘭鄭長(zhǎng)成品油管道（②號(hào)，管徑300 mm）、航油長(zhǎng)輸油管線改造項(xiàng)目管道（③號(hào)，管徑323.9 mm）。

橋梁跨徑布置為（30+30+35）m+（35+35+30）m，①號(hào)、②號(hào)管線位于2#墩與3#墩之間，③號(hào)管線位于3#墩與4#墩之間。橋墩樁基邊緣距管線最小距離為5.5 m，路線與三條管道的交角依次為73°、77°、81°。橋下被交道為規(guī)劃一級(jí)公路，路基寬58 m，其中第一聯(lián)35 m跨越三條輸油管道、第二聯(lián)兩跨35 m跨越規(guī)劃市政道路。橋梁上部構(gòu)造為現(xiàn)澆箱梁，下部構(gòu)造采用柱式臺(tái)配樁基礎(chǔ)和柱式墩配樁基礎(chǔ)。在橋梁左右幅中間紅線范圍內(nèi)設(shè)置5.5 m寬便道，便道從輸油管線上通過。

2 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)交公路發(fā)〔2015〕36號(hào)文，新建公路與既有油氣管道交叉時(shí)，可采用橋梁方式跨越管道通過，交叉角度≥15°，油氣管道與兩側(cè)橋墩（臺(tái)）的水平凈距應(yīng)≥5 m，對(duì)埋地管道可采用鋼筋混凝土蓋板等保護(hù)措施。

以管道為中心，沿管道頂部地面上設(shè)置鋼筋混凝土蓋板和保護(hù)涵，確保施工時(shí)期管道安全。防護(hù)蓋板沿輸油管道方向布置，寬3 m、防護(hù)長(zhǎng)度為16 m;保管涵沿輸油管道方向布置，寬3 m、防護(hù)長(zhǎng)度為5.5 m，布設(shè)范圍為下落步塘分離式立體交叉橋紅線內(nèi)及施工臨時(shí)便道。施工期間，在管道兩側(cè)5m處設(shè)置警戒線，禁止機(jī)械設(shè)備對(duì)管道附近土體進(jìn)行碾壓。

2.1 橋梁下方鋼筋混凝土蓋板防護(hù)

鋼筋混凝土蓋板長(zhǎng)度為橋梁施工紅線范圍，需保護(hù)管道的長(zhǎng)度為16 m。蓋板采用整體澆筑，設(shè)置在管道頂部地面，首先采用10 cm厚碎石墊層進(jìn)行基底處理，然后頂部澆筑15 cm C30鋼筋混凝土蓋板。

2.2 便道管道蓋板保護(hù)涵防護(hù)

為保證便道能夠通過該管線且不對(duì)其造成損壞，計(jì)劃在該管線上設(shè)置鋼筋混凝土蓋板保護(hù)涵，保證對(duì)管線左右兩側(cè)1.5 m范圍內(nèi)無重壓力。此鋼筋混凝土蓋板保護(hù)涵跨徑為3.1 m，凈高分別為2.5 m、1.36 m，長(zhǎng)5.5 m;涵洞基礎(chǔ)為C25混凝土，分離式基礎(chǔ)，基底承載力要求≥0.3 MPa;基底換填采用回填土，涵頂填土厚度為3.19 m。鋼筋混凝土蓋板保護(hù)涵兩側(cè)填土壓實(shí)，并設(shè)置限速標(biāo)志。①號(hào)保護(hù)涵與②號(hào)保護(hù)涵的距離為5.53 m，②號(hào)保護(hù)涵與③保護(hù)涵的距離為38.21 m。

3 泄漏燃爆分析

3.1 泄漏量計(jì)算

本工程跨越的石油管道為壓力管道，管道設(shè)計(jì)壓力最大值為7.0 MPa，管道直徑最大值為324 mm，管道輸送介質(zhì)為成品油（汽油、煤油）。

液體泄漏定量分析是以易發(fā)生泄漏的設(shè)備為研究對(duì)象，對(duì)可能發(fā)生的事故類型、事故的嚴(yán)重程度進(jìn)行泄漏后果分析。

（1）泄漏模型（考慮最不利的情況）

泄漏介質(zhì)：汽油。

泄漏壓力：7.0 MPa。

泄漏孔徑（直徑）D=324 mm。

泄漏時(shí)間：在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于采取壓力、流量檢測(cè)與控制等措施，加之作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有人員巡視，在計(jì)算泄漏量時(shí)，泄漏持續(xù)時(shí)間分別按瞬時(shí)泄漏30 s、連續(xù)性液態(tài)泄漏10 min考慮。

（2）泄漏速度的確定

根據(jù)液體泄漏速度可用流體力學(xué)的伯努利方程計(jì)算，其泄漏速度為：

Q0=Cd×A×ρ×[2（P-P0）/ρ+2gh]1/2（1）

式中：Q0——液體泄漏速度（kg/s）;

Cd——液體泄漏系數(shù)，一般取0.60～0.64（取0.62）;

A——裂口面積（m2），裂口取管徑的20%，裂口面積A=0.2×（Π/4）×D2=0.2×（3.14/4）×0.3242≈0.016 5 m2;

