穿越城市生活区的天然气管道泄漏连锁爆燃后果评估研究*

李新宏，贾明汭，韩子月，张 毅，马 洁

(1.西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055：2.西安建筑科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

因早期不合理设计以及城市化发展，我国相当一部分天然气管道跨越城市生活区域，这部分管道容易受周边环境影响从而发生泄漏事故[1]。失控后大量天然气与空气混合形成可燃气云，一旦发生爆燃会造成严重人员伤亡、经济损失和环境破坏[2]。1992年4月，墨西哥瓜达拉哈拉油气泄漏爆炸事故，造成252人丧生，1 470人受伤，1 124幢房屋被毁，600辆汽车被焚，事故范围波及10公里长街道[3]。2017年7月，贵州省晴隆县天然气管道发生泄漏爆燃，造成8人死亡，35人受伤，伤亡极为惨重[4]。因此，评估城市天然气管道泄漏爆燃后果对保障城市公共安全具有重要意义。

城市天然气管道泄漏气体扩散与形成的可燃气云爆燃破坏性大，易引发重大连锁事故，受到国内外学者的广泛关注。Ebrahimi等[5]基于埋地管道的泄漏特性分析了泄漏压力分布和泄漏速率随泄漏口几何尺寸的变化规律；黄雪驰等[6]构建天然气管道三维泄漏模型进行风场稳态模拟和管道泄漏瞬态模拟；朱渊等[7]考虑复杂地形条件下高含硫天然气管道泄漏扩散过程;Wang等[8]分析了天然气气体扩散、爆炸波和火焰传播过程；Mishra等[9]基于地下天然气管道失效气体扩散及燃爆事故，评估爆炸超压和热辐射对人员和财产的损失情况。当前，管道泄漏研究大多采用管道的瞬态泄漏速率[10-12]，然而，随着管道内气体的泄漏，管内压力变化使得泄漏速率处于动态变化阶段，具有较大的不确定性。

以某城市生活区域为例，采用CFD方法构建城市天然气管道泄漏后果评估全尺度三维模型，预测泄漏气体在城市建筑物空间内的运移和积聚效应，评估可燃气体爆燃后热辐射及爆燃超压的影响范围，以期可为城市天然气管道泄漏燃爆应急防控提供科学指导。

1 气体扩散爆燃数学模型

天然气管道泄漏可燃气体扩散遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒，3个守恒方程可以由统一的数学表达式表示[13]。如式(1)所示：

(1)

式中：ρ为密度，kg/m3；φ为通用变量；τ是扩散系数；S为源项；t为时间，s；u为速度，m/s。

天然气泄漏扩散过程属于复杂的非稳态湍流运动，考虑到流体特性、时间限制、计算精度以及计算机配置等因素，采用Realizablek-ε模型，计算存在障碍物阻挡时气体的扩散行为[14]。整个反应速率受湍流混合速率的控制，如式(2)所示：

(2)

2 气体泄漏后果仿真模型

以某城市街道区域为例，依据实际建筑结构布局及尺寸，不考虑建筑内部环境及市政设施，构建三维几何模型，如图1所示。该仿真模型涉及建筑共计11幢，以A～K分别标注，如图1(a)所示。其中建筑物A高9 m，其余建筑高度均为60 m。该参数源于某城市居民生活区建筑物实际参数，以此作为实例进行模拟仿真分析。

图1 城市建筑物模型俯视图及网格模型Fig.1 Model top view and mesh model of urban building

经过试算，确定计算域尺寸为500 m×200 m×180 m，采取三角形/四面体网格对整个城市天然气管道泄漏模型进行网格划分。由于天然气泄漏后计算域内存在压力梯度，为提高计算精度，对泄漏处附近进行局部网格加密，更准确地处理气体泄漏的运移状态变化。经网格无关性检测后，划分后的非结构化网格如图1(b)所示，网格数量共计3 058 049个。

泄漏口及来风面均设置为速度入口，计算域顶部、前侧及后侧设置为对称边界，计算域右侧出流面设置为自由出流。建筑物表面与地面均设置为无滑移墙面。来风面风速采用指数风廓线方程计算风速随高度的变化，如式(3)所示：

(3)

式中：uh为高度h处的风速，m/s；up为当地平均风速，m/s；H为海拔高度，m。

3 城市天然气管道泄漏扩散规律

3.1 计算域风场模拟

天然气扩散过程很大程度上依赖于计算域内风场环境特点，建筑物的布局结构、尺寸大小均会对风场产生影响，进而影响可燃气体扩散过程。因此，在研究可燃气体泄漏扩散规律前，需进行计算域的风场模拟。

