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管道研究

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爆炸载荷作用下并行燃气管道失效概率研究

来源:《管道保护》2022年第2期 作者:陈国华 徐佳 方顺 吴悦 李明阳 时间:2022-4-14 阅读:

陈国华1,2 徐佳1,2 方顺1,2 吴悦1,2 李明阳3

1.华南理工大学安全科学与工程研究所;2.广东省安全生产科技协同创新中心;3.广东省特种设备检测研究院珠海检测院

 

摘要:随着城镇天然气需求量增加,燃气管道并行铺设现象逐渐增多。为避免低概率、高风险事故发生,开展并行燃气管道失效概率研究,分析失效概率影响因素及参数敏感性。结果表明:并行管道失效概率在设计阶段受管道间距影响最显著,在运行阶段则受气云半径影响最为显著;由于其对源管道内压敏感度更高,因此应尽量控制运行阶段并行管道内压波动,避免峰值过大。

关键词:并行燃气管道;蒙特卡洛法;失效概率;参数敏感性

 

2012年,加拿大哥伦比亚省北部一条燃气管道破裂爆炸,导致与其并行间距为3 m的一条燃气管道发生破裂着火,此次事件形成了一个长17 m,宽7.6 m,深1.1 m的火坑[1]。近年来,由于国内城镇燃气需求量增加,燃气管道并行铺设现象逐渐增多,一旦其中某条管道因泄漏引发的蒸气云爆炸,极易对其临近铺设的燃气管道造成冲击进而也发生失效,产生多米诺效应并导致事故后果进一步扩大[2]。因此,基于已构建的并行管道失效概率模型[3],结合蒙特卡洛模拟法进行计算,对并行管道失效概率进行影响因素分析及参数敏感性分析。

1  并行管道失效概率影响因素

在并行管道设计阶段,影响其事故发生概率的主要因素为管道间距、目标管道埋深、目标管道管径、目标管道壁厚与土壤重度。管道运行参数中影响其失效概率的因素主要包括初始失效管道(以下简称源管道)泄漏气云半径、源管道内压及目标管道内压。

2  并行管道失效概率计算

管材为X70钢的两条燃气管道并行铺设,管材屈服强度为480 MPa。以源管道发生大孔泄漏为初始失效场景,该场景下并行管道失效概率计算模型相关随机变量分布规律如表 1所示。采用蒙特卡洛抽样方法对各随机变量进行107次随机抽样,随后将各组随机抽样值代入并行管道失效概率计算模型进行计算,得到该场景不同参数影响下的并行管道失效概率曲线,如图 1、图 2所示。


表 1 并行管道失效概率模型相关随机变量统计分布[4-6]


图 1 不同设计参数影响下的并行管道失效概率曲线

图 2 不同运行参数影响下的并行管道失效概率曲线

3  并行管道失效概率影响因素分析

由图 1(a)和(b)可知,增大管道间距和目标管道壁厚均可以使并行管道失效概率下降。增大管道间距使目标管道受爆炸载荷影响减少,进而使其损伤几率下降。增大管道壁厚,有利于提高目标管道抵抗外部荷载的能力。同时,壁厚增大也会减少其因管体受腐蚀、施工挖掘与其他环境因素而遭受损伤的可能,进而有效降低并行管道失效概率。

由图 1(c)和(d)可知,目标管道埋深与管径对并行管道失效概率有着相反的影响。对于管道并行铺设场景,增加埋深可使其降低遭受施工挖掘、地面违规占压等第三方损坏的概率。由于燃气泄漏过程中土壤对泄漏燃气的黏滞作用以及吸收作用,增加埋深也有助于减少燃气泄漏量,降低目标管道失效概率。由图 1(e)可知,土壤重度对并行管道失效概率影响较小。

