肖竹韵，王绪亭，陈 琳*，冯 悦，刘先锋，张文倩，王 甜，张冠群，郑 健

(1.天津东方泰瑞科技有限公司，天津 300192；2.天津中心渔港港务有限公司，天津 300457)

2017年，国家发改委、能源局发布了《中长期油气管网规划》并指出：目前中国运营的油气管道里程为12×104km，到2025年将达到24×104km，预计原油管道总里程为3.7×104km，成品油管道为4.0×104km，天然气管网为16.3×104km，形成主干互联、区域成网的全国网络，我国油气管道将进入高速建设及发展阶段[1]。新实施的《安全生产法》中进一步明确并强调了生产经营单位的安全生产主体责任，提出了安全生产风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制的建设要求，对违规建设、经营等一系列行为的处罚制定了更为严格的标准。在上述安全生产形势下，倍增式的发展规模对油气管网的本质安全及运营效率提出了更高的要求。

油气储运管道运输介质主要包括天然气、成品油及原油，其普遍存在爆炸性和易燃性，一旦出现泄漏释放可能发生安全事故，形式主要为能量释放相对稳定的泄漏事故以及能量极具快速释放的火灾、爆炸事故[2-3]。针对油气储运管道，国内外学者主要从工艺系统设计、输送过程控制以及风险管理三个角度开展研究，基于建设时期及运营过程两阶段进行重点分析，得出施工质量、运行控制、外部破坏及自然灾害是主要的风险因素[4]，而对于油气储运管道事故后果的评估分析，特别是针对管道爆炸荷载和风险防控研究相对缺乏。

本文以“天然气管道”为例，系统分析油气储运管道风险因素及事故模式，应用TNO多能法比例缩放爆炸预测模型开展爆炸荷载计算，首次对爆炸荷载与体积分数、可燃气云半径关系开展研究，分析得出爆炸波超压衰减规律，逐步明确了爆炸制约因素，并从“防止管道泄漏、防止爆炸系统形成、消除点火源、限制爆炸蔓延”工程技术角度归纳、提炼管控措施。该成果为油气储运管道风险管控的研究奠定基础并提供技术支持。

1 管道失效概率及致险因素

1.1 管道失效概率

欧美国家注重建立油气管道安全事故数据库，定期对外发布相关数据；我国油气管道企业引进吸收完整性管理理念，编制形成油气储运管道完整性国家标准，对研究管道事故失效概率、分析管道主要风险因素具有重要意义。根据2000年—2016年美国管道和危险材料安全管理局(PHMSA)、欧洲天然气管道数据组织(EGIG)、英国陆上管道运行协会(UKOPA)、加拿大国家能源委员会(NEB)和我国某油气管道企业的统计数据，气体管道失效概率呈现出如下趋势(如图1所示)[5]。整体来看，我国输气管道失效频率与国外相当，且在一定程度上呈现出下降趋势。

图1 国内外气体管道失效概率对比图

1.2 管道失效致险因素

根据上述管道事故失效概率数据，结合中国石油天然气股份有限公司管道分公司初步统计2000年—2015年的134起管道事故及事件，分析得出打孔盗油、制造缺陷与施工质量、腐蚀等是管道失效的主要致险因素，其占比分别达到50%、19%、10%[6]。打孔盗油主要受经济发展制约，随着立法和宣传以及国民经济的提升，这一致险因素的比例将不断降低。

制造缺陷与施工质量是指由于制造本身或施工过程而导致的焊缝缺陷、凹陷、划伤等。腐蚀主要分为大气腐蚀、地下腐蚀和内腐蚀三种类型，较为普遍的地下腐蚀主要针对埋地管道或埋地部件受到土壤条件、涂层及阴极保护三方面影响；内腐蚀是指因管壁与管内介质发生化学反应后使管壁发生受损[7]。制造缺陷与施工质量、腐蚀对于油气储运管道最为显著的影响即导致泄漏事故的发生。根据可燃气体瞬时释放或连续释放事件树(见图2～图3)，其事故模式可分为喷射火、爆炸、火球等，其中以爆炸产生的冲击波后果最为严重。为有效防范油气管道爆炸事故的发生，开展爆炸荷载计算方法及传播规律的研究具有现实及理论意义。

图2 可燃气体瞬时释放事件树

2 爆炸荷载研究

爆炸是可燃气体与空气混合形成预混气云，在地面上与空气充分混合，达到发生爆炸的条件后发生空中爆炸，瞬间形成大量高温、高压气体，产生的超压冲击波对周边人员及建构筑物更易产生灾难性后果[8]。随着爆炸过程的发生，爆炸压力往往会迅速增加，直到达到最大爆炸压力[9]。