如图2(a)～2(b)所示，分别为当地平均风速6 m/s，风向向东时城市区域垂向和横向剖面的风速分布云图。由于建筑J和建筑K的阻挡，左侧来风上风向影响较小，风速在建筑J和建筑K上方10 m出现明显增强，风速达到约11 m/s，风速梯度明显。由于建筑J和建筑K的较大迎风面影响下，其下风向出现明显的风停滞和大范围回流现象。同理，当风受到建筑物A，B，D阻挡作用，在建筑物近地面风速较低，随着高度的升高，受到建筑的阻碍作用，风速在建筑顶部逐渐加强，在高于建筑物约10 m时风速最大超过11 m/s，高度继续上升呈现梯度变化，直至高度120 m时风速不再受到阻碍作用的影响。此外，由于建筑物的结构体积过大，因此，来风对于建筑物下风向近地面处影响较小，在建筑物下风向近地面处均存在小范围的风停滞现象。

图2 计算域风速分布云图Fig.2 Distribution cloud map of wind speed in computational domain

3.2 气体扩散过程分析

天然气泄漏扩散过程受天然气管道管径、管道泄漏孔径、管道运行压力等参数的耦合影响。设置泄漏源P位于建筑物A西侧12 m处，泄漏方向垂直向上；管道运行压力5.3 MPa，管径680 mm，运行温度300 K，泄漏孔形状为圆形，孔径300 mm。考虑泄漏后管道压力受工艺措施干预下降情形下的泄漏速率动态变化，以6 m/s为基本风速，计算风场湍流分布，对城市天然气管道泄漏事故进行仿真模拟分析。

在泄漏初期由于ESD阀作用，泄漏速率下降迅速，于10 s内将管内大部分天然气泄漏完毕，在10 s左右泄漏速率下降逐渐平缓，至600 s左右时天然气管道逐渐停止泄漏,如图3所示。

图3 管道泄漏速率Fig.3 Release rate of pipeline

图4为泄漏气体的空间范围变化过程。泄漏初期，可燃气体以高速射流的形式垂直向上喷出，在左侧来风的作用下与周围空气混合逐渐扩散，周围空气在粘性作用下随泄漏气体流动，形成湍流。5 s时，泄漏气体在风的作用下向下风向扩散，于建筑A的上方聚集，此时可燃气体水平长度达47.48 m，垂直高度为30.7 m。在10 s时，天然气已经逐渐扩散至建筑物B，此时泄漏天然气覆盖范围达到1 992.5 m2，空间体积为138.48 m3。随后，由于天然气受到建筑物B的阻碍影响，向建筑物D方向移动。在20 s时，泄漏天然气遭遇建筑物D，产生反射作用，此时泄漏天然气覆盖范围为4 277.84 m2，空间体积达到276.99 m3。逐步向建筑物B和建筑物E之间空隙运动，且由于风的滞留作用从而出现小范围的聚集。280 s时泄漏天然气扩散逐渐趋于稳定，此时泄漏气体完全扩散至建筑物E的尾部，并有部分泄漏气体绕过建筑物E的左侧，向建筑物C偏移，此时覆盖面积为15 008.32 m2，空间体积达到984.52 m3。

图4 天然气扩散过程Fig.4 Dispersion process of natural gas

4 城市天然气管道泄漏后果评估

4.1 爆燃热辐射和高温影响

天然气管道泄漏后天然气持续扩散的情况下，意外点火会造成严重爆燃事故，而火焰热辐射伤害是火灾事故对人员及建筑造成伤害的主要形式之一。取泄漏口附近截面X=176与Z=89，如图5所示。由图5可知，热辐射云图呈现以火焰中心为核心的同心圆状向外围扩展，越接近火焰中心热辐射强度越高，最高热辐射强度达到11.5 kW/m2。且受左侧来风影响，热辐射区域有向右侧明显偏移的痕迹。

图5 稳定状态下热辐射剖面Fig.5 Thermal radiation profile under steady condition

建立城市天然气管道临界伤害热辐射等值面空间分布图，如图6所示。受左侧来风影响，热辐射强度等值面朝下风向倾斜，呈现半椭球形；随着热辐射强度的升高，等值面的空间体积相应减少。热辐射强度为4 kW/m2的等值面覆盖面积为1 381.99 m2，横向长度达到41.73 m，高度为28.65 m，此时热辐射强度为4 kW/m2已影响到建筑物A靠近泄漏口的一端。热辐射为9.5 kW/m2等值面较4 kW/m2空间体积有所减少，覆盖面积为102.19 m2，影响高度略高于建筑物A，横向影响半径为10.47 m，对建筑物A影响较小。

