（油气储运工程专业论文）油气管道事故后果定量分析方法研究.pdf

薨文摘要 s n b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： 1 n s t r u c t o r ： s t u d yo hm e t h o do fq u a n t i t a t i v ec o n s e q u e n c ea n a l y s i so fl o n g - d i s t a n c eo i l a n dg a st r a n s m i s s i o np i p e l i n e o i l g a ss t o r a g e t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g 孙l ipni2ngqu蚋an啦(signa嘲turue。)l黜uoj i n h e n g ( s i g n a t u r e ) 墨! 星鼍垃蜘膨， 兰：兰：竺壁些簦丝篁 ：。 a b s r l t a c i t h ef a i l u r eo fo i la n dg a sp i p e l i n ec a nl e a dt ov a r i o u so u t c o m e s ，s o m eo fw h i c hc a np o s e s i g n i f i c a n tt h r e a tt op e o p l ea n dp r o p e r t yi nt h ei m m e d i a t ev i c i n i t yo ft h ef a i l u r el o c a t i o n t h e g o a to fc o n s e q u e n c ea n a l y s i si st oc a l c u l a t ea n dp r e d i c tm e d i u ml o s s ，p e r s o n n e lc a s u a l t y ， p r o p e r t yl o s sa n ds e v e r i t yo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb yp r o p e rm a t h e m a t i c a ia n dp h y s i c a l m o d e l s a c c o r d i n gt ot h er e l e a s ec h a r a c t e r i s t i c ，t h er e p r e s e n t a t i v er e l e a s ep a t t e r n so fo i la n dg a s p i p e l i n e sa n dc o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l sr e g a r d i n gt h er e l e a s eo fm e d i u m ( g a s e sa n d l i q u i d s ) ，t h ec o m p o s i t ee f f e c to ff a i l u r ei sa n a l y z e db yu s i n gm e t h o d so fe q u i v a l e n tm o n e ya n d s e v e r i t yi n d e xt h ef a i l u r ec o n s e q u e n c eo fac e r t a i ng a sp i p e l i n ei sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e da n d c a l c u l a t e dw i t ht h i sm e t h o d t h