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          管道研究

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          爆炸載荷作用下并行燃氣管道失效概率研究

          來源:《管道保護》2022年第2期 作者:陳國華 徐佳 方順 吳悅 李明陽 時間:2022-4-14 閱讀:

          陳國華1,2 徐佳1,2 方順1,2 吳悅1,2 李明陽3

          1.華南理工大學安全科學與工程研究所;2.廣東省安全生產科技協同創新中心;3.廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院

           

          摘要:隨著城鎮天然氣需求量增加,燃氣管道并行鋪設現象逐漸增多。為避免低概率、高風險事故發生,開展并行燃氣管道失效概率研究,分析失效概率影響因素及參數敏感性。結果表明:并行管道失效概率在設計階段受管道間距影響最顯著,在運行階段則受氣云半徑影響最為顯著;由于其對源管道內壓敏感度更高,因此應盡量控制運行階段并行管道內壓波動,避免峰值過大。

          關鍵詞:并行燃氣管道;蒙特卡洛法;失效概率;參數敏感性

           

          2012年,加拿大哥倫比亞省北部一條燃氣管道破裂爆炸,導致與其并行間距為3 m的一條燃氣管道發生破裂著火,此次事件形成了一個長17 m,寬7.6 m,深1.1 m的火坑[1]。近年來,由于國內城鎮燃氣需求量增加,燃氣管道并行鋪設現象逐漸增多,一旦其中某條管道因泄漏引發的蒸氣云爆炸,極易對其臨近鋪設的燃氣管道造成沖擊進而也發生失效,產生多米諾效應并導致事故后果進一步擴大[2]。因此,基于已構建的并行管道失效概率模型[3],結合蒙特卡洛模擬法進行計算,對并行管道失效概率進行影響因素分析及參數敏感性分析。

          1  并行管道失效概率影響因素

          在并行管道設計階段,影響其事故發生概率的主要因素為管道間距、目標管道埋深、目標管道管徑、目標管道壁厚與土壤重度。管道運行參數中影響其失效概率的因素主要包括初始失效管道(以下簡稱源管道)泄漏氣云半徑、源管道內壓及目標管道內壓。

          2  并行管道失效概率計算

          管材為X70鋼的兩條燃氣管道并行鋪設,管材屈服強度為480 MPa。以源管道發生大孔泄漏為初始失效場景,該場景下并行管道失效概率計算模型相關隨機變量分布規律如表 1所示。采用蒙特卡洛抽樣方法對各隨機變量進行107次隨機抽樣,隨后將各組隨機抽樣值代入并行管道失效概率計算模型進行計算,得到該場景不同參數影響下的并行管道失效概率曲線,如圖 1、圖 2所示。


          表 1 并行管道失效概率模型相關隨機變量統計分布[4-6]


          圖 1 不同設計參數影響下的并行管道失效概率曲線

          圖 2 不同運行參數影響下的并行管道失效概率曲線

          3  并行管道失效概率影響因素分析

          由圖 1(a)和(b)可知,增大管道間距和目標管道壁厚均可以使并行管道失效概率下降。增大管道間距使目標管道受爆炸載荷影響減少,進而使其損傷幾率下降。增大管道壁厚,有利于提高目標管道抵抗外部荷載的能力。同時,壁厚增大也會減少其因管體受腐蝕、施工挖掘與其他環境因素而遭受損傷的可能,進而有效降低并行管道失效概率。

          由圖 1(c)和(d)可知,目標管道埋深與管徑對并行管道失效概率有著相反的影響。對于管道并行鋪設場景,增加埋深可使其降低遭受施工挖掘、地面違規占壓等第三方損壞的概率。由于燃氣泄漏過程中土壤對泄漏燃氣的黏滯作用以及吸收作用,增加埋深也有助于減少燃氣泄漏量,降低目標管道失效概率。由圖 1(e)可知,土壤重度對并行管道失效概率影響較小。