在管道运行阶段,泄漏气云半径及管道内压为并行管道失效概率主要影响因素。如图 2(a)所示,气云半径与并行管道失效概率呈正相关关系。而气云半径大小主要取决于源管道泄漏时间,为探究该参数与并行管道失效概率之间的关系,基于文献[2]的管道燃气泄漏扩散模型,获得源管道泄漏时间与并行管道失效概率关系曲线。如图 2(b)所示,并行管道失效概率随着源管道泄漏时间的增加而逐渐增大。在源管道泄漏时间较短时,泄漏气云半径相对较小,因此目标管道失效概率及并行管道失效概率均较小。而在源管道发生泄漏约2200 s后,由于其产生的爆炸载荷超出管道可承受的临界值,导致目标管道必然发生失效,目标管道失效概率值趋近于1,此时,并行管道失效概率主要取决于源管道失效概率。由图 2(c)和(d)可知,增高目标管道内压促使管道抵抗外部载荷的能力增强,从而有利于使并行管道失效概率下降,而增大源管道内压,使源管道失效泄漏时燃气的泄放速率上升,增加了源管道燃气泄漏量,目标管道失效概率增大,进而使并行管道失效概率上升。

4  并行管道失效概率参数敏感性分析

为了提高管道故障预防和事故控制的有效性,对各参数进行敏感性分析。敏感性大小用敏感性指数αi表示,其计算公式如下[7]:


式中,Ci表示上述影响参数中某参数的取值,ΔCi为一定范围内该影响参数的变化量,Fp表示并行管道失效概率,ΔFp为由ΔCi引起Fp的变化量。

令取值分别在5%至25%共5个阶梯范围内波动,得到如图 3、图 4所示敏感性分析结果。由图 3可知,并行管道设计阶段各参数敏感性大小排序依次为:管道水平间距、土壤埋深、管道壁厚、管道内径、土壤重度。在规定波动范围内,管道间距和土壤埋深对并行管道失效概率影响显著。



图 3 并行管道设计阶段参数敏感性分析结果

图 4 并行管道运行阶段参数敏感性分析结果


由图 4可以看出,在规定波动范围内,并行管道运行阶段各参数敏感性大小排序依次为:气云半径、源管道内压、目标管道内压。并行管道失效概率与源管道内压之间呈正相关关系,与目标管道内压之间则呈负相关关系,但由敏感性分析结果对比可知,并行管道失效概率对源管道内压敏感性更高。

5  结论

(1)并行管道设计阶段,各参数对并行管道失效概率影响程度从大到小依次为管道水平间距、土壤埋深、管道壁厚、管道内径、土壤重度。

(2)并行管道运行阶段,影响程度大小排序为气云半径、源管道内压、目标管道内压。

(3)并行管道失效概率与源管道内压呈正相关,与目标管道内压则呈负相关,但对源管道内压敏感性更高,因此在管道运行过程中应尽量控制运行阶段并行管道的内压波动,避免峰值过大。

 

参考文献:

[1]Ñanalysis based on pipeline crater models and historical accidents[J]. Journal of loss prevention in the process industries, 2016, 43:315-331.

[2]RAMIREZ C J G, PASTOR E, CASAL J, MUÑOZ G F. Analysis of domino effect in pipelines[J]. Journal of hazardous materials, 2015, 298:210-220.

[3]徐佳. 埋地并行交叉天然气管道爆炸耦合风险分析及评估研究[D].广州:华南理工大学, 2020.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.输气管道工程设计规范:GB 50251-2015 [S]. 北京:中国计划出版社, 2015.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.给水排水管道工程施工及验收规范: GB 50268-2008[S]. 北京:中国标准出版社,2008.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 压力管道规范动力管道:GB/T 32270-2015[S]. 北京:中国标准出版社, 2015.

[7]韩文海,周晶. 腐蚀海底管道可靠性分析[J].石油学报,2015,36(4):516-520.

 

基金项目:2020年度珠海市科技计划项目,ZH22036205200013PWC;2019年广东省中央引导地方科技发展专项资金/广东省省级科技计划项目,2019B020208012。


作者简介:陈国华,1967年生,教授,1993年博士毕业于南京工业大学学校化工过程机械专业,现主要从事过程装备安全可靠性及风险评价技术方向的研究工作。联系方式:13660261735,mmghchen@scut.edu.cn。


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