李新宏，賈明汭，韓子月，張 毅，馬 潔

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055：2.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

因早期不合理設(shè)計以及城市化發(fā)展，我國相當(dāng)一部分天然氣管道跨越城市生活區(qū)域，這部分管道容易受周邊環(huán)境影響從而發(fā)生泄漏事故[1]。失控后大量天然氣與空氣混合形成可燃?xì)庠?，一旦發(fā)生爆燃會造成嚴(yán)重人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞[2]。1992年4月，墨西哥瓜達(dá)拉哈拉油氣泄漏爆炸事故，造成252人喪生，1 470人受傷，1 124幢房屋被毀，600輛汽車被焚，事故范圍波及10公里長街道[3]。2017年7月，貴州省晴隆縣天然氣管道發(fā)生泄漏爆燃，造成8人死亡，35人受傷，傷亡極為慘重[4]。因此，評估城市天然氣管道泄漏爆燃后果對保障城市公共安全具有重要意義。

城市天然氣管道泄漏氣體擴(kuò)散與形成的可燃?xì)庠票计茐男源?，易引發(fā)重大連鎖事故，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Ebrahimi等[5]基于埋地管道的泄漏特性分析了泄漏壓力分布和泄漏速率隨泄漏口幾何尺寸的變化規(guī)律；黃雪馳等[6]構(gòu)建天然氣管道三維泄漏模型進(jìn)行風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬和管道泄漏瞬態(tài)模擬；朱淵等[7]考慮復(fù)雜地形條件下高含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散過程;Wang等[8]分析了天然氣氣體擴(kuò)散、爆炸波和火焰?zhèn)鞑ミ^程；Mishra等[9]基于地下天然氣管道失效氣體擴(kuò)散及燃爆事故，評估爆炸超壓和熱輻射對人員和財產(chǎn)的損失情況。當(dāng)前，管道泄漏研究大多采用管道的瞬態(tài)泄漏速率[10-12]，然而，隨著管道內(nèi)氣體的泄漏，管內(nèi)壓力變化使得泄漏速率處于動態(tài)變化階段，具有較大的不確定性。

以某城市生活區(qū)域為例，采用CFD方法構(gòu)建城市天然氣管道泄漏后果評估全尺度三維模型，預(yù)測泄漏氣體在城市建筑物空間內(nèi)的運移和積聚效應(yīng)，評估可燃?xì)怏w爆燃后熱輻射及爆燃超壓的影響范圍，以期可為城市天然氣管道泄漏燃爆應(yīng)急防控提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 氣體擴(kuò)散爆燃數(shù)學(xué)模型

天然氣管道泄漏可燃?xì)怏w擴(kuò)散遵循質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒，3個守恒方程可以由統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示[13]。如式(1)所示：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；φ為通用變量；τ是擴(kuò)散系數(shù)；S為源項；t為時間，s；u為速度，m/s。

天然氣泄漏擴(kuò)散過程屬于復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)湍流運動，考慮到流體特性、時間限制、計算精度以及計算機(jī)配置等因素，采用Realizablek-ε模型，計算存在障礙物阻擋時氣體的擴(kuò)散行為[14]。整個反應(yīng)速率受湍流混合速率的控制，如式(2)所示：

(2)

2 氣體泄漏后果仿真模型

以某城市街道區(qū)域為例，依據(jù)實際建筑結(jié)構(gòu)布局及尺寸，不考慮建筑內(nèi)部環(huán)境及市政設(shè)施，構(gòu)建三維幾何模型，如圖1所示。該仿真模型涉及建筑共計11幢，以A～K分別標(biāo)注，如圖1(a)所示。其中建筑物A高9 m，其余建筑高度均為60 m。該參數(shù)源于某城市居民生活區(qū)建筑物實際參數(shù)，以此作為實例進(jìn)行模擬仿真分析。

圖1 城市建筑物模型俯視圖及網(wǎng)格模型Fig.1 Model top view and mesh model of urban building

經(jīng)過試算，確定計算域尺寸為500 m×200 m×180 m，采取三角形/四面體網(wǎng)格對整個城市天然氣管道泄漏模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于天然氣泄漏后計算域內(nèi)存在壓力梯度，為提高計算精度，對泄漏處附近進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，更準(zhǔn)確地處理氣體泄漏的運移狀態(tài)變化。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢測后，劃分后的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖1(b)所示，網(wǎng)格數(shù)量共計3 058 049個。