er e s u l t sc a r lb eo fs i g n i f i c a n tt ot h eo w n e ro fp i p e l i n e b a s e do n t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc h i n a ，f a i l u r ec o n s e q u e n c ea n a l y s i sm e t h o d ，s u i t a b l et oo u ri d e a ，i s p r i m a r i l yp r o p o s e d ， k e yw o r d s ：r e l e a s eo f o la n dg a sp i p e l i n e ；f a i l u r ec o n s e q u e n c e ；r i s ka n a l y s i s ； c u r r e n ts i t u a t i o ho fc h i n a t h e s i s ：d e v e l o p m e n ts t u a y i i 主要符号表 主要 守号表 捺放孔蠢积 气体的声速 常数 气体瓣放系数 管道检测和维护的直接费用 损失介质费粥 维修赞用 中断费用 清理赞鼹 财产损伤费用 管道赢径 摩擦系数 流体潦擦损失 气体质量滚率 射流火焰高度 燃料的燃烧值 热辐射强度 当量馥币 严重，陡指数 比冲数 质量 分子 总人 量 瀛髂压力 初态、终态压力 人员伤害凡率草位 万元 万元 万元 万元 万元 万元 m j k g k g m 2 s 1 p o s k g k g k m o l s 玉 吖 沁元 m 雠 洲所 质数 体体亡 隧 阳 叠 。q露厂，g h致，_气t m m 。尹档只 主要符号表 冲击波入射超压 泄漏率 t n t 的爆热 初态、终态温度 流体的平均流速 流体对外做的轴功 希腊子母 口 流速修正系数 p 流体的密度 k g m 3 o - x ，c r y o zx ，y ，z 方向扩散参数m y - ，y ： 横向、垂直方向扩散参数回归指数 口t ，口z 横向、垂直方向扩散参数回归系数 口b 只娥 眦k 毗 w 疋 只绋岛n 。 学位论文创毅性声明 本人声嗡所呈交的学位论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及敬得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，硷 文中不包含熟他人已经发表戚撰写过的研究成果：也不包含为获得西安石油大学 或其它教育掘撼数学位或证书嚣使越过的毒孝料。与我一目工馋瞧固恚对本磅究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明劳表示了谢意。 牵请学位论文与资料著有不实之处，本人承毽一切稳关责任。 论文作者签名：王1 苷熬 日期：硎s 羊5 目，；日 学位论文使用授权的说明 本人完全了鳃西安石油大学有关保露和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发 表、复镁、公开耀览、氆阀啦及孛请专剥等权利。本久离校蜃发表或镬鼹学僮论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：墨曰起 导师签名 辎 日期：苎竺互墨互墨，；8 日期：型芝。哆 注：如本论文涉蜜，谤在缓鼹授投瓣说明中疆出( 鸯释蜜年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 石油和天然气是地球赋予人类的宝贵能源财富，在近百年中为人类的物质文明发展和 技术进步发挥了巨大的作用。油气输送管道是能源输送的一种较安全的运输方式，然而油 气输送管道服役条件比较恶劣，管道失效事故不可避免。