梅苑 帥健 李云濤 劉敏,2

1.中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院 2.北京辰安科技股份有限公司

2018年全球石油消費(fèi)量為4 662.1×106t油當(dāng)量，占一次能源消費(fèi)量的33.6%[1]。管道是石油運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，將生產(chǎn)地區(qū)與煉油廠、化工廠、家庭消費(fèi)者和商業(yè)需求連接起來[2]。但隨著管網(wǎng)的逐年運(yùn)行，其使用年限逐漸達(dá)到管道的最大使用壽命。此時(shí)，油管承壓防腐能力大幅下降，在長期運(yùn)行過程中，極易會(huì)因腐蝕、焊接缺陷、第三方損壞等原因而發(fā)生失效。研究認(rèn)為輸油管道的主要失效形式為穿孔[3-5],一旦輸油管道發(fā)生失效，就會(huì)導(dǎo)致管道油品外泄,從而發(fā)生泄漏事故，若遭遇明火，則會(huì)發(fā)展成為池火與流淌火，造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[6-7]。因此，從安全角度來看，對(duì)于輸油管道泄漏事故后果的研究具有重要的意義。

理論模型是研究油品泄漏的重要手段[8-11]。李云濤等[12]提出一種基于 FERC模型的油品流淌火災(zāi)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。胡燕康等[13]通過研究汽油管道失效概率、點(diǎn)火概率等，建立了一套油氣管道風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)得出汽油管道基于風(fēng)險(xiǎn)的安全距離。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，CFD軟件日漸成熟，也成為研究油品泄漏擴(kuò)散的主要研究方法[14-17]。Liang等[18]基于CFD軟件模擬地下原油泄漏擴(kuò)散過程，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果能夠較好地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程，并在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判方法，提出了地面溢油危險(xiǎn)區(qū)域。Zhu等[19]利用FLUENT軟件對(duì)海底管道油品泄漏過程進(jìn)行了模擬，基于模擬結(jié)果擬合出石油到達(dá)海面的時(shí)間和地點(diǎn)的相關(guān)公式。史曉蒙等[20]模擬了不同管道運(yùn)行壓力和不同泄漏孔徑下油品在地面上的流散過程,得到了油品擴(kuò)展速度關(guān)于泄漏流量的關(guān)系式和關(guān)于管道壓力、泄漏孔徑、流散時(shí)間的流散面積偏微分方程組。位子陽[21]模擬了不同海底輸油管道泄漏口方向與水流運(yùn)動(dòng)方向夾角下石油的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)泄漏石油初始泄漏角度對(duì)泄漏石油上升至水面時(shí)水平方向移動(dòng)的最遠(yuǎn)距離及時(shí)間都有明顯的影響。

目前，對(duì)于油品泄漏的研究主要集中于液池的擴(kuò)展方面，而忽略對(duì)油品火災(zāi)后果的考慮。輸油管道失效后，受泄漏方式與點(diǎn)火時(shí)間等因素的影響，會(huì)發(fā)展成不同類型的火災(zāi)事故，主要的火災(zāi)事故類型為池火、流淌火和閃火等，而閃火的危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)小于池火和流淌火。因此,本研究基于FERC模型與固體火焰模型對(duì)輸油管道泄漏后流淌火及池火展開研究，旨在為油品泄漏火災(zāi)事故應(yīng)急救援提供一定的理論指導(dǎo)。

1 計(jì)算條件

1.1 計(jì)算工況

泄漏孔徑、點(diǎn)火時(shí)間、泄漏時(shí)間是影響流淌火以及池火發(fā)展的重要因素，因此，針對(duì)這3個(gè)因素設(shè)計(jì)相應(yīng)的研究工況。設(shè)定油品泄漏后有5種點(diǎn)火時(shí)間，分別為：0 s、100 s、500 s、1 000 s、3 600 s。根據(jù)AQ/T 3046-2013《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》的規(guī)定，泄漏孔徑(直徑)分別定為5 mm、25 mm、100 mm。輸送管道壓力為1.5 MPa，管徑為200 mm。根據(jù)GB/T 37243-2019《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》,可確定熱輻射通量準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的損傷閾值。選取熱輻射通量值為12.5 kW/m2時(shí)的距離為最大危險(xiǎn)距離，其中的范圍為危險(xiǎn)區(qū)域范圍。泄漏的油品為汽油，其相關(guān)物性參數(shù)匯總于表1。

表1 汽油物性參數(shù)

1.2 FERC模型

FERC模型的準(zhǔn)確性已在先前的研究中得到證實(shí)[12,22-23]。模型考慮了摩擦力和油膜形狀對(duì)液池?cái)U(kuò)展的影響，包括運(yùn)動(dòng)方程和質(zhì)量方程兩部分。其中，質(zhì)量方程為式(1):

