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    高压燃气管道破裂的定量风险分析_高压燃气管道材料

    时间:2019-09-13 08:22:06来源:佩佩美文网 本文已影响 佩佩美文网手机站
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    第40卷 第5期2007年5月天 津 大 学 学 报JournalofTianjinUniversityVo.l40 No.5

    May2007

    高压燃气管道破裂的定量风险分析

    赖建波,杨 昭

    (天津大学机械工程学院,天津300072)

    摘 要:高压燃气管道破裂将会危及到破裂点附近的生命财产安全.管道泄漏率是分析和评价管道破裂事故的前提和基础.将复杂的泄漏率模型进行简化,由简化模型得到的计算值与复杂模型计算值之间的最大偏差为9.30/.0基于该简化模型得到的气体喷射扩散模型,其计算值与复杂模型计算值之间的最大偏差为180/.管道发生火焰喷0射时,其危险域的计算值与实际值之间的最大偏差只有4m.研究表明,管道破裂危险域是与气体泄漏率的1/2次方成正比,与输气压力的1/2次方成正比,与管径的5/4次方成正比,与破裂管长的1/4次方成反比.关键词:天然气管道;气体泄漏;危险域;泄漏率

    中图分类号:TE832 文献标志码:A 文章编号:049322137(2007)0520589205

    QuantitativeRiskAnalysisofHazardAreasAssociatedwithRupture

    ofHigh2PressureNatural2GasPipelines

    LAIJian2bo,YANGZhao

    (SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

    Abstract:Theruptureofhigh2pressurenatural2gaspipelinecanthreatenpeopleandpropertyinthemimediatevicinityofthefailurelocation.Itismiportanttoestmiatethemassflowrateofpossibleaccidentalleakagefromthegaspipeline,inordertoperformthehazardanalysisortheriskmanagementinthegaspipelinesystem.Asmiplifiedmodeltoestmiatetheleakageratefromaruptureofgaspipelinewasproposed.Themodelhadsomepositivedeviationsfromthetheoreticalcomplexequations,andthemaxmiumdeviationbetweenthemwas9.30/0.Basedonthesmiplifiedmode,lagasjetdispersionmodelwasobtainedwiththemaxmiumdeviationof180/rom0fthetheoreticalcomplexequations.Whengasjetfirewasgeneratedfromarupturedgaspipeline,themathemati2calmodelofhazardareabasedonthesmiplifiedmodelhadthemaxmiumdeviationof4mfromdamageareasofrealaccidents.Theresultsshowthathazardareaisdirectlyproportionaltotheleakagerateraisedtoahalfpow2er,totheoperatingpressureraisedtoahalfpower,tothepipelinediameterraisedtofive2fourthspower,butinverselyproportionaltothepipelinelengthraisedtoaquarterpower.Keywords:natural2gaspipeline;gasleakage;hazardarea;leakagerate

    随着经济的发展和人民生活水平的提高,城市和工业用燃气日益广泛.天然气是一种洁净卫生且使用方便的燃料,主要依靠管道系统输送.天然气管道在运

    行过程中可能会受到多种因素侵扰,如内外腐蚀、机械撞击和第三方破坏等,使得管线发生破裂,从而造成巨大财产损失甚至人员伤亡.管道泄漏率研究是分析和

    评价泄漏气体危害后果的前提和基础.气体泄漏是个复杂过程,另外,由于摩擦力的存在,使得泄漏过程的分析更加复杂化.国内外有学者对管道泄漏率进行

    过深入研究,但大多数模型都较为复杂而不便于工程上应用

    [2)3]

    [1]

    .韩国学者在假定管内气体做一维稳态绝

    热流动的基础上,提出了高压管道的简化泄漏率模型,

    收稿日期:2006204228;修回日期:2006211210.

    基金项目:国家自然科学基金资助项目(50376048);教育部博士点基金资助项目([1**********]);天津市科技发展资助项目(043112411);211

    二期学科建设项目.

    作者简介:赖建波(1977) ),男,博士研究生,tjuljb@126.com.