而且输送介质大多具有易燃、易 爆和易扩散的特性，管道失效后会对人身安全、环境造成重大威胁，给国民经济造成巨大 的损失，而且也给油气生产企业造成数目可观的经济损失，并严重影响油气生产企业的社 会形象。 根据美国国家会计总局2 0 0 0 年5 月的一份管道安全报告，1 9 8 9 年至1 9 9 8 年期间， 管道事故数量每年增加4 0 ，造成2 2 6 人死亡。美国管道系统仅2 0 0 0 年1 年，管道泄漏 量就达到1 8 0 万加仑，造成了德克萨斯、肯塔基州莱克星顿以及弗吉尼亚州里士满饮用水 源的污染以及密执安州底特律西部5 0 0 户居民被强制疏散。2 0 0 0 年8 月1 9 日，新墨西哥 州卡尔斯巴德附近一条5 0 年的老管道发生爆炸，夺去了1 1 个在附近野营的人的生命。 目前我国在役长输油气管道总长1 7 ，0 0 0 k m ，在建和拟建西部十余条管道数千公里。 当前面临的严重问题是，在役管道大多数是6 0 7 0 年代建设的，现己进入中老龄期，处于 事故多发阶段。 因此，管理者和公众对确保油气管道的安全输送和减少突发性灾难事故的期望与日剧 增。 1 2 失效后果分析的基础知识 风险是一种具有不确定属性的概念，失效概率和失效后果是其构成要素。风险分析是 风险评价的一部分，是根据管道系统的有关资料和信息，对事故的概率及其造成的影响和 结果进行分析，并采用科学的方法分析失效概率和失效后果，为风险评估作准备。 在风险分析过程中，除了要计算出失效概率外，很重要的一步就是要估算失效后果。 所谓的失效后果，即管道发生事故后给管道沿线地区的居民、生态环境带来的影响及管道 输送部门停产等，还要考虑当前危险和长期危险以及给社会带来的经济损失和政治影响。 分析归纳后，油气管道失效后果主要从三方面考虑：对人身安全的影响、对环境的影响以 及经济损失等。其中对人身安全的影响主要考虑火灾所造成的人员伤害程度、死亡概率等； 对环境的影响则考虑介质泄漏对周围环境和生态系统的影响：经济损失则包括管道失效所 造成的产品泄漏损失、管道修补损失、运行中断损失、管道周围财产损失以及各种赔偿费 用等。 穗安石油大学琰士学霞论文 1 3 失效后果分析方法 失效后果分析作为风险分析技术的重要组成部分，是随着后者的发展而发展的。风险 分摄披术最早予二世纪七卡年找开鲶 二美髫孩逛厂安全性分叛。随后在化学工盟、涵气 管道输送、环境保护等方面得以推广和应用。风险分析方法包括定性分析方法、定量分析 方法翻介于两袭之趣懿半定量分享厅方法瞳与之媚对应，失效最果分辑也包攒三秘方法： 定性分析方法、定量分析方法和半定缴分析方法。 1 3 。1 滔采定性分拼方法 定性分板方法是艨暴分磺熬一季孛方法，该方法对失效后鬃避萼亍定性分析，按照失效后 果严重性把后果y d l j g 【险矩阵的行或列( 如表1 1 ) ，通过风险矩阵中的风险指数来评价风险 鲍大小，进行风险排序( 如表1 2 ) 1 2 】。文献 2 】中把后暴的严重性分为赢、中、低三个等级。 失效后果损失一千万美元以上定义为商：低于两百万美元定义为低：介于两者之间为中等。 表 ， 定性鼹蹬指数矩阵 、失效后果 失效概毒 中低 r 高 60 4 中 53 2 低 ll 1 表 。2 定馁风蹬搀痒 风险类别 描述 离风险( 5 ，6 ) 中等风险( 3 ，4 ) 饿风险( 1 ，2 ) 需要立即采取攒麓降低风险 需要在风险和费用之间进行平衡，决策是否采取措施 可以接受的风险，不需要采取任何接旌 定性分析方法具有直观、简便、翁操作的特点，假主观性较强，难于说服民众和有关 管理部f 1 相信最终的分枣厅结果。 1 3 2 艏果半定量分析方法 在定性分祈的基础上，对失效后果的影响因素作进一步分析，发展成半定凝分析方法。 半定量分板方法将管道失效后果的影响因素避行权重处理，形残风险臻数，从两使风除分 析的准确性得到提高。 半定量分掇方法中最常用的是专家打分法，最具代表性的是m u h t b a u e t w k 撰霹鲍 管道风险管理手册，详细叙述了管道风险分析模型和各种分析方法。该方法从两个方 面考虑失效事故的影响后果，一是对社会与公众的危拳：二是对管道公司造成的经济损失 【3 。 