ρ——泄漏液體密度（kg/m3），汽油密度一般在0.79 kg/L;

P——管道內(nèi)介質(zhì)壓力（Pa）;

P0——環(huán)境壓力，Pa（與管道壓力相比，忽略不計(jì)）;

g——重力加速度，9.8 m/s2;

h——裂口之上液體高度（m），在此h的值取為0。

經(jīng)計(jì)算可知：

Q0=0.62×0.016 5×0.79×（2×6.3×103/0.79+2×9.8）1/2kg/s=1.02 kg/s。

（3）泄漏計(jì)算結(jié)果

當(dāng)管道發(fā)生瞬間泄漏30 s，泄漏量為30.63 kg;如果發(fā)生連續(xù)泄漏10 min，泄漏量達(dá)到612 kg，會(huì)在地面大范圍流淌并擴(kuò)散，對(duì)環(huán)境造成污染，若遇火源，可引起燃燒爆炸，后果較嚴(yán)重。因此在管道輸送過程中安排有關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)值守，發(fā)現(xiàn)泄漏及時(shí)關(guān)閉閥門、停止作業(yè)，能有效地防止大規(guī)模漏油事件的發(fā)生。由于油管埋深為0.8～1.2 m，受人為破壞及管道發(fā)生裂口（20%管徑）泄漏的可能性較低。致險(xiǎn)因素一般為管道破裂斷損、管道裸露在外、油物大量露出并遇明火等，管道燃油燃爆風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重性較高。

3.2 燃爆后果分析

輸油管道燃爆場(chǎng)可以看成球形對(duì)稱，采用球形坐標(biāo)形式，描述球形燃爆理論模型為：

ρt+1r2 （ρμr2）r=0（2）

（ρμ）t+1r2 （ρμr2）r=-pr+1r2 rμr2ur（3）

（ρT）t+1r2 （ρμTr2）r=1r2 rλr2Cp Tr+Rfuq（4）

（ρYfu）t+1r2 （ρμYfur2）r=1r2 rλr2Cp Yfur+Rfu（5）

式中：P——壓力（Pa）;

ρ——密度（kg/m3）;

μ——速度（m/s）;

T——絕對(duì)溫度（K）;

Yfu——燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù);

u——?jiǎng)恿︷ざ龋≒a·s）;

λ——導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m2·k）];

D——擴(kuò)散系數(shù)（m2/s）;

Rfu——反應(yīng)速率;

q——燃燒熱（kJ/mol）。

不考慮3根輸油管同時(shí)燃爆，僅考慮3號(hào)輸油管道燃爆對(duì)4#橋墩（距離最近）的安全性影響。橋墩參數(shù)：墩高為8.286 m，墩徑為160 cm，樁長(zhǎng)為29 m，樁徑為180 cm。燃油管道參數(shù)：航油長(zhǎng)輸油管線改造項(xiàng)目管道，線路水平長(zhǎng)約37.67 km，管徑D為323.9 mm，設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa，線路用鋼管材質(zhì)L290，埋深按1.0 m計(jì)。采用LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，其數(shù)值模擬模型如圖1所示。材料參數(shù)見表1。

為具體分析燃爆對(duì)橋墩的影響，在橋樁墩上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

經(jīng)計(jì)算，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程如圖5～6所示。

由圖5與圖6可知有效應(yīng)力最大值為13.411 MPa，第一主應(yīng)力最大值為2.936 5 MPa，均為E點(diǎn)（474340單元），即經(jīng)爆破應(yīng)力波的傳播與反射，在樁墩交界面靠近油管處達(dá)到最大值。該處橋梁樁基混凝土橋墩為C30，墩柱混凝土為C40，因此在發(fā)生燃爆事故時(shí)，橋梁樁墩受壓受拉性能是安全可控的。

4 結(jié)語

（1）輸油管道10 min可泄漏612 kg，需設(shè)置集油槽防止液油蔓延造成環(huán)境污染。

（2）輸油管道泄漏燃爆對(duì)橋梁的有效應(yīng)力最大值與第一主應(yīng)力最大值均小于C40混凝土的屈服強(qiáng)度，對(duì)橋墩的安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

（3）設(shè)置寬0.5 m、深1.5 m且與橋墩系梁長(zhǎng)度等長(zhǎng)的減震帶，減小樁基施工對(duì)管道以及管道燃爆對(duì)橋樁的安全影響。

（4）采用人工探坑的方式明確管道的具體位置，設(shè)置安全防護(hù)區(qū)，管道周圍60 cm區(qū)域不允許擾動(dòng)原狀土。

（5）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)預(yù)警值立即響應(yīng)處理。在施工過程中采用地面振動(dòng)測(cè)試儀進(jìn)行地面質(zhì)點(diǎn)垂直振動(dòng)測(cè)試，加強(qiáng)技術(shù)措施，使測(cè)試值≤10 cm/s。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2021-03-18

基金項(xiàng)目：廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：1298011-2）;長(zhǎng)沙理工大學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)能力提升計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：SJCX201926）

作者簡(jiǎn)介：王 騰（1989—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。