(1)

式中：Vp為擴(kuò)展的總油品體積，m3，Vp=Aph；Ap為擴(kuò)展面積，m2；h為油膜平均厚度，m；Qin,m為油品的質(zhì)量泄漏速率，kg/s；ρL為油品的密度，kg/m3；mv為液池燃燒速率，與油品本身有關(guān)，為單位面積上的油品在1 s內(nèi)燃燒掉的質(zhì)量，kg/(m2·s)，對(duì)于擴(kuò)展過程中未發(fā)生點(diǎn)火的液池?cái)U(kuò)展,mv取0。

運(yùn)動(dòng)方程為式(2):

(2)

式中:r為液池?cái)U(kuò)展半徑，m;t為擴(kuò)展時(shí)間，s；g為重力加速度，m/s2；△為液面以上的油膜厚度的占比，取為1；φ為形狀因子；CF為摩擦阻力，kg·m/s。

泄漏停止后，當(dāng)前沿位置的油膜厚度小于臨界值hδ時(shí)，液池將停止擴(kuò)展。此臨界值與重力、油品表面張力、黏性等有關(guān)。通過相關(guān)力的平衡可得臨界值，一般用式(3)或式(4)進(jìn)行估算：

(3)

(4)

式中：σ為液體表面張力，N/m；VL為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

取式(3)與式(4)所計(jì)算的最大值作為最終油品擴(kuò)展的臨界厚度。

1.3 固體火焰面模型

固體火焰模型是被國內(nèi)外學(xué)者多次驗(yàn)證的池火計(jì)算模型[24]，且在流淌火計(jì)算方面也具有較好的預(yù)測(cè)性[12，25]，具有考慮的影響因素全面、算法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)。本研究將采用固體火焰模型對(duì)流淌火和池火的熱輻射進(jìn)行計(jì)算。

火焰外圍物體所受到的輻射熱流密度計(jì)算如式(6)：

q=τEF

(6)

式中：q為輻射熱流密度，kW/m2；τ為大氣透射率，不考慮濕度等影響，取值為1；E為向外輻射的功率，kW/m2，E=58×(10-0.00823D)[26]；D為液池直徑，m；F為視覺因子，反映目標(biāo)物體接受到的輻射占總發(fā)射的比例，范圍為為0～1，由于考慮了最壞事故場(chǎng)景下的熱輻射影響，視覺因子取為1[24]。

2 結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)火時(shí)間對(duì)油品泄漏火災(zāi)的影響

池火為液池穩(wěn)定后遇到點(diǎn)火源發(fā)生的火災(zāi)，在泄漏過程中不考慮點(diǎn)火，因此本節(jié)僅針對(duì)流淌火展開研究。圖1為在中孔及大孔泄漏條件下，泄漏時(shí)間為3 600 s時(shí)不同點(diǎn)火時(shí)間下的流淌區(qū)域半徑變化。從圖1可以看出，點(diǎn)火時(shí)間對(duì)于流淌區(qū)域擴(kuò)展具有顯著的影響。當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間較短，即點(diǎn)火時(shí)間為0 s和100 s時(shí)，流淌區(qū)域半徑變化曲線幾乎保持一致，在停止泄漏之前(3 600 s之前)，曲線呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，流淌火中油品燃燒速率與流淌面積呈正相關(guān)，在泄漏前期，流淌區(qū)域面積較小，因此油品整體的燃燒速度也較小，導(dǎo)致油品的泄漏速率大于燃燒速率，流淌區(qū)域持續(xù)擴(kuò)展。隨著流淌面積的增加，油品燃燒耗量逐漸提升，當(dāng)油品燃燒速率等于泄漏速度時(shí)，流淌區(qū)域半徑將保持穩(wěn)定。而在點(diǎn)火發(fā)生延遲時(shí)，即點(diǎn)火時(shí)間為500 s與1 000 s時(shí)，流淌區(qū)域半徑發(fā)展將超過穩(wěn)定燃燒的區(qū)域半徑，并在點(diǎn)火后出現(xiàn)一個(gè)下降區(qū)段。分析認(rèn)為，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間延長之后，流淌區(qū)域在點(diǎn)火時(shí)能夠達(dá)到較大的面積，此時(shí)燃燒速率大于泄漏速率，流淌區(qū)域半徑開始減小。當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間為3 600 s時(shí)，與泄漏時(shí)間相同，即流淌面積在擴(kuò)展至最大范圍后發(fā)生燃燒，因此整個(gè)過程不會(huì)再出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的局面。另外，從圖1可以看出，在同一泄漏孔徑條件下，若泄漏持續(xù)時(shí)間足夠長，油品穩(wěn)定燃燒時(shí)的區(qū)域半徑與點(diǎn)火時(shí)間無關(guān)。