第一章绪论 吼 埋地管道腐蚀破坏后对社会与公众的危害大多是以一种问接形式表现出来，如对环境 的污染、给周围企业、居民的生产、生活带来的影响以及造成的人身伤亡等，这些都是很 难以具体金额体现出来。为此，可采用泄漏影响系数来描述其风险后果。泄漏影响系数可 由介质危害和扩散系数两部分表示。 介质危害可以从泄漏物的可燃性、活化性、毒性等三方面进行评分，每项分数越高危 害越大，而其残留物的长期影响可根据环保部门的规定进行评分。介质危害可表示为以上 各项的加权和。 管道扩散系数可以从泄漏状况和人口状况两个方面进行评分。由于原油泄漏时大多仍 保持液态，因此要考虑管道周围的土壤渗透率及原油的泄漏量。在评估人口状况时，主要 考虑管道周围一定区域内的人e 1 分布情况，人口越稠密，则评分越高。 管道发生泄漏事故后，对油田生产单位、管道公司将造成一定的经济损失，这部分损 失包括：管道修复费用；泄漏介质费用：由于停输造成的损失；事故人员伤亡赔偿费用； 财产损失费用；环保赔偿金等。这部分损失要根据不同公司、不同地区、不同情况而定， 应该具体问题具体分析。 将失效原因指数和与泄漏影响系数相除就得到相对风险指数。对管道的每一个管段都 重复上述过程，得到相应的风险值，从而得到管道沿线的风险大小，为管道管理者提供决 策依据。 1 3 3 后果定量分析方法 后果定量分析方法是后果分析的高级阶段。它是在大量信息和数据的支持下，经过缜 密的物理模拟和严格的数学分析，对失效后果进行精确的、数值化的评价，涉及到数学、 力学、热力学、流体力学、材料学和油气理论等多种学科的知识，分析结果的精确性取决 于原始数据的完整性、数学模型的精确性和分析方法的合理性。 失效后果的评估步骤如图1 1 所示。总费用是商业相关费用和地点相关费用的总和， 商业相关费用包括：维修费用、输送中断损失费用和介质损失费用，地点相关费用包括泄 漏清理费用和财产损失费用。从图中可以看出，财产损失费用是根据潜在灾害的强度( 例 如火灾的热强度) 计算的，这是与失效地点财产种类的损伤闽值比较而言的。当量泄漏体 积是指由于失效泄漏的未回收部分的输送介质体积，需要根据泄漏地点的环境敏感性进行 调整。用来计算死亡人数的模型和计算财产损失费用的模型一样。图中的虚线表示模型考 虑了与人员死亡和环境污染( 例如：赔偿和罚金) 相关的直接费用。在模型中，也包括一 个将三种不同后果度量方式合成为一个参数一综合影响的模型。 西安石油大学硕士学位论文 图1 1 失效后果分析步骤 油气管道失效形式很多，特定地点特定时间发生的事故都有其特殊的条件。这些条件 包括：失效地点、失效模式、输送介质和失效发生时的天气状况。出于这些参数是随时问 变化的，失效后果的估计值只能是有条件的输出量，并用失效概率进行加权。由于涉及的 参数较多，计算量很大，为了节省时间，n e s s i m 和h o n g 提出采用影响图方法 4 】( i n f l u e n c e d i a g r a mm e t h o d o l o g y ) 。 后果分析影响图模型是用来计算特定管段费用、死亡人数、当量剩余泄漏体积和综合 影响的一种方法。对每一种情况，都需要把各种失效模式重复计算。 为了计算失效后果，风险分析者必须根据特定管道的失效形式采用特定的介质模型、 扩散模型、火灾模型、爆炸模型等，并要考虑失效发生时的天气情况以及失效点附近的地 质形貌，计算人体、环境所受到的热辐射、爆炸冲击压力以及有毒物质的影响等。 1 4 失效后果分析方法的研究现状 风险分析方法最早起源于美国。从2 0 世纪7 0 年代开始，核电站应用事件树方法分析 核设施潜在的失效后果。美国是在石油、天然气管道中应用风险分析技术最早的国家之一。 1 9 9 2 年m u h l b a u e rwk 撰写的管道风险管理手册详细叙述了管道风险分析模型和各种 评价方法【5 】，它是美国在前2 0 年开展油气管道风险分析技术研究工作的成果总结，为世界 各国普遍接受且作为开发风险分析软件的唯一依据。