    #590#

    天 津 大 学 学 报 第40卷 第5期

    由于该模型未考虑气体流动的动能项,使得简化模型的计算结果与未简化模型间的最大偏差达到了200/0.

    天然气管道发生泄漏后,将产生各种各样的危害后果

    [5][4]

    5Q/Q+5u/u=0(3)

    ,其中发生气体喷射扩散和喷射火焰的概率分

    [6]

    将式(3)代入式(1),可得

    222

    -5p-fFQu5L=-u5Q(4)

    d

    1/C

    由于气体做绝热流动,故有Q=Q,则式(4)0(p/p0)化为

    1/C

    别为0.8和0.1.为了提高管道运输的安全性,对输气管道进行定量风险性评价已成为一项紧迫而重要的

    任务.笔者通过研究燃气管道破裂时的泄漏率模型,利用气体射流动力学理论推导出泄漏气体的喷射扩散模 -fFQ0()

    p0

    u

    2

    0-15L=1-u2Q)([]5p

    dCp0p0

    (5)

    型.以目标所能承受的热辐射强度为热毁伤阈值,研究管道发生喷射火焰时的危险范围,并分析管道输气压力、管径以及管道破裂位置对气体泄漏危险域的影响.

    1 管道泄漏率研究

    天然气管道破裂模型如图1所示.设管道破裂点与输气点间的距离,即破裂管段长度为L,用下标1和2分别表示管道输气点位置和破裂点位置,下标a表示环境参数.管内天然气和外界空气的参数见表1

    .

    图1 天然气管道破裂示意

    Fig.1

    Sketchoftherupturednatural2gaspipeline表1 288K时甲烷和空气的物性

    Tab.1 Physicalpropertiesofmethaneandairat288K

    甲烷比热容/

    甲烷密度/

    甲烷黏度/甲烷燃烧热/空气密度/

    (J#mol-1#K-1)(kg#m-3

    )(N#s#m-2)(J#kg-1)(kg#m-3)28.33

    0.68

    1.08@10-5

    5.00@107

    1.22

    假定:¹气体在管道内做一维稳态绝热流动(忽略气体与管道间的热交换);º管道内天然气服从理想气

    运动规律.天然气在管内流动的动量守恒方程为

    -5p-Sf4

    d

    5L=Qu5u

    (1)

    式中:S2

    f为因管壁摩擦而产生的切应力,Sf=fFQu/2,其中f[4]

    F为范宁摩擦系数,表达式

    fF=

    1

    4[1.14-2ln(E/d)]

    2

    (2)式中:E为管道的平均粗糙度,对于商用钢管,通常取管道的粗糙度为46Lm;d为管道直径,m.

    根据管内气体流动的连续性,有

    式中:u为管内气体流速,m/s.将其用气体质量流量Qp来描述

    u=4Q2

    p/(QPd)

    (6)

    将式(6)代入式(5),两边积分并整理得

    2

    p[1-(p Q00C/(C+1)2/p0)

    ]

    p=

    Pd

    4

    [2fFL/d-(1/C)ln(p2/p0)]

    (7)

    燃气管道发生破裂时,气体是以音速还是亚音速从破裂处泄漏可根据破裂点2的临界压力比(criticalpressureratio,CPR)来判断

    [2]

    CPR=p/pC/(C-1)

    a2c=[2/(C+1)](8) 取天然气的绝热指数C=1.42,则位于破裂点2处的气体压力超过1.9倍的大气压时,泄漏气体的质量流量可用下式计算

    2

    Q=CPd4QC+1)]

    hdC2p2[2/(= CPd2d4

    CQ0(p2/p0)p2[2/(C+1)](9)

    式中:Cd为气体排放系数,当管道发生破裂时,认为有效泄漏孔径就等于管道直径,因此Cd取为1.气体在管内流动满足质量守恒,即破裂处泄漏的气体流量等于管内的气体流量,即 Qh=Qp

    将式(7)和式(9)代入上式得

    (C+1)/C

    (d/2fFL)[1/(C+1)][1-(p2/p0)]

    1-(d/2CfFL)ln(p2/p0)}= (p(C+1)/C

    (C+1)/(C-1)

    2/p0)[2/(C+1)](10)

    令L

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