张爱良，马 超，李 磊，安 超，张庶鑫，吴 超，张 杰

(1.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院 新疆 库尔勒 841000；2.中国石油塔里木油田分公司克拉油气开发部 新疆 库尔勒 841000；3.中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077)

0 引 言

随着我国天然气需求的不断加大，气田的勘探开发规模逐渐增加，地面集输和处理系统已经建成大量的集输气管道。并行敷设所占用的土地面积较少，是一种备受关注且广泛应用的管道敷设方式[1-2]，尤其是对于油气处理站场，小间距并行敷设既可以节约土地，又可以实现工艺管线的排布要求，优点突出。然而，小间距并行敷设也存在重大隐患，即泄漏风险，这方面问题已成为天然气管道安全系统的重要研究课题[3]。在油气处理站场并行管道设计时，国内外设计规范侧重从管道腐蚀、同沟敷设、交叉敷设、施工间距等方面规定管道的安全距离，但缺乏管道失效事故对并行管道破坏的分析[4]。油气处理站场的工艺管道分布集中，周边设备密集，人员较多，如果发生天然气泄漏，极有可能造成灾难性后果。根据API 581《基于风险的检验》标准所述，天然气管道泄漏后发生安全排放、喷射火焰、闪火、蒸气云爆炸的概率分别为0.8、0.1、0.06、0.04[5]。其中，喷射火焰事故的发生概率较大，且后果比较严重[6]。在相同情况下，喷射火焰的死亡半径大于蒸气云爆炸的死亡半径[7-8]。因此，研究天然气泄漏燃烧对小间距并行管道钢管性能的影响有助于提升管道安全，具有重要的现实意义。已有文献表明[9-12]，当前小间距并行管道泄漏的研究主要侧重于天然气泄漏后喷射火焰对人员与设备的危害，而未见对管道钢管性能的影响研究。

天然气管道泄漏属于可压缩流体喷射泄漏，扩散传递过程符合质量守恒方程和动量守恒方程，天然气泄漏后被点燃产生喷射火焰，燃烧初期为层流燃烧状态，之后进入过渡阶段，最终发展成为稳定湍流燃烧。本文以西部某气田站内小间距并行天然气管道为背景，运用CFD模拟软件FLACS，综合考虑并行间距、风向和泄漏时间等因素，数值模拟并行管道的喷射火焰高温覆盖范围，以此研究钢管的性能变化规律。

1 并行管道喷射火焰高温覆盖范围

以站内四条并行管道(下文图中管道均为从左向右分别标记为a、b、c和d)为研究对象，架空铺设，管段长度设为50 m，钢管材料为20#钢，管输介质为天然气，泄漏位置为管道a的中间部位，喷射方向与管道b的相对部位，不考虑其它管道泄漏的影响，取管道泄漏速率50 kg/s，大气温度20 ℃，风速取2 m/s，以保守计算喷射火焰的高温覆盖范围。

1.1 不同管道间距下喷射火焰的高温覆盖范围

管道间距选取0.5、1和2 m，以此研究不同间距下喷射火焰的高温覆盖范围，以下取喷射火焰稳定后(约5 s)的温度覆盖范围。图1和图2分别为在-Y和-X风向下不同间距的并行管道对喷射火焰温度分布影响的模拟结果。从图1和图2可见，管道间距从0.5 m增加到2 m，喷射火焰的最高温度均超过2 300 K，超高温区域出现在泄漏口相对的管壁外侧处，且随着管道间距增大超高温覆盖区域显著减少。而且，在-Y风向下，当管道间距为0.5 m时，喷射火焰因受临近管道的阻碍作用，发生了转向，火焰向-Y方向喷射，间距增大后火焰方向继续向+Y方向喷射；在-X风向下，沿着管道轴向的火焰范围更大，且在0.5 m管道间距时未见喷射火焰转向。不同间距下并行管道的受热分析如下：

1)当管道间距为0.5 m时，管道a和管道b受喷射火焰的加热，温度可达2 300 K以上，管道c温度达到1 500 K以上，管道d温度在600～800 K之间；

图1 -Y风向下三种间距的管道所在区域的火焰温度

图2 -X风向下三种间距的管道所在区域的火焰温度

2)当管道间距为1 m时，管道a的泄漏点周围未受到明显加热，管道b和管道c受喷射火焰的加热，温度达到1 800 K以上，管道d及外围地面温度达到2 300 K以上；

3)当管道间距为2 m时，管道a整体未受到明显加热，管道b、管道c和管道d的4～5 m宽度受喷射火焰加热，温度达到1 100～2 300 K之间，管道d的外围地面明显受喷射火焰加热，温度到2 300 K以上。