泄漏口及來風(fēng)面均設(shè)置為速度入口，計算域頂部、前側(cè)及后側(cè)設(shè)置為對稱邊界，計算域右側(cè)出流面設(shè)置為自由出流。建筑物表面與地面均設(shè)置為無滑移墻面。來風(fēng)面風(fēng)速采用指數(shù)風(fēng)廓線方程計算風(fēng)速隨高度的變化，如式(3)所示：

(3)

式中：uh為高度h處的風(fēng)速，m/s；up為當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速，m/s；H為海拔高度，m。

3 城市天然氣管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律

3.1 計算域風(fēng)場模擬

天然氣擴(kuò)散過程很大程度上依賴于計算域內(nèi)風(fēng)場環(huán)境特點，建筑物的布局結(jié)構(gòu)、尺寸大小均會對風(fēng)場產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響可燃?xì)怏w擴(kuò)散過程。因此，在研究可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散規(guī)律前，需進(jìn)行計算域的風(fēng)場模擬。

如圖2(a)～2(b)所示，分別為當(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速6 m/s，風(fēng)向向東時城市區(qū)域垂向和橫向剖面的風(fēng)速分布云圖。由于建筑J和建筑K的阻擋，左側(cè)來風(fēng)上風(fēng)向影響較小，風(fēng)速在建筑J和建筑K上方10 m出現(xiàn)明顯增強(qiáng)，風(fēng)速達(dá)到約11 m/s，風(fēng)速梯度明顯。由于建筑J和建筑K的較大迎風(fēng)面影響下，其下風(fēng)向出現(xiàn)明顯的風(fēng)停滯和大范圍回流現(xiàn)象。同理，當(dāng)風(fēng)受到建筑物A，B，D阻擋作用，在建筑物近地面風(fēng)速較低，隨著高度的升高，受到建筑的阻礙作用，風(fēng)速在建筑頂部逐漸加強(qiáng)，在高于建筑物約10 m時風(fēng)速最大超過11 m/s，高度繼續(xù)上升呈現(xiàn)梯度變化，直至高度120 m時風(fēng)速不再受到阻礙作用的影響。此外，由于建筑物的結(jié)構(gòu)體積過大，因此，來風(fēng)對于建筑物下風(fēng)向近地面處影響較小，在建筑物下風(fēng)向近地面處均存在小范圍的風(fēng)停滯現(xiàn)象。

圖2 計算域風(fēng)速分布云圖Fig.2 Distribution cloud map of wind speed in computational domain

3.2 氣體擴(kuò)散過程分析

天然氣泄漏擴(kuò)散過程受天然氣管道管徑、管道泄漏孔徑、管道運行壓力等參數(shù)的耦合影響。設(shè)置泄漏源P位于建筑物A西側(cè)12 m處，泄漏方向垂直向上；管道運行壓力5.3 MPa，管徑680 mm，運行溫度300 K，泄漏孔形狀為圓形，孔徑300 mm?？紤]泄漏后管道壓力受工藝措施干預(yù)下降情形下的泄漏速率動態(tài)變化，以6 m/s為基本風(fēng)速，計算風(fēng)場湍流分布，對城市天然氣管道泄漏事故進(jìn)行仿真模擬分析。

在泄漏初期由于ESD閥作用，泄漏速率下降迅速，于10 s內(nèi)將管內(nèi)大部分天然氣泄漏完畢，在10 s左右泄漏速率下降逐漸平緩，至600 s左右時天然氣管道逐漸停止泄漏,如圖3所示。

