埋地管道火灾后果模拟分析

石一丁

(劳氏瑞安咨询(北京)有限公司，北京 100013)

埋地管道火灾后果模拟分析

石一丁

(劳氏瑞安咨询(北京)有限公司，北京100013)

应用三维CFD火灾模拟软件KFX对国内某天然气站场埋地管道破裂导致的火灾进行模拟。结果表明KFX适用于陆上大型喷射火模拟，并且模拟结果较为准确。研究还表明三维CFD软件能分析地理环境和障碍物对火灾后果的影响。通过对阀室埋地管道的火灾模拟，分析了风速对火灾危险范围的影响。确定了不同风速下火灾危险距离。

埋地管道 火灾模拟 CFD 危险距离 KFX

管道是石油天然气重要的输送工具之一。埋地管道由于腐蚀、自身缺陷、使用损耗、地理埋藏条件、外力等因素，会发生泄漏事故。如果泄漏量较大，会发生火灾或爆炸事故，给人民生命安全造成威胁，给国家和企业造成财产损失。一旦发生管道火灾爆炸事故，如何确定安全距离是进行人员疏散和救援的关键。因此，研究埋地管道破裂后的火灾或爆炸后果，对确定事故危害范围及邻近设施的安全距离，防止事故蔓延及进行周围人员的疏散和救援尤为重要。

在进行火灾后果分析方面，目前主要有3种常用方法：实验法、经验公式法和数值法。在对研究结果准确度要求日益提高的情况下，数值法通过将求解方程离散化，使得无法获得解析解的传热传质问题可以通过计算机求解大规模偏微分方程，在这种情况下，计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)软件的开发和应用而得到了快速发展。CFD技术在经过数十年的发展，在火灾爆炸模拟分析领域得到了长足的发展，许多专业模拟软件被开发并用于工程应用领域。

本研究将应用CFD技术，对埋地管道破裂后导致的火灾后果进行模拟。通过对国内发生的一起埋地管道火灾事故进行模拟并与现场调查结果进行对比，评估CFD软件的准确性。进而分析埋地管道发生破裂和火灾事故后，火灾影响范围和影响因素。

1 模拟软件及方法

应用专业的火灾模拟软件KameleonFireEx (KFX)进行火灾的模拟计算。KFX是一款专门用于烃类火灾模拟的三维CFD软件，在通风、气体扩散、和火灾模拟方面处于国际领导地位。

KFX由挪威科技大学(NTNU)，SINTEF和ComputIT公司主导开发，得到国际上众多石油天然气公司、工程公司、风险管理公司和科研院所的资金和技术支持，包括：StatoilHydro, Total, ENI-group, ConocoPhillips, Gaz de France, Ruhrgas, BP, Sandia National Laboratories等。KFX在石油化工等领域已经有了近40年的应用历史。已经通过大量实验进行验证。其结果准确性得到世界众多机构的认可，广泛用于陆上及海上石油化工装置及工程设施的风险评估及设计工作。被认为是工业领域烃类火灾和气体扩散CFD模拟软件的领导者。

本研究将选取两种地理环境进行埋地管道破裂后的火灾后果模拟。分别为天然气分输站和阀室。

对国内某天然气分输站埋地管道火灾事故，通过事故现场勘查调研，创建三维几何模型。通过事故方提供的事故当天压力监测数据，反推得到泄漏流量。通过查阅事故当天的天气记录，确定风向和风速，对火灾事故进行三维CFD模拟。通过对结果进行分析，验证软件的准确性和适用性。

对阀室埋地管道火灾模拟，通过选取真实的管道直径及压力，确定泄漏速率。通过对东风风向的3种风速2，10，18 m/s进行火灾模拟，确定危险范围以及风速对危险范围的影响。

2 结果与讨论

2.1 某天然气分输站埋地管道火灾事故模拟

2.1.1几何模型

建模主要考虑了以下3个方面：①分输站周围山体及地形；②埋地管道断裂后形成弹坑及对分输站墙体的破坏；③分输站工艺设施及建筑，站内地形。

根据现场勘查调研及设施所在区域地形图和站场平面布局图，创建三维几何模型。创建的三维几何模型见图1。图1左图为站场所在地理环境鸟瞰图，右图为站场局部图。

图1 三维几何模型

2.1.2火灾场景设置

埋地管道断裂位置为站场西北侧墙外。管道破裂后，形成弹坑，最宽处约为10 m，最窄处约为4 m，深约2 m。管道断裂后依然处于水平状态，泄漏方向与地面基本平行。模型中根据实际情况创建了弹坑，泄漏方向为沿着管道的水平方向，见图2。

根据事故当天的实际监测数据，推算泄漏速率为643.46 kg/s；当天的天气情况为：天气晴，西北风，风速6 m/s，温度-2～-15 ℃。

根据工艺参数，泄漏天然气组分简化为甲烷95%，乙烷4%，丙烷1%。

图2 弹坑示意

2.1.3计算结果

图3为喷射火焰三维图。虽然泄漏方向为水平，但由于弹坑的阻碍作用，沿弹坑两侧形成了向上的气流，从而形成向上的火焰，而非水平火焰。由于泄漏速率较大，因此火焰很高。

图3 站场埋地管道喷射火焰示意

热辐射通量分布等值线图表明，泄漏点附近直径约10 m范围内热辐射通量达到了100 kW/m2，泄漏点处沿北侧围墙受到了高强度热辐射，围墙部分墙体在高强度热辐射作用下发生变化。模拟结果与实际情况比较符合。泄漏源附近直径160 m范围内热辐射通量达到12.5 kW/m2，并且由于西北风向的作用，站场内受到高热辐射影响的范围较大。站场西侧67 m处山坡上有灌木被引燃的痕迹，也说明火灾模拟结果与现场过火范围比较符合。

