基于随机性的输气管道泄漏后果分析方法研究_曹红强.pdf

2023年6月采输技术DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.03.012基于随机性的输气管道泄漏后果分析方法研究曹红强1，赵年峰2，李世强3，贾伟杰3，李应美1，刘金亮11.中国石油华北油田分公司，河北任丘 0625522.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司石油机械厂，河北任丘 0625523.中国石油华北油田分公司第四采油厂，河北廊坊 065000摘要：针对输气管道泄漏分析和后果分析中存在的随机性，以气体温度、起点压力、泄漏孔径、泄漏点距离起点位置、管输流量等作为泄漏分析中的随机参数，以泄漏速率、风速、大气温度、大气湿度等作为后果分析中的随机参数，基于拉丁超立方抽样方法，通过Kendall相关系数分析各参数对泄漏速率和后果的敏感程度，并结合Monte Carlo模拟和喷射火模型计算伤亡半径。结果表明，泄漏速率对泄漏孔径的敏感性最强，其次为管输流量，泄漏速率出现可能性最大的值为3 000 kg/s；当样本数量1 000时，参数敏感性的排序结果不再发生改变；风速对热辐射强度的影响最大，大气湿度的影响最小；随着远离泄漏点，热辐射强度峰值和伤亡率不断减小，伤亡半径以管道为中心沿两侧对称分布。研究结果可为风险区域划分和事故分析提供实际参考。关键词：随机性；输气管道；泄漏；后果；拉丁超立方抽样Study on the consequences analysis method of gas pipeline leakage consideringrandomnessCAO Hongqiang1,ZHAO Nianfeng2,LI Shiqiang3,JIA Weijie3,LI Yingmei1,LIU Jinliang11.PetroChina Huabei Oilfield Company,Renqiu 062552,China2.Petroleum Machinery Plant of CNPC Bohai Petroleum Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Renqiu 062552,China3.No.4 Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company,CNPC,Langfang 065000,ChinaAbstract：In view of the randomness existing in gas pipeline leakage analysis and consequence analysis,gas temperature,starting pointpressure,leakage aperture,location of the leakage point from the starting point,and pipeline transport flow rate are taken as randomparameters in leakage analysis.In addition,leakage rate,wind speed,atmospheric temperature,and atmospheric humidity are taken asrandom parameters in consequence analysis.Based on the Latin hypercube sampling method,the sensitivity of each parameter toleakage rate and consequences is analyzed by Kendall correlation coefficient,and the casualty radius is calculated by Monte Carlosimulation and jet fire model.The results show that the leakage aperture is the most sensitive to the leakage rate,followed by thepipeline transport flow rate,and the possible maximum leakage rate is 3 000 kg/s.When the number of samples is larger than 1 000,thesorting result of parameter sensitivity no longer changes.The wind speed has the greatest effect on the heat radiation intensity,and theatmospheric humidity has the least effect.As the distance from the leakage point gets large,the peak heat radiation intensity andcasualty rate decrease,and the casualty radius is distributed symmetrically along the two sides of the pipeline center.The results canprovide a practical reference for risk region division and accident analysis.Keywords：randomness;gas pipeline;leakage;consequences;Latin Hypercube sampling输气管道在运行过程中一旦发生泄漏会引发火灾、爆炸等灾害，造成不可估量的人员伤亡、经济损失和社会影响，因此对输气管道泄漏失效后果进行准确科学地评价，对于制定应急预案和开展救援工作具有重要意义1。