基于PHAST的天然气管道泄漏后果危害范围模拟研究*

詹文文，牛 辉，韦 奉，刘 斌，王 磊，赵红波，席敏敏，许 铎

（1.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司，西安 710018；2.中国石油宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008；3.西南石油大学 石油与天然气工程学院，成都 610000）

0 前 言

管道输送作为长距离油气输送的主要方式之一，具有运输量大、运输距离远、运输成本低等优点。截至2020 年底，我国境内已建成天然气管道约8.6×104km，并且一半以上运行时间已经超过20 年，管道爆炸着火、断裂、泄漏事故时有发生[1-2]。当输气管道发生泄漏后，若在扩散范围内存在点火源，很可能引发火灾和爆炸等更严重的后果，造成巨大损失，为此许多学者做了大量研究。HANIFI[3]采用ALOHA 软件估算风险，得出天然气管道泄漏最严重的后果是喷射火焰的热辐射效应；江世超[4]计算了喷射火、火球和蒸气云爆炸三种事故的影响范围；耿晓茹[5]通过试验和数值模拟分析了障碍物对喷射火的影响；CHI 等[6]研究了不同建筑布局对蒸气云爆炸超压传播规律的影响；鲍庆军[7]使用FLACS 模拟空旷区和人口密集区输气管道泄漏扩散、燃烧和爆炸事故的影响；杨克等[8]采用理论公式对蒸气云爆炸的破坏范围进行定量分析，发现随着泄漏时间增加，死亡半径和财产损失半径明显增大。

目前，输气管道泄漏后发生火灾及爆炸的研究主要采用经验模型和数值模拟方法进行，研究对象多为低压小直径管道，但高压大直径管道往往造成危害范围更大。因此本研究将采用PHAST 软件对国内西南某高压大直径输气管道泄漏后发生火灾和爆炸的原因进行分析，并计算其对人员的影响范围。

1 输气管道失效后果理论分析

1.1 失效后果类型和伤害形式

发生泄漏的高压输气管道管径为1 016 mm，输送压力为10 MPa，采用事件树分析方法，对管道失效情境、后果及影响形式进行分析，如图1所示。

图1 某管道失效事件树分析图

通过对该管道输送气体进行分析，其组分中几乎不含H2S，因此在失效后果分析中不考虑毒性伤害，因而天然气管道失效后果主要模式有火球、喷射火、蒸气云爆炸。有研究[9]表明，输气管道失效形式发生的概率不同，最终的后果也不同，其中喷射火发生概率为0.15，火球发生概率为0.15，蒸气云爆炸发生概率为0.56。

1.2 事故后果计算模型

1.2.1 喷射火后果计算模型

目前对喷射火后果计算主要有点源模型和固体火焰模型，根据美国石油研究院的模型[10]，假定火焰为圆锥形，采用从泄漏处到火焰长度4/5处的点源模型来表示，喷射火火焰长度和点源的热辐射通量计算为

式中：L——火焰长度，m；

HC——燃烧热，J/kg；

m——质量流速，kg/s；

q——点源的热通量，W/m2；

η——效率因子，可取0.35；

x——距火源的距离，m；

QO——质量流速，kg/s。

1.2.2 火球后果计算模型

火球后果计算一般采用Greenberg -Cramer模型[11]，火球直径和持续时间计算分别为

式中：D——火球直径，m；

t——火球持续时间，s；

W——火球中损耗的可燃物的质量，kg。

1.2.3 蒸气云爆炸后果计算模型

蒸气云爆炸采用TNT当量法对爆炸能量进行等量计算[12]，即

式中：WTNT——蒸气云的TNT当量，kg；

A——蒸气云的当量系数，取4%；

Wf——蒸气云中燃料的总质量，kg；

Qf——燃料的燃烧热，MJ/kg；

QTNT——TNT 的 爆 炸 热，通 常 为4.12～4.69 MJ/kg，本研究取4.52 MJ/kg。

2 火灾及爆炸伤害准则

输气管道泄漏事故主要伤害形式有热辐射伤害和冲击波伤害。火球、喷射火、蒸气云爆炸均会造成热辐射伤害，而蒸气云爆炸主要造成冲击波伤害，热辐射影响较小，通常可以忽略。伤害程度可根据伤害准则来评估，可接受的最大伤害程度所对应的半径则为伤害半径。