圖3 管道泄漏速率Fig.3 Release rate of pipeline

圖4為泄漏氣體的空間范圍變化過程。泄漏初期，可燃?xì)怏w以高速射流的形式垂直向上噴出，在左側(cè)來風(fēng)的作用下與周圍空氣混合逐漸擴(kuò)散，周圍空氣在粘性作用下隨泄漏氣體流動，形成湍流。5 s時，泄漏氣體在風(fēng)的作用下向下風(fēng)向擴(kuò)散，于建筑A的上方聚集，此時可燃?xì)怏w水平長度達(dá)47.48 m，垂直高度為30.7 m。在10 s時，天然氣已經(jīng)逐漸擴(kuò)散至建筑物B，此時泄漏天然氣覆蓋范圍達(dá)到1 992.5 m2，空間體積為138.48 m3。隨后，由于天然氣受到建筑物B的阻礙影響，向建筑物D方向移動。在20 s時，泄漏天然氣遭遇建筑物D，產(chǎn)生反射作用，此時泄漏天然氣覆蓋范圍為4 277.84 m2，空間體積達(dá)到276.99 m3。逐步向建筑物B和建筑物E之間空隙運動，且由于風(fēng)的滯留作用從而出現(xiàn)小范圍的聚集。280 s時泄漏天然氣擴(kuò)散逐漸趨于穩(wěn)定，此時泄漏氣體完全擴(kuò)散至建筑物E的尾部，并有部分泄漏氣體繞過建筑物E的左側(cè)，向建筑物C偏移，此時覆蓋面積為15 008.32 m2，空間體積達(dá)到984.52 m3。

圖4 天然氣擴(kuò)散過程Fig.4 Dispersion process of natural gas

4 城市天然氣管道泄漏后果評估

4.1 爆燃熱輻射和高溫影響

天然氣管道泄漏后天然氣持續(xù)擴(kuò)散的情況下，意外點火會造成嚴(yán)重爆燃事故，而火焰熱輻射傷害是火災(zāi)事故對人員及建筑造成傷害的主要形式之一。取泄漏口附近截面X=176與Z=89，如圖5所示。由圖5可知，熱輻射云圖呈現(xiàn)以火焰中心為核心的同心圓狀向外圍擴(kuò)展，越接近火焰中心熱輻射強(qiáng)度越高，最高熱輻射強(qiáng)度達(dá)到11.5 kW/m2。且受左側(cè)來風(fēng)影響，熱輻射區(qū)域有向右側(cè)明顯偏移的痕跡。

圖5 穩(wěn)定狀態(tài)下熱輻射剖面Fig.5 Thermal radiation profile under steady condition

建立城市天然氣管道臨界傷害熱輻射等值面空間分布圖，如圖6所示。受左側(cè)來風(fēng)影響，熱輻射強(qiáng)度等值面朝下風(fēng)向傾斜，呈現(xiàn)半橢球形；隨著熱輻射強(qiáng)度的升高，等值面的空間體積相應(yīng)減少。熱輻射強(qiáng)度為4 kW/m2的等值面覆蓋面積為1 381.99 m2，橫向長度達(dá)到41.73 m，高度為28.65 m，此時熱輻射強(qiáng)度為4 kW/m2已影響到建筑物A靠近泄漏口的一端。熱輻射為9.5 kW/m2等值面較4 kW/m2空間體積有所減少，覆蓋面積為102.19 m2，影響高度略高于建筑物A，橫向影響半徑為10.47 m，對建筑物A影響較小。

圖6 火災(zāi)穩(wěn)定狀態(tài)下臨界傷害熱輻射等值面Fig.6 Contour surface of critical damage thermal radiation under steady fire condition

根據(jù)火焰熱輻射傷害準(zhǔn)則，熱輻射為4 kW/m2等值面覆蓋建筑物A超過1/3，橫向輻射范圍為41.73 m。此時距離泄漏口半徑為41.73 m處的行人長時間受到該強(qiáng)度輻射產(chǎn)生疼痛感，嚴(yán)重者會引起燒傷，但不會有生命危險；該輻射強(qiáng)度對建筑沒有影響。熱輻射強(qiáng)度為9 kW/m2的影響范圍較小，橫向影響長度約為10 m，在此區(qū)域的人員能短暫忍受5 s左右，超過8 s將會到達(dá)疼痛極限，超過20 s將會引起二度燒傷，此輻射強(qiáng)度對建筑沒有影響。