图6 火灾稳定状态下临界伤害热辐射等值面Fig.6 Contour surface of critical damage thermal radiation under steady fire condition

根据火焰热辐射伤害准则，热辐射为4 kW/m2等值面覆盖建筑物A超过1/3，横向辐射范围为41.73 m。此时距离泄漏口半径为41.73 m处的行人长时间受到该强度辐射产生疼痛感，严重者会引起烧伤，但不会有生命危险；该辐射强度对建筑没有影响。热辐射强度为9 kW/m2的影响范围较小，横向影响长度约为10 m，在此区域的人员能短暂忍受5 s左右，超过8 s将会到达疼痛极限，超过20 s将会引起二度烧伤，此辐射强度对建筑没有影响。

4.2 爆燃超压影响

可燃气体爆燃总是伴随着压力和温度的显著升高，是1种迅速的物理与化学能量释放的反应过程。在此过程中，可燃气云通过迅速膨胀对外做功，导致环境压力剧增从而造成人员伤亡和财产损失。爆炸多数以冲击波的形式对周围人员、建筑进行破坏，当冲击波的压力超过一定程度时会对人员、建筑造成不同程度的破坏。

取40 ms时x=174 m和z=94 m处截面爆炸超压剖面云图，如图7所示。可知，爆炸超压以爆炸中心为圆心，四周呈现同心圆向外辐射，越远离爆炸中心超压值逐渐减弱。爆炸中心超压值超过10 kPa。随着爆炸进程，超压区域处于动态变化情况。

图7 最大爆炸超压场(40 ms)Fig.7 Maximum explosion overpressure field (40 ms)

随着高度的上升，最大超压值呈现先升高再降低的趋势。当距离地面1 m时，最大爆炸超压为5.17 kPa；当距离地面3 m时，最大爆炸超压增加至6.75 kPa；当距离地面7 m时，最大爆炸超压达到顶峰，此时爆炸超压为12.64 kPa；当距离增加20 m时，可以明显看出爆炸超压云图所呈现的辐射范围减小，此时最大爆炸超压仅为1.31 kPa。

基于超压伤害准则，建立城市天然气管道泄漏爆炸40 ms时刻临界伤害超压等值面空间分布图，如图8所示。城市区域爆燃超压空间分布呈现冲击波逐层向外扩展状，离爆炸中心越远，冲击波超压值越低，所占空间体积越大。P=1 kPa的冲击波主要集中在建筑物A靠近泄漏出的一端，覆盖半径达到24.93 m，覆盖面积为1 721.29 m2。P=2 kPa的冲击波对建筑物A影响较小，仅仅影响建筑物A顶部一端，覆盖半径为16.36 m，覆盖面积为613.24 m2。而P=4 kPa和P=7 kPa则影响范围进一步缩小，对建筑物A均没有影响，覆盖半径分别为10.74，5.34 m，覆盖面积分别为105.61，25.66 m2。

此次爆炸会使建筑物A靠近爆炸中心的窗户受到破坏，对其余建筑物均没有影响；对半径为5.34 m以内的人员造成轻微损伤，并无生命危险；大于24.93 m范围外的区域均为安全区域，不会造成建筑及人员伤害。

5 结论

1)建立城市天然气管道泄漏气体扩散与爆燃预测评估模型，研究可燃气体运移规律，评估气体扩散与燃爆对管道周边建筑物的影响，得到可燃气体泄漏过程、热辐射及爆燃超压的影响范围，为城市天然气管道泄漏爆燃风险防控提供指导。

2)城市建筑物对泄漏区域风场具有明显的影响。由于建筑物之间的阻挡与反射作用，使得在建筑物下风向有明显的低风速区域，并在一定时间后扩散过程趋于稳定，总覆盖面积为15 008.32 m2，空间体积为984.52 m3。

3)城市天然气管道附近生活区域的点火源可能引发可燃气体的爆燃事故。在爆燃火焰的作用下，高温和热辐射会造成建筑物部分钢结构发生失效变形，对距燃爆中心41.73 m范围内的人员产生伤害。在此基础上，从概率评估的角度研究建筑与人员伤害程度尚需进一步研究。