2.1 热辐射伤害准则

当发生热辐射伤害时，人员若处在不同环境，其伤害效果也不相同。根据DNV 等文献[13-14]，将火灾人员类型分为室内人员和室外人员，并假设建筑物若未起火，室内人员视为安全状态。其伤害准则见表1。

表1 不同环境下热辐射对人员的伤害效应

2.2 冲击波伤害准则

调研相关文献[15]，国外对爆炸冲击波阈值标准与国内不同，其对室外人员和室内人员的伤害效应不同，具体见表2。

表2 不同环境下冲击波对人员的伤害效应

3 典型事故后果模拟

PHAST 软件是风险定量分析的多功能计算软件，由挪威船级社DNV 公司开发，适合应急计划制订者和安全管理人员使用[16]，故本研究采用PHAST软件进行相关模拟计算。

3.1 模拟参数确定

对该泄漏输气管线基本运行情况和沿线环境情况进行调研，选取具有代表性数值计算分析，具体选值见表3。

表3 某输气管道模拟参数

3.2 喷射火事故后果分析

天然气管道泄漏后发生喷射火事故，其产生的热辐射伤害巨大。假定天然气管道连续泄漏30 min 后喷射火事故发生，探究不同输送压力、泄漏孔径、环境风速及泄漏方向对事故后果影响。

3.2.1 输送压力

选择管道长度16 km，管径1 016 mm，小孔/裂纹（d/D=0.2），与水平面呈45°方向上泄漏，风速5 m/s，大气稳定度为D，分析10 MPa、9 MPa、8 MPa、7 MPa、6 MPa 五种输送压力下管道泄漏喷射火的影响。输送压力10 MPa 的热辐射危害范围如图2所示，不同输送压力下热辐射伤害距离对比如图3所示。

图2 10 MPa输送压力管道泄漏喷射火的热辐射危害范围

图3 不同输送压力管道泄漏喷射火热辐射伤害距离对比

从图3可以看出，随着输送压力增大，其热辐射伤害距离增大，且增加的幅值相差不大。当输送压力10 MPa时，产生热辐射伤害距离最大，热辐射通量阈值1.5 kW/m2时伤害距离为429 m，室外人员死亡距离为84 m。

3.2.2 泄漏孔径

选择管道长度16 km，管径1 016 mm，输送压力10 MPa，与水平面呈45°方向上泄漏，风速5 m/s，大气稳定度为D，分析泄漏孔径/管道直径（d/D）为0.1、0.2、0.5、0.7、1.0五种泄漏模式下喷射火的影响。d/D=1.0 泄漏模式下喷射火的热辐射危害范围如图4所示，不同泄漏模式下喷射火的热辐射伤害距离对比如图5所示。

图4 d/D=1.0泄漏模式下的喷射火热辐射危害范围

图5 不同泄漏模式下喷射火的热辐射伤害距离对比

从图5可以看出，随着泄漏孔径增大，其热辐射伤害距离增大，而大孔和断裂泄漏明显比小孔泄漏造成的伤害范围更大。当d/D=1.0 时，即完全断裂时产生热辐射伤害距离最大，热辐射通量阈值1.5 kW/m2时伤害距离为1 598 m，室外人员死亡距离为397 m，室内人员死亡距离为388 m。

3.2.3 环境风速

选择管道长度16 km，管径1 016 mm，小孔/裂纹（d/D=0.2），输送压力10 MPa，与水平面呈45°方向上泄漏，分析五种气象条件下喷射火的影响。风速为1 m/s、大气稳定度为F条件下喷射火的热辐射危害范围如图6所示，不同环境风速下热辐射伤害距离对比如图7所示。

图6 风速1 m/s、大气稳定度为F条件下喷射火的热辐射危害范围

图7 不同环境风速下喷射火的热辐射伤害距离对比

从图7可以看出，环境风速与热辐射伤害距离并非线性关系。当环境风速1 m/s、热辐射通量阈值1.5 kW/m2时对应范围最大，距离为458 m；当环境风速为9 m/s 时，造成人员伤亡最严重，室外人员死亡距离为109 m，室内人员死亡距离为95 m。