2.1 TNO爆炸模型

TNO多能法(Multi-Energy Method，MEM)是典型的比例缩放爆炸预测模型，该方法假设蒸汽云为半球形，中心点火，在基于大量实验验证和数值模拟数据的基础上，获得一组爆炸强度曲线，主要用于确定障碍(非封闭)及无障碍空间蒸气云爆炸特征的分析[10]。

2.1.1 爆炸强度确定

TNO多能法应用过程中，需要选取适当的爆炸强度等级，爆源强度为1～10的任一整数，代表不同的爆炸强度，具体取值可参考表1。

表1 爆炸强度等级确定等级表

在确定爆炸强度等级后，根据比例距离r′从爆炸波特征曲线图中获取无量纲峰值超压Ps′、无量纲正压持续时间tp′，计算爆炸波超压和持续时间。爆炸波动波形根据爆炸强度等级，从爆炸波形图(图4)中确定，其中

图4 多能模型的超压随距离的变化关系

(1)

Ps=Ps′·Pa

(2)

(3)

式中：r为目标点与爆源中心的实际距离，m；E为可燃气云的爆炸能量，J，可根据泄漏气体的量和热值计算。甲烷的燃烧热为890.8 kJ/mol=890.8×62.5=55 675 kJ/kg；Pa为大气压力，取值为1.0×105Pa；aa为大气中的声速，取值为340 m/s。

2.1.2 爆炸云团计算

可燃性云团中的可燃物质量根据可燃物质泄漏模式和扩散形式的不同，计算过程中采取保守估算的方法，假设泄漏的全部气体或液化气体都用来形成可燃性云团。

天然气的爆炸极限为5%～15%，最剧烈的爆炸浓度约为9.5%。爆炸源半径的计算按照将爆炸源等效于体积相等的半球形，爆炸源半径[11-12]按照下式计算

(4)

(5)

式中：r为目标点与爆源中心的实际距离，m；Q是泄漏的天然气量，m3；V是天然气和空气混合后的爆炸云体积，m3。

2.2 爆炸压力传播规律

2.2.1 气体浓度对爆炸超压的影响

可燃气体泄漏后与空气形成混合气体，只有当混合气体中的可燃气体浓度达到一定范围时才有可能发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限。在爆炸极限范围内，可燃气云浓度是影响可燃气云爆炸压力的重要因素，相关研究表明甲烷在空气中的爆炸极限范围为5%～15%。为研究气体浓度对可燃气云爆炸超压的影响规律，本文进行了直径0.5 m的半球形甲烷-空气混合气体爆炸数值分析，试验参数主要考虑如下四方面简化条件：(1)环境按无风情况考虑，可燃气体泄漏后，以地面上的泄漏点为中心呈半球形向外扩张，可燃气体在气云内部浓度均匀分布；(2)爆炸中心位于半球形气云中心位置；(3)地面及建筑物表面均按绝热、光滑表面分析；(4)环境温度均按20℃考虑。数值模拟采用FLACS软件，计算域大小为地面以上20 m×20 m×10 m的开敞空间，地面中部为一个半径1 m的半球形可燃气云，内部为化学计量比浓度的甲烷-空气预混气体。点火前甲烷与空气混合均匀，预混气体温度为20℃，压力为一个标准大气压，处于静止状态。地面设为壁面边界条件，无速度滑移，法向压力、温度和密度梯度均为0，边界设置为outflow边界条件。

选取体积分数为5%、7%、9.5%、12%和15%的甲烷-空气混合气体进行数值模拟，球心为起爆点，下图为距爆心距离分别为 0.7 m 和 0.9 m 处可燃气云爆炸最大压力随甲烷浓度的变化关系，横坐标为质量分数，纵坐标为对应的超压值。

由图5可知，随着甲烷体积分数的增加，在一定范围内，峰值超压逐渐增加，当甲烷浓度为9.5%时，峰值超压达到最大，最大爆炸压力达3.473 kPa，而后随着甲烷浓度的继续增大，峰值超压有所下降。研究得出，甲烷-空气爆炸的最危险体积分数为9.5%时爆炸强度最大，对周边建构筑物及人员的伤害最大。

图5 爆炸超压与甲烷体积分数关系

2.2.2 气云半径对爆炸波超压的影响分析

对开敞空间里1 m、2 m、5 m、10 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m等不同半径的半球形甲烷-空气混合气体进行爆炸数值分析，甲烷体积分数选取爆炸强度最大的9.5%进行模拟，球心为起爆点，图6为不同半径下可燃气云爆炸产生的最大超压随气云半径大小的变化关系，横坐标为可燃气云半径，纵坐标为对应的超压值。