4.2 爆燃超壓影響

可燃?xì)怏w爆燃總是伴隨著壓力和溫度的顯著升高，是1種迅速的物理與化學(xué)能量釋放的反應(yīng)過程。在此過程中，可燃?xì)庠仆ㄟ^迅速膨脹對外做功，導(dǎo)致環(huán)境壓力劇增從而造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。爆炸多數(shù)以沖擊波的形式對周圍人員、建筑進(jìn)行破壞，當(dāng)沖擊波的壓力超過一定程度時會對人員、建筑造成不同程度的破壞。

取40 ms時x=174 m和z=94 m處截面爆炸超壓剖面云圖，如圖7所示?？芍?，爆炸超壓以爆炸中心為圓心，四周呈現(xiàn)同心圓向外輻射，越遠(yuǎn)離爆炸中心超壓值逐漸減弱。爆炸中心超壓值超過10 kPa。隨著爆炸進(jìn)程，超壓區(qū)域處于動態(tài)變化情況。

圖7 最大爆炸超壓場(40 ms)Fig.7 Maximum explosion overpressure field (40 ms)

隨著高度的上升，最大超壓值呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。當(dāng)距離地面1 m時，最大爆炸超壓為5.17 kPa；當(dāng)距離地面3 m時，最大爆炸超壓增加至6.75 kPa；當(dāng)距離地面7 m時，最大爆炸超壓達(dá)到頂峰，此時爆炸超壓為12.64 kPa；當(dāng)距離增加20 m時，可以明顯看出爆炸超壓云圖所呈現(xiàn)的輻射范圍減小，此時最大爆炸超壓僅為1.31 kPa。

基于超壓傷害準(zhǔn)則，建立城市天然氣管道泄漏爆炸40 ms時刻臨界傷害超壓等值面空間分布圖，如圖8所示。城市區(qū)域爆燃超壓空間分布呈現(xiàn)沖擊波逐層向外擴(kuò)展?fàn)睿x爆炸中心越遠(yuǎn)，沖擊波超壓值越低，所占空間體積越大。P=1 kPa的沖擊波主要集中在建筑物A靠近泄漏出的一端，覆蓋半徑達(dá)到24.93 m，覆蓋面積為1 721.29 m2。P=2 kPa的沖擊波對建筑物A影響較小，僅僅影響建筑物A頂部一端，覆蓋半徑為16.36 m，覆蓋面積為613.24 m2。而P=4 kPa和P=7 kPa則影響范圍進(jìn)一步縮小，對建筑物A均沒有影響，覆蓋半徑分別為10.74，5.34 m，覆蓋面積分別為105.61，25.66 m2。

此次爆炸會使建筑物A靠近爆炸中心的窗戶受到破壞，對其余建筑物均沒有影響；對半徑為5.34 m以內(nèi)的人員造成輕微損傷，并無生命危險；大于24.93 m范圍外的區(qū)域均為安全區(qū)域，不會造成建筑及人員傷害。

5 結(jié)論

1)建立城市天然氣管道泄漏氣體擴(kuò)散與爆燃預(yù)測評估模型，研究可燃?xì)怏w運移規(guī)律，評估氣體擴(kuò)散與燃爆對管道周邊建筑物的影響，得到可燃?xì)怏w泄漏過程、熱輻射及爆燃超壓的影響范圍，為城市天然氣管道泄漏爆燃風(fēng)險防控提供指導(dǎo)。

2)城市建筑物對泄漏區(qū)域風(fēng)場具有明顯的影響。由于建筑物之間的阻擋與反射作用，使得在建筑物下風(fēng)向有明顯的低風(fēng)速區(qū)域，并在一定時間后擴(kuò)散過程趨于穩(wěn)定，總覆蓋面積為15 008.32 m2，空間體積為984.52 m3。

3)城市天然氣管道附近生活區(qū)域的點火源可能引發(fā)可燃?xì)怏w的爆燃事故。在爆燃火焰的作用下，高溫和熱輻射會造成建筑物部分鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生失效變形，對距燃爆中心41.73 m范圍內(nèi)的人員產(chǎn)生傷害。在此基礎(chǔ)上，從概率評估的角度研究建筑與人員傷害程度尚需進(jìn)一步研究。