3.2.4 泄漏方向

选择管道长度16 km，管径1 016 mm，小孔/裂纹（d/D=0.2），输送压力10 MPa，风速5 m/s，大气稳定度为D，分析与水平面呈45°方向、0°方向、30°方向、60°方向、90°五种泄漏方向喷射火影响范围，其中与水平面呈0°方向的热辐射危害范围如图8所示，不同泄漏方向热辐射伤害距离对比如图9所示。

图8 0°方向的热辐射危害范围

图9 不同泄漏方向喷射火的热辐射伤害距离对比

从图9可以看出，随着泄漏方向从垂直向水平过渡，其热辐射伤害距离增大，这是因为泄漏方向与风向一致，加大了气体扩散距离，当气体水平扩散时，产生热辐射伤害距离最大。热辐射通量阈值1.5 kW/m2时伤害距离为473 m，室外人员死亡距离为195 m，室内人员死亡距离为191 m。

3.3 蒸气云爆炸事故后果分析

天然气管道泄漏后发生蒸气云爆炸事故概率最大，其产生的冲击波伤害较严重。假定天然气管道连续泄漏30 min时蒸气云爆炸事故发生，探究不同的输送压力、泄漏孔径、环境风速、泄漏方向对事故后果影响。

3.3.1 输送压力

选择管道长度16 km，管径1 016 mm，小孔/裂纹（d/D=0.2），与水平面呈45°方向上泄漏，风速5 m/s，大气稳定度为D。分析10 MPa、9 MPa、8 MPa、7 MPa、6 MPa 五种输送压力下蒸气云爆炸影响。其中10 MPa 输送压力管道蒸气云的冲击波危害范围如图10 所示，不同输送压力冲击波伤害距离对比如图11所示。

图10 10 MPa输送压力管道蒸气云冲击波危害范围

图11 不同输送压力管道蒸气云冲击波伤害距离对比

从图11 可以看出，随着输送压力增大，其冲击波超压伤害距离增大，且增加的幅值相差不大。当输送压力10 MPa 时，产生冲击波超压伤害距离最大，超压阈值0.003 MPa 时伤害距离为299 m，室外人员死亡临界值距离为181 m，室内人员死亡距离为158 m。

3.3.2 泄漏孔径

选择管道长度16 km，管径1 016 mm，输送压力10 MPa，与水平面呈45°方向泄漏，风速5 m/s，大气稳定度为D，分析泄漏孔径/管道直径（d/D）为0.1、0.2、0.5、0.7、1.0 五种泄漏模式下蒸气云冲击波的影响。其中，d/D=1.0 泄漏模式下蒸气云冲击波危害范围如图12 所示，不同泄漏孔径冲击波伤害距离对比如图13所示。

图12 d/D=1.0泄漏模式下蒸气云冲击波危害范围

图13 不同泄漏孔径蒸气云冲击波伤害距离对比

从图13 可以看出，随着泄漏孔径增大，其冲击波超压伤害距离增大，发生大孔和断裂明显比小孔泄漏造成的范围大。当d/D=1.0 时，即完全断裂产生冲击波超压伤害距离最大，超压阈值0.003 MPa时伤害距离为1 269 m，室外人员死亡临界值距离为783 m，室内人员死亡距离为686 m。

3.3.3 环境风速

选择管道长度16 km，管径1 016 mm，小孔/裂纹（d/D=0.2），输送压力10 MPa，与水平面呈45°方向上泄漏，分析表3 所示五种气象条件下蒸气云爆炸的影响。其中，风速1 m/s、大气稳定度为F 条件下的冲击波危害范围如图14 所示，不同环境风速冲击波伤害距离对比如图15所示。

图14 风速1 m/s的冲击波危害范围

图15 不同环境风速冲击波伤害距离对比

从图15 可以看出，随着环境风速增大，其冲击波超压伤害距离减小，因为风速将爆炸浓度稀释，当环境风速为1 m/s 时产生冲击波超压伤害距离最大，超压阈值0.003 MPa 时伤害距离为336 m，室外人员死亡临界值距离为200 m，室内人员死亡距离为174 m。

