李玉星

中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院

近年来，我国输油管道泄漏爆炸事故时有发生，如2014年大连“6.30”输油管道泄漏爆燃事故等，引起了全社会的高度关注。本文对油品输送过程中可能产生的泄漏爆燃后果进行研究，通过灾害分析事故模型及数值模型的建立，模拟原油泄漏后油气的挥发、爆燃等过程，由对失效后果模型的计算得到危险介质随时间扩散的浓度分布、燃烧热辐射及爆炸冲击波超压变化等参数，据此确定安全范围，给新建管道的安全设计提供参考数据，对预防及控制事故有一定意义。

1  不同原油泄漏挥发油气的爆燃特性分析

1.1 油品的挥发组分

各种原油挥发的气体组成并不完全相同，但主要组分是一样的，并且都有以下共同点[1]：

（1）原油散发出的基本上是C1-C5烃类气体。根据实验结果，分别为甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷。

（2）原油散发出的气体组分，大多数都是有4-5个碳原子。含有3个碳原子的相对较少。含有1个或2个碳原子的气体组分几乎没有。具体原油挥发气体组成如表1所示。

由上表可知，每种原油泄漏挥发的气体组分虽然一样，但各挥发气的体积分数却不一样。由于气体的爆炸极限和燃烧速率和气体的组成有关，这就又会导致不同油品挥发气的爆炸极限和燃烧速率不同，以至于不同原油泄漏后的爆燃后果不同。本文选择具有代表性的大庆、胜利、大港原油作为研究对象。

根据勒夏特列准则，可燃气体混合物的燃烧极限可根据下列公式进行计算[2]。

根据气体特性手册，不同气体理想当量比下的层流燃烧速率如下表2所示[3]。

1.2 三种油品挥发的质量速率计算

根据AQT3046标准，管道泄漏可用下列公式计算，如公式（3）所示[4]。

式中，Q为质量流率，kg/s；A为泄漏孔面积，m2；C0 为液体泄漏系数，一般取1.00；P为管道内液体压力，Pa；ρ为泄漏液体密度，kg/m3；P0为环境压力，Pa。

根据数据查询得到，大庆原油密度为860kg/m3，胜利原油密度为908kg/m3，大港原油密度为930kg/m3。假设某输油管道的运行压力为5Mpa，温度为25℃。根据原油沸点馏分收率的数据统计，利用差值法可以得出原油在空气中不同的挥发率。根据API 581RP规定，选择40mm为泄漏的孔径，可求得三种油品在泄漏过程中可燃气体的挥发质量速率，计算结果如下表3所示。

2. 输油管道油气爆燃数值模型

进行输油管道泄漏爆燃事故的风险评估，建立的几何模型既要符合输油管道的现状，但又不用达到完全一致，所以建立输油管道的简化模型，如图1所示。以穿越某城市的输油管道为例，进行爆燃模拟分析。

2.1 数值模型

采用有限体积法和SIMPLE算法，通过建立描述流体特性的质量、动量、能量以及组分守恒方程，配合边界条件求解计算区域中的超压、燃烧产物、火焰速度以及燃烧消耗量等变量的值，同时，湍流和化学反应的影响也包含在方程中：

   对于湍流条件，使用修正的湍流模型。大气边界层采用入口边界的速度、温度和湍流参数的强制断面进行模拟。根据爆燃事故的正反馈机理，采用分布式多孔结构思想对复杂几何形状进行描述，并将几何形状和流动、湍流相结合。

2.2 网格划分

为了保证模拟结果的可靠性以及模拟爆燃事故过程中压力波的传播过程，模型采用较大的计算空间。为了较好的适应流场变化，对泄漏口计算网格进行加密，以反映气体运动状态的快速变化。经网格无关性检验，确定输油管道爆燃事故模拟的网格模型，如图2所示。控制体总数为550800。

图1 城市输油管道三维建模

图2 网格模型图

3  油气爆燃模拟结果及分析

3.1爆炸超压规律分析

从不同原油管道爆炸超压分布图3可以看出，爆炸在1.2s左右从中心一点开始向外爆炸；1.267s时爆炸冲击波传播到附近的建筑物，给附近的人和建筑物带来的危害最大。可以看出三种原油泄漏后发生爆炸的压力波的传播规律是一致的，所不同的是产生的超压大小和超压传播的速度不同，其中大庆原油产生的爆炸超压最高，在1.232S时为0.25bar，而辽河和大港原油所产生的爆炸超压为0.2bar。由图可以看出，地上压力最大值可以达到0.3bar，由图像可知压力在不断的波动，而且还会出现负压。这是因为地面上有建筑物的因素，由模型地面中心位置向外爆炸扩散，一段时间后，中心位置的空气都被爆炸冲击波带到建筑物附近，这样中间地区就会出现短暂的负压。高压空气在遇到建筑物时，在建筑物附近会形成短暂的的积聚，不仅会给建筑物带来破坏，同时高压空气还会反弹回来，形成了压力波动的曲线。