圖2為不同點(diǎn)火時(shí)間下流淌火輻射熱流密度隨距離的變化?？擅黠@看出，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間較短，即點(diǎn)火時(shí)間為0 s和100 s時(shí)，熱輻射影響范圍幾乎相同。這是因?yàn)辄c(diǎn)火時(shí)間較早，流淌區(qū)域半徑在達(dá)到穩(wěn)定燃燒時(shí)便不會(huì)再增加，因此最大流淌區(qū)域半徑相同，相應(yīng)的熱流密度變化曲線也保持一致。而當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間較晚，即點(diǎn)火時(shí)間為500 s、1 000 s和3 600 s時(shí)，點(diǎn)火時(shí)間越晚，最大流淌區(qū)域半徑越大，因此距火災(zāi)同等距離下的輻射熱流密度值也越大，產(chǎn)生的事故危險(xiǎn)區(qū)域范圍也越大。另外，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，泄漏孔徑會(huì)改變點(diǎn)火時(shí)間對(duì)輻射熱流密度的影響效果。如當(dāng)油管為中孔泄漏時(shí)，輻射熱流密度為12.5 kW/m2，點(diǎn)火時(shí)間為1 000 s時(shí)最大危險(xiǎn)距離為19.23 m，點(diǎn)火時(shí)間為3 600 s的工況對(duì)應(yīng)的距離則為31.62 m，兩者相差12.39 m。而當(dāng)油管為大孔泄漏、點(diǎn)火時(shí)間為1 000 s時(shí)，最大危險(xiǎn)距離為67.20 m，點(diǎn)火時(shí)間為3 600 s的工況對(duì)應(yīng)的距離為128.06 m，兩者相差60.86 m，較于前者危險(xiǎn)區(qū)域范圍大幅度提高。由此說明,泄漏孔徑越大，點(diǎn)火時(shí)間延長會(huì)增強(qiáng)輻射熱流密度，流淌火產(chǎn)生的危害將會(huì)更加嚴(yán)重，危險(xiǎn)區(qū)域范圍更大。

2.2 泄漏孔徑對(duì)油品泄漏火災(zāi)的影響

圖3為不同泄漏孔徑下的流淌區(qū)域半徑及液池區(qū)域半徑隨時(shí)間的變化(泄漏時(shí)間為3 600 s)。由圖3可以看出，隨著泄漏孔徑的增加，流淌火及池火的最大區(qū)域半徑呈現(xiàn)顯著上升的趨勢(shì)。對(duì)于流淌火(見圖3(a))，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間為0 s時(shí)，大孔泄漏所達(dá)到的最大流淌區(qū)域半徑為36.21 m，而小孔泄漏最大流淌泄漏半徑僅為1.63 m。另外，對(duì)于流淌火(圖3(b))，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間較晚，流淌區(qū)域半徑存在下降的區(qū)段時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定燃燒的流淌區(qū)域半徑所用的時(shí)間隨泄漏孔徑的增加而變長。大孔泄漏需經(jīng)歷1 653 s才能到達(dá)穩(wěn)定燃燒流淌區(qū)域半徑，而小孔泄漏卻僅需386 s。分析認(rèn)為，在同樣條件下，泄漏孔徑越大，單位時(shí)間內(nèi)油品泄漏量越多，達(dá)到點(diǎn)火時(shí)間時(shí)泄漏出的油品總量就越多，因此，發(fā)生點(diǎn)火后燃燒速率與泄漏速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間也就越長。池火較于流淌火最大區(qū)域半徑提升效果更為明顯(圖3(c))，大孔泄漏最大區(qū)域半徑較小孔泄漏提升115.59 m。

圖4為不同泄漏孔徑下流淌火及池火的輻射熱流密度隨距離的變化。對(duì)于流淌火，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間為0 s(見圖4(a))，輻射熱流密度為12.5 kW/m2，小孔泄漏工況最大危險(xiǎn)距離為14.12 m，而大孔泄漏工況對(duì)應(yīng)的距離卻為37.55 m，高于前者2倍以上。在池火中(見圖4(c))，火災(zāi)輻射熱流密度影響效果也同樣與泄漏孔徑呈正相關(guān)。不同之處在于，相對(duì)于前者，池火中泄漏孔徑的增大對(duì)于輻射熱流密度影響范圍提升更為顯著。對(duì)于池火，當(dāng)輻射熱流密度為12.5 kW/m2時(shí)，小孔泄漏工況最大危險(xiǎn)距離為19.22 m，大孔泄漏工況對(duì)應(yīng)的最大距離為127.85 m，為流淌火大孔泄漏時(shí)的3.4倍。由此也能說明，在相同條件下，池火的危害程度遠(yuǎn)高于流淌火。