该书在1 9 9 6 年再版时作者增加了约 1 3 篇幅介绍不同条件下的管道风险分析修正模型，并在风险管理部分补充了成本与风险 关系的内容，使该书更具实际指导意义。目前，它已成为世界各国开展油气管道风险分析 研究工作的指导性文献。1 9 9 8 年，美国几家管道公司联合开发了管道完整性评价程序i a p ( i n t e g r i t y a s s e s s m e n tp r o g r a m ) 软件包【6 。j ，该软件包采用半定量的风险指数法评价管道的 风险。 另外，欧洲和加拿大在这方面也展开了一系列工作。英国h s e 根据两个典型的管道失 第一耄绪论 效事故+ 开发了管道风险分析方法p r a m ( p i p e l i n er i s ka s s e s s m e n tm e t h o d ) 竣馋包和来 自管道危险的个体和社会风险估算模型m i s h a p ( m o d e l f o r t h ee s t i m a t i o no f i n d i v i d u a la n d s o c i e t yr i s kf r o mt h eh a z a r d so fp i p e l i n e s ) 软 牛包。9 0 年代初b g 开发了t r a n s p i p e ( t r a n s m i s s i o np i p e l i n er i s ke v a l u a t i o n ) 风险分析软件包，随后在t r a n s p i p e 基础上扩 展了定量分耄厝功能于1 9 9 8 年推出了最新的管道风险分析软件p i p e s a f e 。p i p e s a f e 方法 中的主要模块有：失效原因、失效概率、失效模式、气体流动和扩敞、点燃、热辐射和热 影响镣，这些模块以逻辑方式连接起来用于计算个体的死亡概率和风险大小。加拿大标准 协会( c a n a d a s t a n d a r d a s s o c i a t i o n ，c s a ) 颁发了风险分析c s a e 6 3 4 标准。t r a n s c a n a d a 管道公司开发了t r p r a m 风险软件，c f e r ( t h ec e n t e rf o rf r o n t i e re n g i n e e r i n gr e s e a r c h ) 开发了p i r a m i d 风除分析与管理软件包。 我国在石油化工、海洋平台和环境影响的评价方面已经进行了初步探讨，关于油气输 送管道的风陵分析和管理，翻从潘家华教授在1 9 9 5 年引荐浓气管道的风险分析方法以来， 已开始引起人们的注淑，但还没有相应的定缀风险分析方法出现。近年来，商许多研究人 员作了大量的工作狰。1 ，对捺透风险分析技术发展律出了贡献。在以上这些研究中，通常 只采用单一的分析和计算方法，对失效因素的分析不够。同时，没有涉及到商关输送介质 渣漏、扩散籀热辐骞| 以及管道澄漏对环境、人员、管道企盈造成的影确等失效后采方面的 研究内容，因而还没宥一个系统的关于管道定量风险分析方法的研究结果。另外，由于各 国静价值蕊不同，在拯各释失效后巢转优为警量费熏的严重往疆数鲍过程中，各国采用的 转化指标不同，建立遁合我国国情的转化指标对于建立完善的风险分析系统非常重要。 1 5 本文的研究背祭和研究内容 在各国罄益重视安全管臻这释背爨下，酒气警道风险分析技术拭七十年代起在欧美一 些发达国家开始了理论研究和应用实践。风险分析结果可让管道管理者掌握管道运行状况 荠了鳞管道鹃危险圭氇羧，懿馁合理分黼维护资金，拭褥交管邋翡盲嚣、被动维修为鞭知、 主动能维修。这不仅可做到管道维护赞用的最优化使用，且最大限度的减少了油气管道发 生突发萑事敖辑造藏懿综合经济损失，提高管道静安全东平，增强管道公司豹竞争力，达 到风险最小、效益最大的目标。同时，在管道风险分析中得到的一些有用的结论和最终结 票还霹为翡建油气警遂鹃安全设计、逡择合遥豹运孝亍潞线、避雩亍管道建设蕊鼎等提供理论 依据。 