          在管道運行階段,泄漏氣云半徑及管道內壓為并行管道失效概率主要影響因素。如圖 2(a)所示,氣云半徑與并行管道失效概率呈正相關關系。而氣云半徑大小主要取決于源管道泄漏時間,為探究該參數與并行管道失效概率之間的關系,基于文獻[2]的管道燃氣泄漏擴散模型,獲得源管道泄漏時間與并行管道失效概率關系曲線。如圖 2(b)所示,并行管道失效概率隨著源管道泄漏時間的增加而逐漸增大。在源管道泄漏時間較短時,泄漏氣云半徑相對較小,因此目標管道失效概率及并行管道失效概率均較小。而在源管道發生泄漏約2200 s后,由于其產生的爆炸載荷超出管道可承受的臨界值,導致目標管道必然發生失效,目標管道失效概率值趨近于1,此時,并行管道失效概率主要取決于源管道失效概率。由圖 2(c)和(d)可知,增高目標管道內壓促使管道抵抗外部載荷的能力增強,從而有利于使并行管道失效概率下降,而增大源管道內壓,使源管道失效泄漏時燃氣的泄放速率上升,增加了源管道燃氣泄漏量,目標管道失效概率增大,進而使并行管道失效概率上升。

          4  并行管道失效概率參數敏感性分析

          為了提高管道故障預防和事故控制的有效性,對各參數進行敏感性分析。敏感性大小用敏感性指數αi表示,其計算公式如下[7]:


          式中,Ci表示上述影響參數中某參數的取值,ΔCi為一定范圍內該影響參數的變化量,Fp表示并行管道失效概率,ΔFp為由ΔCi引起Fp的變化量。

          令取值分別在5%至25%共5個階梯范圍內波動,得到如圖 3、圖 4所示敏感性分析結果。由圖 3可知,并行管道設計階段各參數敏感性大小排序依次為:管道水平間距、土壤埋深、管道壁厚、管道內徑、土壤重度。在規定波動范圍內,管道間距和土壤埋深對并行管道失效概率影響顯著。



          圖 3 并行管道設計階段參數敏感性分析結果

          圖 4 并行管道運行階段參數敏感性分析結果


          由圖 4可以看出,在規定波動范圍內,并行管道運行階段各參數敏感性大小排序依次為:氣云半徑、源管道內壓、目標管道內壓。并行管道失效概率與源管道內壓之間呈正相關關系,與目標管道內壓之間則呈負相關關系,但由敏感性分析結果對比可知,并行管道失效概率對源管道內壓敏感性更高。

          5  結論

          (1)并行管道設計階段,各參數對并行管道失效概率影響程度從大到小依次為管道水平間距、土壤埋深、管道壁厚、管道內徑、土壤重度。

          (2)并行管道運行階段,影響程度大小排序為氣云半徑、源管道內壓、目標管道內壓。

          (3)并行管道失效概率與源管道內壓呈正相關,與目標管道內壓則呈負相關,但對源管道內壓敏感性更高,因此在管道運行過程中應盡量控制運行階段并行管道的內壓波動,避免峰值過大。

           

          參考文獻:

          [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. 埋地并行交叉天然氣管道爆炸耦合風險分析及評估研究[D].廣州:華南理工大學, 2020.

          [4]中華人民共和國住房和城鄉建設部, 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.輸氣管道工程設計規范:GB 50251-2015 [S]. 北京:中國計劃出版社, 2015.

          [5]中華人民共和國住房和城鄉建設部, 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.給水排水管道工程施工及驗收規范: GB 50268-2008[S]. 北京:中國標準出版社,2008.

          [6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. 壓力管道規范動力管道:GB/T 32270-2015[S]. 北京:中國標準出版社, 2015.

          [7]韓文海,周晶. 腐蝕海底管道可靠性分析[J].石油學報,2015,36(4):516-520.

           

          基金項目:2020年度珠海市科技計劃項目,ZH22036205200013PWC;2019年廣東省中央引導地方科技發展專項資金/廣東省省級科技計劃項目,2019B020208012。


          作者簡介:陳國華,1967年生,教授,1993年博士畢業于南京工業大學學;み^程機械專業,現主要從事過程裝備安全可靠性及風險評價技術方向的研究工作。聯系方式:13660261735,mmghchen@scut.edu.cn。


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