由上可知，在开敞空间里随着可燃气云半径的增大，爆炸波的最大超压逐渐增大，在半径100 m时最大超压达到约40 kPa。根据冲击波超压破坏、伤害判别准则，初步判断半径10 m以上的可燃气云爆炸可能会造成建筑物玻璃破碎；半径20 m以上的可燃气云爆炸可能会造成门窗破坏和砖墙小裂纹；半径30 m以上的可燃气云爆炸可能会造成对人体产生轻微伤害；半径60 m以上的可燃气云爆炸可能会造成砖墙裂纹和钢混屋面起裂，并对人体产生中等损伤。

2.2.3 爆炸波超压衰减规律分析

对相同气云半径条件下，不同相对距离下爆炸最大超压进行归一化分析，甲烷体积分数仍选取爆炸强度最大的9.5%进行模拟，最大超压变化规律如图7所示。

图7 爆炸超压沿径向衰减规律

图中r0为气云半径；r为测点距离爆心距离；ΔPmax为最大超压极值；ΔP为距离爆心r位置处的最大超压。从图7中可以看出，可燃气云在起爆后，爆炸最大超压沿径向存在先增大后减小的趋势：在气云区内，从爆心传出的冲击波最大超压ΔP随传播距离的增大而增大，在气云与空气初始交界面r=0.8r0附近位置处达到最大值；在气云区外，由于冲击波在空气中传播，没有进一步燃烧能量补充，ΔP逐渐减小，大约在2r0处下降至极值的0.4倍左右。

3 管道爆炸算例

以港区某段天然气长输管道为例，其中管道运行温度25℃，运行压力4 bar，管线直径800 mm，沿垂直方向泄漏，泵流速0.5 kg/s，管道壁厚10 mm。应用Phast 8.1模拟其蒸气云爆炸事故后果，软件设定0.25 bar、0.40 bar、0.60 bar为参考超压阈值，经计算该场景下天然气泄漏量为1 332.8 kg，0.25 bar、0.40 bar、0.60 bar超压等级的伤害半径分别为45.99 m、23.58 m、10.47 m。

冲击波超压对建筑破坏的相应阈值取值和模拟结果见表2。

表2 冲击波超压对建筑破坏的相应阈值取值和模拟结果

此外，天然气泄漏量换算成体积Q为1 998.28 m3，按照爆炸极限换算成为混合体积量V为210 344.76 m3，则爆源半径为21.58 m。按照第2节中爆炸荷载的计算方法可知，当比例距离r′超过0.5时，爆炸超压值会有显著的降低，按照式(1)计算的结果显示，当r为46 m时，r′达到量0.508。因此爆炸影响范围取为半径46 m，爆炸强度等级取7级对应的超压荷载为0.1 MPa。

4 安全防控措施

由上述算例及相关事故可知，管道泄漏爆炸可能造成严重性的区域事故，因此，如何加强对油气储运管道的安全防控显得十分必要。考虑到爆炸是可燃气体与空气混合形成预混气云，在地面上与空气充分混合，达到发生爆炸的条件后发生的激烈场景，基于“防止管道泄漏、防止爆炸系统形成、消除点火源、限制爆炸蔓延”四方面提出安全风险防控措施，具体见表3。

表3 油气储运管道安全防控措施表

5 总结

(1)油气储运管道运输介质具有易燃易爆等特性，一旦泄漏易导致生产安全事故。经数据统计分析得出腐蚀、第三方破坏、运行管理及自然灾害是诱发事故的主要危险因素。

(2)以“9.5%体积分数的甲烷-空气爆炸”为例，应用TNO多能法比例缩放爆炸预测模型研究爆炸荷载计算方法，经分析得出以下结论：

①随着可燃气云半径的增大，爆炸波的最大超压逐渐增大；

②可燃气云在起爆后，爆炸最大超压沿径向存在先增大后减小的趋势，在气云区内，从爆心传出的冲击波最大超压ΔP随传播距离的增大而增大，在气云与空气初始交界面r=0.8r0附近位置处达到最大值；在气云区外，由于冲击波在空气中传播，ΔP逐渐减小，大约在2r0处下降至极值的0.4倍左右。

(3)实例计算港区内天然气长输管道泄漏发生超压爆炸事故影响范围，防止管道泄漏、防止爆炸系统形成、消除点火源、限制爆炸蔓延”四方面提出安全风险防控措施，为油气管道的日常管理提供技术参考。