图3 不同原油泄漏爆燃事故的超压分布图

3.2 爆炸热辐射规律分析

从不同原油输送的管道爆炸温度分布图4可以看出，在各个时段内，温度随着时间推移逐渐升高，传播的范围也逐渐增大。在1.255s时，高温从中心向外扩散；1.388s到1.417s时高温向外逐渐扩散加大，最后1.58s时，整个离中心20m至30m的范围内都是高温地区。不同原油管道爆炸温度分布图基本一致，从小到大向外扩散加大，最后充满整个区域。不过各时段的温度大小不一样，说明不同原油挥发组分不同，导致爆炸结果不同。由图可知，离点火源位置越近的监测点，检测到上网温度上升的就越快，离点火源位置越远，温度上升的就越慢。压力和温度在不同位置所能达到的最大值也有差别，离点火源越近的位置，压力和温度能达到的最大值越大。因为爆炸是由点火源开始向外爆炸扩散，所以说明越靠近中心位置，危险等级越高。

图4 原油泄漏爆燃事故的温度分布图

3.3 爆炸后果分析及安全间距确定

发生爆炸时，爆破能量向外释放时以冲击波、碎片和容器残余变形能量3种形式表现出来，其中空气冲击波占绝大部分，是爆炸的主要危害因素。冲击波是由压缩波叠加形成的，是波阵面以突进形式在介质中传播的压缩波。油气燃烧产生的热量以热传导、对流和辐射方式向四周传播，火焰和热辐射对人体的伤害主要体现在水平方向上，可能会引起人员烧伤甚至死亡，设备损坏。实验数据证明，人体能够承受的高温极限为116℃。爆炸超压对人造成的危害标准如表4所列。

根据前面得到爆炸超压规律，地面上的爆炸超压最大值会达到0.3bar，这将会导致墙体断裂，也会给人的器官带来损伤。设定压力低于0.05bar为安全值，那么从爆炸图像可以看出在50m以内所有物体都会受到不同程度的损害，并且越靠近中心点所受到的伤害就越大，越靠近高大建筑物的附近受到的伤害也越大，因为爆炸蒸汽云在遇到阻挡之后会再次累积。因此输油管道的建立要远离人口密集的地带，平面距离至少超过50m以上。

根据前面得到爆炸温度图可知，温度最高可达2500K，远远大于116℃，暴露在这样高温下的人会立即死亡。从爆炸温度的2D图可以看出，爆炸温度的安全距离为20m以上。综合考虑爆炸超压和爆炸热辐射的影响，确定管道的安全距离为50m。

4 结论与建议

（1）通过输送不同组分原油的管道爆炸模拟可以得出，不同油品的爆炸范围有所不同，但油品泄漏后发生爆炸给人和建筑物带来的后果是非常严重的，因此应通过一定的办法来排查隐患，进行风险控制，降低事故发生概率，并要完善相应的应急管理制度。

（2）通过对爆燃事故模拟的超压和热辐射结果分析，管道的安全距离为50m。但总的来说管道选址一定要远离人员密集场所，其他重要公共建筑物也要远离输油管道建设，这样才能保障人群和建筑物的安全。

参考文献：

[1]项小强, 戴联双, 曹涛, 等. 输油管道泄漏液池的蒸气云扩散模型[J]. 油气储运, 2011,30(05):334-336.

[2] Mashuga C V, Crowl D A. Derivation of Le Chatelier's mixing rule for flammable limits[J]. Process Safety Progress, 2000, 19(2):112–117

[3] 波汉尼什. 有害化学品安全手册[M]. 中国石化出版社, 2003.

[4] AQT3046—2013化工企业定量风险评价导则[S]. 中国安全生产监督管理总局

作者：李玉星，教授，博士生导师，主要从事油气水混输工艺技术、输气管道运行模拟仿真技术、天然气水合物技术、音波法泄漏检测技术等方面的研究。

张玉乾，在读硕士研究生，研究方向油气管道完整性管理技术及油气长距离管输技术。

《管道保护》2016年第6期（总第31期）