2.3 泄漏時(shí)間對(duì)油品泄漏火災(zāi)的影響

圖5所示為不同泄漏時(shí)間下的流淌區(qū)域半徑及液池區(qū)域半徑變化(大孔泄漏條件下)，其中流淌火的點(diǎn)火時(shí)間為0 s。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著泄漏時(shí)間的延長，流淌區(qū)域半徑及液池區(qū)域半徑的擴(kuò)展都得到了顯著的提升。然而，對(duì)于流淌火工況而言(見圖5(a))，不同泄漏時(shí)間下的流淌區(qū)域半徑變化曲線存在較大的差異。分析認(rèn)為，當(dāng)泄漏時(shí)間為60 s和600 s時(shí)，泄漏時(shí)間過短，未能達(dá)到穩(wěn)定燃燒所需的時(shí)間，流淌區(qū)域半徑曲線未出現(xiàn)平滑區(qū)段。在池火中(見圖5(b))，不同泄漏時(shí)間下的液池區(qū)域半徑變化曲線特征較為相似，液池區(qū)域半徑隨泄漏時(shí)間的延長而快速上升，直至停止泄漏。

圖6為大孔泄漏條件下不同泄漏時(shí)間流淌火及池火熱輻射隨距離的變化?？梢钥闯?，流淌火及池火的輻射熱流密度強(qiáng)度與泄漏時(shí)間呈正相關(guān)，泄漏時(shí)間的延長會(huì)加強(qiáng)兩種火災(zāi)對(duì)周圍環(huán)境的影響。另外，對(duì)于點(diǎn)火較早的流淌火，流淌區(qū)域半徑并不會(huì)持續(xù)增大，當(dāng)流淌火達(dá)到穩(wěn)定燃燒時(shí)，其產(chǎn)生的輻射熱流密度最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)距離也最大，此時(shí)火災(zāi)不受泄漏時(shí)間的影響。而對(duì)于池火而言，點(diǎn)火發(fā)生于泄漏穩(wěn)定之后，因此池火產(chǎn)生的輻射熱流密度強(qiáng)度將一直受泄漏時(shí)間的影響，危險(xiǎn)區(qū)域范圍不斷擴(kuò)大。以上分析從一定程度上同樣說明了池火的危害性高于流淌火。

3 結(jié)論

(1)最大流淌區(qū)域半徑與輻射熱流密度的影響范圍隨點(diǎn)火時(shí)間的延長而增大。點(diǎn)火時(shí)間較早，流淌區(qū)域半徑曲線呈先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)，最大流淌區(qū)域半徑為穩(wěn)定燃燒階段的區(qū)域半徑；發(fā)生延遲點(diǎn)火時(shí)，最大流淌區(qū)域半徑發(fā)展將超過穩(wěn)定燃燒的區(qū)域半徑，并在點(diǎn)火后出現(xiàn)一個(gè)下降區(qū)段。油品穩(wěn)定燃燒時(shí)的區(qū)域半徑與點(diǎn)火時(shí)間無關(guān)。泄漏孔徑會(huì)改變點(diǎn)火時(shí)間對(duì)輻射熱流密度的影響效果。

(2)流淌火與池火中，隨著泄漏孔徑的增加，最大流淌區(qū)域半徑呈現(xiàn)數(shù)倍激增的趨勢(shì)，輻射熱流密度輸出強(qiáng)度也隨之提高，危險(xiǎn)區(qū)域范圍擴(kuò)大。在相同的泄漏孔徑下，池火的最大液池區(qū)域半徑遠(yuǎn)高于流淌火火災(zāi)的流淌區(qū)域半徑，對(duì)應(yīng)的輻射熱流密度輸出強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于流淌火。由此說明，在相同條件下，池火的危害程度遠(yuǎn)高于流淌火。

(3)對(duì)于流淌火，當(dāng)泄漏時(shí)間大于達(dá)到穩(wěn)定燃燒需要的時(shí)間時(shí)，隨著泄漏時(shí)間的增加，流淌區(qū)域半徑保持不變，為穩(wěn)定燃燒時(shí)的流淌區(qū)域半徑，此時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域范圍達(dá)到最大。在池火中，不存在穩(wěn)定燃燒階段，液池區(qū)域半徑及輻射熱流密度將一直受泄漏時(shí)間的影響，危險(xiǎn)區(qū)域范圍持續(xù)擴(kuò)大。