风险是崮一秘事教造成之事 孛戆概率霸蜃采兹数学黍莰。降低事敬懿发生概率粒，或后 果，都会降低风险 1 ”。对于失效概率的研究，有很多文献报道i l ”】，但对于失效后果的研 究缀少有文献缀莲。避既，本文着重扶瀵气管邋淫潺、扩鼓黎热辐鸯雪以及管邋瀵瀑对环境、 人员、管道企业造成的影响等失效后果方面谶行研究。上述所有内容均属于中石油集团公 司科技开发矮瓣“涵气竣送警遂风险谔佶方法及软传醭究”懿麓定磺究内容，该王耍鬟磅究 结合巢输气管道，提出管道失效后果的分析方法，项目的研究成果对于建立适合我国国情 藕安匿漕大学鞭_ 专= 学位论文 的定娥风险分析方法熙有重大意义。 全文共分七章，各章内容如下： 第一章简述了失效后果分析技术以及该技术在固内外的发展现状，以及对油气管道 进行失效后桑分析的醋的和必要性，然后介缁了本文的研究背景和研究内容。 第二章综合了图内外关于管道输送介质泄潺牵计算方法的研究，给出了管道泄漏的 典垂! 模式。针对舀静渣漏率计算模型驰局限惶给出了孔一管模型，并计算了 鼹漏率的大小。 第三章分析了介质泄漏的急剧危害模型，采用攀件树分析方法给出了管道泄漏后的 灾害形式，并弼用辩流火、溜火和蒸气云爆炸模奎礞测火灾骑影响区域。 第四章分析了介质泄漏对环境造成的长期危害，并计冀了液体介质泄漏后在水面上 匏扩散区域。针对现有的定梭精半定霪分奉斤方法，提出采嗣当量澄潺体积寒淡示贪餍澄漏 对环境造成的影响。 第五章给童了奔震渣添后新遥成兹入虽瑟亡、建筑秘酸坏稻经济损失珏及失效综合 后果的模型。根据我国的实际情况，幸月步拟定了人员伤亡和环境损失的风险转化指标。 第六章翻孺文中懿理论帮公式计算了气体奔壤莘羹滚俗分蔟发，主概率较大秘辩流失 灾和池火灾的各项参数，并针对具体的输气管道给出了失效聪果分析实例。 第七搴结论。 6 第二章管道输送舟质渣满率计算方法研究 第二章管道输送介质泄漏率计算方法研究 2 1 前言 对油气管道进行失效后果分析时，首先需要知道管道失效时输送介瓒的泄漏率，然 后才能选用棚应的扩敞模型进行失效后果估舞。另外，泄漏率的大小也可以在一定程度上 代表风险的严重性，为预测新建项懿、改善系统设计和评价已建项翻提供有用信息，当泄 漏量绒泄漏遮率不可接受时必须采取措施。介质( 液体、气体) 泄漏率的确定有不同的计算 方法。介质泄漏率的计算是一个复杂的流体动力学问题，它与管道的特性、介质的流动状 态以及泄漏孔的几何尺寸等都密切相关。泄漏孔可能是小孔、大孔甚至是管道完全断裂时 的整个横截西。 对于天然气泄漏，目前有两种主要的计算模型：其一将泄漏孔看成足够小的孔，管 道看成大容器，这种通常r q 徽“，j 、孔模鍪”；勇一种建渣漏口与管邀横截磷襁相同，l q 做 “管道模型”。这两种模型的遗留问题是，对于孑l 径介于小孔和管橙之间的泄漏情况，没 有籀应翁讦算模型( 孔模型适用子，j 、孔渣漏，管模麓适雳予管道完全破损对静灌潲) 。另 外，前面提到的模型并没有考虑不稳定状态，如安全设备关闭后压力和气体速度逐渐降低 这帮情况。瓣诧，建立一个簸够预测任悸孔径清况下的澄漏率静计算模型辍为重要。 对于已运行十几年甚至几十年的老管道，引起管道泄漏的因索很多，不同时期、不 藏遣送、不溺琶家都不穗目。漓气警道可糍的淹添方式多静多弹不可能逐一分寿厅，所甄选 择典型的有代表性的泄漏方式进行分析特别骥要。本研究考虑的管道赡型的泄漏方式是( 1 ) 气侮：夺孔瀵漏麓蔓2 0 国、太强瀵灞( 2 0 o d 1 0 0 d ) 帮全藏西甄爱( d = 1 0 0 国；( 2 ) 液 体：小孔泄漏( d 2 0 d ) 和全截面断裂( d = 1 0 0 d ) 。 2 2 气体泄漏率计算方法 压力常常是秘袋澄灞静动力，压力翁大小是彩矮渣潺速率大小熬主癸决定髫豢。禳 据气体泄漏的途径气体排放模式可分为：小孔泄漏和管道泄漏。描述管内气体泄漏过程的 示意强鲡銎2 。l 示“”，它表示薤警i 妻起点l 楚存在- - 4 , i t ，警遂在诧发生破坏。