1.2 不同时间下喷射火焰的高温覆盖范围

前述研究中主要对比了在喷射火焰发生5 s后的管道受热状况和高温覆盖范围，但没有分析喷射火焰随时间变化对管道的影响。为研究喷射火焰高温覆盖范围随时间变化对管道的影响规律，在前述模型中增加9个温度监测点以实时记录管道表面温度，监测点分布位置如图3所示。各监测点相距10 m，选取-Y风向进行温度监测，其它条件与上述研究相同。由于临近喷射火焰的管道越容易因高温而发生失效，故将监测点2、5、8设置在管道b的外壁，其余监测点温度变化仅供参考。

图4为不同管道间距下监测点2、5、8随时间的变化情况(时间范围0～20 s)。从图4可见，管道间距从0.5 m到2 m范围内，监测点5的温度极低，接近大气温度，这是由于此处被燃料覆盖，并未点燃，反而起到保护作用；监测点2和监测点8的温度随时间延长波动较大，当管道间距不超过1 m时，管道持续受1 000～2 300 K的高温加热，当管道间距达到2 m时，仅监测点8在0～5 s受到1 500 K以上高温加热，5 s后温度迅速降低，趋近于大气温度。

图3 监测点位置

图4 三种间距的并行管道监测点温度

图5 20#钢金相组织

2 天然气喷射火焰对并行管道性能的影响

由前述研究对象可知，该4条并行管道所用钢管材料为20#钢，含碳量为0.2%，属亚共析钢，其金相组织照片如图5所示。从图5可知，并行管道的金相组织为珠光体+铁素体，晶粒度8.0级，为典型的20#钢的金相组织。由于站内小间距并行天然气管道不能开展现场试验，因此为分析喷射火焰对管道所用钢管性能的影响程度，本文依据理论的相关机理，即铁-碳相图分析钢管受高温加热后的性能变化[13]。

从上述喷射火焰高温覆盖范围及随时间变化规律可知，当管道间隔为0.5 m时，泄漏5 s后，管道a和管道b均受到2 300 K以上高温加热，管道c受到1 500 K以上高温加热，管道d受到600～800 K的温度加热，随着泄漏时间不断增加管道持续受到高温加热。由铁-碳相图分析可知，管道a和管道b所受到的加热温度已超过20#钢的熔点(1 773 K左右)，且持续时间长(至少20 s)，所以管道a和管道b的将发生软化，力学性能急剧衰退，全面丧失承压性能；管道c所受加热的温度未达到熔点，但已处于奥氏体化温度区间，长期加热下金相组织向奥氏体转变。由于奥氏体的塑性好，屈服强度低，导致钢管的强度降低，且由于奥氏体体积较铁素体小，降温冷却时易产生内应力和裂纹，承压能力下降；管道d所受温度较低，不足以引起钢管的相变，力学性能变化较小。

当管道间隔为1 m时，泄漏5 s后，管道a局部遭受2 300 K以上高温加热，管道b和管道c受到1 800 K以上高温加热，管道d受到2 300 K以上高温加热，随着泄漏时间增加管道持续受1 000～2 300 K高温加热。由此可见，4条并行管道持续受高温加热，最高温度超过1 800 K，已突破钢管的熔点。因此，该4条并行管道将发生软化，性能将急剧衰退，全面丧失承压性能。

当管道间隔为2 m时，泄漏5 s后，管道a整体未受到明显高温加热，管道b受到1 800 K以上高温加热，管道c和管道d受到1 000 K以上高温加热，随着泄漏时间增加，管道b、管道c和管道d所受温度迅速降低。由此可见，管道a未受高温影响，管道b初期受超高温影响，温度已超过钢管熔点，钢管将发生软化，约5 s后温度降低至500 K左右，快速冷却将引起相变和晶粒变大，易产生内应力和裂纹，承压性能下降；管道c和管道d初期受高温加热，处于奥氏体化温度区间，金相组织向奥氏体转变，约5 s后温度降低至500 K左右，快速冷却导致奥氏体转化较少，晶粒变大，易产生内应力和裂纹，承压能力下降。

3 结论与建议

1)间隔0.5 m的4条并行天然气管道，其外侧单根管道泄漏产生的喷射火焰将向垂直方向扩散超过20 m，沿地表方向温度超过1 000 K的范围为泄漏点周围30 m的空间区域。

2)随着管道间距从0.5 m增大到2 m，并行天然气管道受到的超高温(超过1 773 K)和高温(超过1 000 K)影响区域变小，尤其是管道间距为2 m时，泄漏管道未受明显高温加热，仅相邻管道受短暂(约5 s)超高温加热。

3)随着管道间距从0.5 m增大到2 m，喷射火焰所产生的高温可引起钢管的软化、相变和产生内应力及裂纹等，管道间距越大，高温对管道的破坏越小。

4)建议集输站场内并行天然气管道的间距不小于2 m，同时尽可能的减少架空敷设，多采用埋地敷设，以利用土壤进行火灾爆炸防护。