3.3.4 泄漏方向

选择管道长度16 km，管径1 016 mm，小孔/裂纹（d/D=0.2），输送压力10 MPa，风速5 m/s，大气稳定度为D，分析与水平面呈45°方向、0°方向、30°方向、60°方向、90°五种泄漏方向蒸气云爆炸的影响。其中，与水平面呈0°方向的冲击波危害范围如图16 所示，不同泄漏方向冲击波伤害距离对比如图17所示。

图16 0°方向的冲击波危害范围

图17 不同泄漏方向冲击波伤害距离对比

从图17 可以看出，随着泄漏方向从垂直向水平过渡，冲击波超压伤害距离将增大，而水平泄漏时产生冲击波超压伤害明显比其他泄漏方向距离大，超压阈值0.003 MPa时伤害距离为393 m，室外人员死亡临界距离为268 m，室内人员死亡距离为241 m。

3.4 火球事故后果分析

火球是可燃性气体与空气的混合云团，是可燃范围内遇到点火源发生的瞬态燃烧，一般发生概率相对较低，通常火球产生的瞬时热量以热剂量来表征，PHAST 软件以人体所能承受的热量为依据，设定2.144 54%和4.289 08%浓度边界作为人员安全和死亡的阈值。当管道长度16 km、管径1 016 mm、输送压力10 MPa、风速5m/s、小孔/裂纹（d/D=0.2）、水平方向泄漏，火球产生危害范围如图18 所示，并计算不同工况下火球影响范围见表4。

表4 不同工况下火球事故影响范围

图18 火球事故危害范围

通过模拟计算，当管道输送压力、泄漏孔径、环境风速增大，发生火球的上下限浓度边界将增大。当发生大孔泄漏和断裂泄漏时，火球的上下限浓度边界远远大于小孔泄漏。输送压力10 MPa、风速5 m/s、小孔/裂纹（d/D=0.2）、水平方向泄漏上限浓度边界为331 m，大于相同工况下喷射火和蒸气云爆炸人员死亡半径307 m 和268 m。一旦在燃爆浓度范围内遇到点火源，火球事故将造成更大的伤害。

3.5 事故后果对比分析

根据《油气输送管道完整性管理规范》（GB 32167—2015）中6.1.3.2 相关计算公式，计算某管线运行工况下潜在影响半径，其中管径1 016 mm管道在10 MPa运行压力下其潜在影响半径为318 m，但是标准给定的潜在影响半径并未说明其代表死亡半径还是轻伤半径。根据火灾及爆炸伤害准则，喷射火事故产生的热辐射通量6 kW/m2和蒸气云爆炸产生的冲击波超压0.014 MPa是室外人员致死阈值，结合PHAST软件模拟结果确定室外人员致死范围，对比不同失效后果在不同工况条件下致死情况，结果见表5。

表5 不同事故后果对室外人员致死范围

通过模拟计算火球造成的伤害半径最大，蒸气云爆炸最小。当发生小孔垂直泄漏时，造成的人员伤亡最低。对比火球最大伤亡半径和潜在影响半径发现，当输送压力10 MPa、风速5 m/s、小孔/裂纹（d/D=0.2）、水平方向泄漏，其死亡半径大于潜在影响半径，并且随着泄漏孔径和环境风速增大，死亡半径更大，因此GB 32167—2015中潜在影响半径设置略为保守。

4 结 论

（1）采用PHAST 软件对喷射火、火球、蒸气云爆炸等事故后果进行数值模拟，计算了不同工况下室内及室外人员的伤亡范围。

（2）影响火灾爆炸事故最严重的因素是泄漏孔径，通过计算可知造成人员伤亡半径的影响大小：火球＞喷射火＞蒸气云爆炸。

（3）根据GB 32167—2015计算某管线运行工况下的潜在影响半径，管径1 016 mm在10 MPa运行压力下其潜在影响半径为318 m，危害范围略低于模拟值，因此GB 32167—2015 中潜在影响半径设置略为保守。

（4）火灾爆炸事故中造成人员伤亡距离室外大于室内。通过对泄漏事故影响范围研究，重点从杜绝点火源、减少泄漏量、人员疏散等方面减轻事故后果。