目前，已有诸多学者对管道泄漏问题进行了研究，罗振敏等2利用DNV PHAST软件，通过高斯烟羽泄漏模型，对天然气站场泄漏危害进行了研究；彭琳等3采用ALOHA软件与多元线性回归相结合的方式，利用控制变量法对影响管道泄漏的各项因素进行了单因素敏感性分析；李云涛等4对比了不同商业软件和模型在计算全管径泄漏时的事故影响范围。以上研究对于完善管道泄漏后果的评价具有重要意义，但均以定性分析为主，即预设固定场景参数对泄漏失效的影响，或在敏感性分析中采用单因素方法。对于实际管道运行而言，泄漏地点、泄漏孔径大小、泄漏时管内压力等诸多参数并不固定，管道泄漏具有突发性和随机性。基于此，为降低管道泄漏后果评价的片面性，在梳理管道泄漏模型的基础上选取随机参数，基于拉丁超立方抽样（LHS）方法获得特定分布的样本集，通过Kendall相关系数分析各参数对泄漏速率的敏感程70第49卷第3期采输技术度，最后结合Monte Carlo模拟5-6和喷射火模型估算泄漏造成的热辐射强度和伤亡半径。研究结果可为管道周边区域风险等级的划分提供实际参考。1随机性分析模型1.1泄漏模型泄漏模型根据泄漏孔径的大小可分为孔隙模型、大孔模型和管道模型7-8。其中，孔隙模型假设管道为固定容量的压力容器，管道泄漏时的内压与泄漏速率无关，气体为等熵膨胀，适用于（00.2）D（D为管道内径，m）的情形；管道模型适用于管道完全破裂的情况，此时泄漏孔径等于全管径，适用于（0.81.0）D的泄漏孔径；大孔模型介于孔隙模型和管道模型之间，适用于（0.20.8）D的泄漏孔径。根据随机样本集中泄漏孔径的大小选择泄漏模型。气体泄漏速率计算是进行事故风险评价的基础，对于孔隙模型，当气体为音速流动时，泄漏速率为：Q=C0AorP2MkRT2()2k+1k+1k-1（1）当气体为亚音速流动时，泄漏速率为：Q=C0AarP2MRT22kk-1|PaP22k-|PaP2k+1k（2）式中：Q为泄漏速率，kg/s；C0为无量纲泄漏系数，与泄漏孔形状有关，音速和亚音速流动时的C0分别取1和0.64；Aor为泄漏孔面积，m2；P2为泄漏处的管道压力，Pa；M为气体摩尔质量，取0.016 kg/mol；k为气体绝热系数，取1.33；R为气体摩尔常数，取8.314 Pam/(molK)；T2为泄漏处气体温度，K。鉴于孔隙模型对管内气体影响较小，有T2=T1、P2=P1，则泄漏速率保持恒定不变（T1和P1分别为起点的温度和压力）。对于大孔模型，基于气体流动性方程，可得到：G=Ma1P1kMRT1=Ma2P2kMRT2=AorADP2kMRT2()2k+1k+1k-1（3）式中：G 为单位面积质量流量，kg/(m2s)；Ma1和Ma2分别为管道起点和泄漏处的气体马赫数，无量纲；AD为管道截面积，m2。根据式（3）计算Ma2，结合气体流动方程，采用牛顿迭代算法计算Ma1，再根据式（4）计算管道泄漏处的参数，最后代入式（1）、式（2）计算大孔模型下的管道泄漏速率。|Yi=1+k-12Ma2i(i=1,2)T2T1=Y1Y2P2P1=Ma1Ma2Y1Y2（4）式中：Yi为中间参量。对于管道模型，泄漏孔径较大，此时 P2=Pa（Pa为环境压力，Pa），则泄漏速率为：Q=C0Aor2kM(k-1)RT2-T1|T1P1-|T2P2（5）先通过牛顿迭代法求得T2，再代入式（5）求泄漏速率。1.2喷射火伤害模型高压天然气泄漏后按照是否立即点燃，后果可分为闪火、喷射火和蒸气云爆炸等类型。其中，喷射火会立即对管道周边的人和设备造成损伤，较闪火和蒸气云爆炸的危险程度大，具有突发性和不可预见性，故本文以喷射火伤害模型为基础开展随机性分析。将喷射火模型假设为下窄上宽的圆锥形，鉴于气体在管道中流速远小于泄漏口处的射流速度，且在泄漏时泄漏口处的压力迅速下降，形成减压波，使泄漏口气体回流，介质流速进一步降低，故忽略射流的水平速度，将其近似为垂直射出，同时根据横向风的条件，喷射火焰有所偏移9。首先，计算喷射口的射流速度、火焰长度、火焰倾角和火焰高度，随后根据火焰锥体长度计算火焰释放的热辐射强度10，见下式：q(r)=aHcFv（6）式中：q(r)为距离火焰中心r的某空间热辐射强度，W/m2；a为大气传输因子，无量纲，与风速、大气温度、湿度等气象因素相关；为热辐射因子，无量纲；Hc为介质的燃烧热值，J/kg；Fv为与视曹红强等：基于随机性的输气管道泄漏后果分析方法研究712023年6月采输技术角系数有关的变量，m-2。1.3LHS方法LHS 方法可与 Monte Carlo 模拟相结合，通过对输入的概率分布进行分层或分区间，随机抽取样本，重建概率分布。与随机抽样方法相比，保持了均匀抽样，避免了数据聚集11-12。以均值为0、方差为1的标准正态分布验证LHS方法和随机抽样方法，样本数量为500个，见图1。可见LHS方法的数据分布更符合正态性，而随机抽样方法在部分区域出现了频数集中或缺失的现象，说明LHS方法具有一定的优越性。2520151050频数/次（b）随机抽样方法图1不同抽样方法的抽样结果对比（a）LHS方法抽样数值0123-2-1302520151050频数/次抽样数值012-3-2-11.4基于随机性的泄漏后果分析方法将随机性分析分为泄漏评价和后果评价两部分，根据本文1.1节，影响泄漏速率的主要因素有管输介质特性（包括气质组成、密度）、泄漏点裂口形状（形状是圆形、三角形还是长方形）和管道运行条件（包括温度、压力和流量）等。对于输气管道，多为埋地敷设，其管输介质基本固定，穿孔时的泄漏孔形状多为破裂性圆形，故筛选后影响泄漏速率的主要参数取气体温度T1、起点压力P1、泄漏孔径Dor、泄漏点距离起点的位置La和管输流量Q0。对于后果评价部分，根据本文1.2节，影响后果的主要因素有泄漏速率、气象条件和地形地貌（是否存在地面建筑物或障碍物）等。对于泄漏速率，可将泄漏评价部分的结果传递