模拟显示站场东门口处的热辐射强度较低(10～12.5 kW/m2)，但现场过火痕迹表明所受热辐射强度较大，根据东门附近现场发现的烧毁的汽车位置，其所受热辐射通量约为12.5～25 kW/m2，因此推测为汽车被引燃后形成的二次火灾对热辐射产生了叠加效应，导致东门附近热辐射通量增大，受损严重。

通过模拟结果与现场情况对比可以判断，应用KFX进行火灾模拟的结果与实际情况比较符合，KFX可以用于陆上大尺度喷射火火灾场景模拟。同时，由于三维CFD软件可以考虑障碍物等对气流流场的影响，证明了正是由于弹坑的影响使得水平气流走向发生变化，形成竖直方向的火焰。

2.2 阀室埋地管道火灾模拟及安全距离计算

2.2.1几何模型

根据国内常见阀室，创建三维几何模型，见图4，模型同样考虑了弹坑的尺寸。

2.2.2火灾场景设置

图4 阀室几何模型

管道压力假设为9 MPa，管道直径为0.3 m，假定管道发生全孔径断裂。环境温度假定为10 ℃。由于不考虑阀室周围地形影响，因此可以对一个风向进行模拟。本研究中对东风风向的3种风速2，10，18 m/s进行火灾模拟。分析不同风速对火灾后果及安全距离的影响。

假设天然气组分为甲烷95%，乙烷4%，丙烷1%。

2.2.3计算结果

风速分别为2，10，18 m/s的火灾模拟结果见图5、图6和图7，图中表示了火焰三维效果和热辐射通量在地面上方1.5 m高度处的水平分布(左图)以及热辐射通量为12.5 kW/m2的等值面(右图)。

图5 风速2 m/s的火灾模拟结果

图6 风速10 m/s的火灾模拟结果

图7 风速18 m/s的火灾模拟结果

通过以上结果可以发现，火焰在下风向蔓延，热辐射影响范围具有一定的方向性，即沿着泄漏方向和下风向的火灾影响范围较大。随着风速的增大，火焰逐渐贴向地面，其热辐射影响范围也随之发生变化。火灾影响范围的方向性受风速影响较大，当风速较高时，下风向火灾影响范围明显高于上风向；而风速较小时，差异较小。

表1为热辐射通量12.5，35，100 kW/m2的影响范围边界与泄漏点之间的最大距离。通过表1可以发现，随着风速的增大，热辐射影响范围先减小后增大。原因是由于风速的增大，火焰越来越贴向地面。由于可燃气体燃烧需要消耗氧气，火焰越接近地面，从周围环境补充氧气的速度越慢，燃烧也就相对不够充分，导致热辐射强度降低，从而使得热辐射影响范围缩小。而当风速进一步增大，促进了氧气与可燃物的混合，热辐射影响范围又有所增大。

根据2013年5月26日发生于江西萍乡上栗的西气东输二线江西上栗县赤山镇段分支的天然气管道火灾爆炸事故。通过对现场目击者和伤员的采访，当时有一位距离爆炸点100 m的一位居民，感觉全身灼痛。这也间接对火灾模拟结果进行了验证。

表1 热辐射影响范围 m

根据表1，可以确定当埋地管道发生断裂而导致火灾事故时，对人员造成死亡威胁的热辐射通量的影响范围。以挪威石油公司为例，认为在热辐射通量大于12.5 kW/m2时，会导致人员死亡。通过对火灾场景的模拟计算，得到各热辐射通量对应的影响距离，这对于确定事故发生时的安全距离及进行人员救援与疏散具有重要意义，同时对于邻近装置的热辐射保护也给出了具体的参考数值。

3 结语

通过对国内某天然气站场的埋地管道断裂导致的火灾事故进行事故火灾模拟，验证了专业三维CFD火灾模拟软件KFX在进行陆上大尺度火灾场景模拟方面的适用性，火灾模拟结果与事故现场考察结果符合较好。同时可以考虑实际环境因素，例如地理环境和障碍物、风向风速、环境温度等对火灾后果的影响。

通过对典型阀室埋地管道的火灾模拟，研究了风速对火灾破坏范围的影响特点，得到了火灾影响距离。进行大尺度火灾实验投入巨大且不宜控制和实现，因此无法通过实验来确定大事故场景下的火灾安全距离。采用CFD软件进行模拟计算可以弥补这一不足，为进行安全区域划分和事故条件下的人员疏散和救援研究提供帮助。

TheSimulationAnalysisonBuriedPipelineFireConsequence

Shi Yiding

(Lloyd′s Ruian consulting (Beijing) Co. Ltd.，Beijing, 100013)

Through three-dimensional CFD simulation with software KFX on the fire damage caused by buried pipeline rupture in a domestic gas station, by comparing simulation results with the scene of the accident investigation, it shows that KFX applies to large jet fire simulation of the land, and the results are more accurate. Studies also suggest that three-dimensional CFD software consequences in geographical environment and obstacles to fire effects of sophistication and advantage. Through the valve chamber of buried pipeline fire simulation, analysis the influence of wind speed scope of fire damage. The fire danger under different wind speed range is also determined in this paper.

buried pipeline; fire simulation; CFD; danger range; KFX

2015-12-10

石一丁，博士，2010年博士毕业于北京理工大学工程力学专业，主要从事通风、气体扩散、火灾和爆炸后果模拟及风险分析工作。