善点表示： 点l 为管道起点；点2 为管内某点；点3 为泄漏点。 2 2 1 气体通过小孔泄漏 当输遴管道发生夸孔瀵漏露，按照该模型计舅澄添率豹丈小。稷据气体静出图速疫 可以把气体的流动状态分为临界流和非临界流两种情况。当气体排放前后的压差较大时气 体酶窭墨速痰接近这荸孛气体静声速，稼为蕊赛流，否建为j 貉界流。 黼安石油天学硕士学谴论文 p lj k ， 环境凡lp 21 气体泄漏不慧图 撼述滚体捺放过程裁量守潼懿基本方程为： 沪i p + a ( u 2 ，2 岱) 十g d x z + f = 一歌m ( 2 一1 ) 式中：p 一流体压力，p a ： p 一流体的密菠，k g t m 4 “一流传姻平均滚速，m s ； 口一流速修正系数( 层流0 5 ，平推流，1 0 湍流。1 + o ) ； g z 一流体位能变化，j k g ： f 一流体摩擦损失，j k g ； 擀一流体质量，埝； 暇一流体对外微的轴功，j k g 。 对于气体，位能项g z 可以忽略，气体排放过程的轴功可以忽略= 0 化简为： i d p p 十a ( u2 2 a ) + f = 0 则式( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 镁定气体排放过程与外界没有热量交换、可以认为是可逆绝热过程，服从气体的绝 热方程： p 噶= p p 2 = 常数 ( 2 3 ) r 噬= 常数 ( 2 4 ) 其中k 为气体的绝热膨胀系数，对理想气体为= y = c p c 。，对非理想气体略小 于y ( y 为绝热指数) ，摩擦损失f 可以表示为 f = ( 1 o c ，2 ) f d p p ( 2 5 ) 翅式( 2 - 3 ) 式( 2 - 5 ) 对式( 2 - 2 ) 在初始状态( 只，正) 和终态( 只，疋) 之间积分得到： 州。净出( 旷 浯e ， 第二章管道输送介质灏漏率计算方法研究 绒= p , a = c o a 只 焉龇扩( 舻啊。旷 ， 细姒甜似“焉 式中：c o 一气体排放系数，对雷诺数太于3 0 0 0 0 的临界流驳o 6 1 ，其他情况取1 0 ： m 气体分予质量k g k m o l ： a 一摊放孔蕊积m 2 ，可以根据实鼯情况换舞成等效面积，或者在攀前预测时做出 假设； ! f ，q 。一分别为瞬时流速( f 1 1 s ) 和排放率( k g s ) 。 当置时为临界漉状态，搬式( 2 - 8 ) 代入式( 2 - 6 ) 和式( 2 7 ) 得到： = q 等熹 啦 涵s ， 统= 膨。一= c o 鹋j 兰r 丝t f l k 三+ l j l 喀r ( z 一，。) 由式( 2 - 9 ) 可觅在稿赛流清况下气体流速与孔径和内部压力无关，此时气体淫漏率达 到最大。 一般清况下，运霜上述模型时岁 彝鳃大气压力撂豹怒拣准大气压只，这时判定箍彝 流的条件为： 凹肚妻：f 南r ，t ， 马l ，+ l j 在计算气体的泄漏率时，已知管道内的初始状态( 鼻，z ) 和孔面积a 及气体分子量m ， 求气蒋渣瀑逮菠鞋善羹瀵潺率级。 2 2 。2 管道模型 当气体输送管j 照由于某种原因发生全截面断裂时，气体的泄漏率计算采用管邋模型。 诧时必矮诗算气体遂过警遂瓣隧力。因为管道努有绦溢层，输气管道可褪为缝燕管道，点 2 和点3 状态一样( p 。= p 3 = p a ) 。利用机械能守恒方程和总能量守恒方攫来表示管道内气体绝 蕊浚动过程： 奠曼+ u d u + d f ：o ( 2 1 2 ) 9 堕室至垫奎兰婴主羔笙堡篁墅一 砒+ u j _ f f + g d z ：叼一c r w q 式中： 一气体焓值，理想气体为h = c ，d t ； 0 1 7 一气体从外界吸收的热量j ，o - q = 0 。 气体通过管道的摩擦阻力可表示为： f ：2 ：z s ，f _ 2 d 式中：f 一摩擦系数； 三一管道有效长度，m ； d 一管道直径，m 。 在计算中假设整个管道中的摩擦阻力系数厂不变，则式( 2 1 4 ) 化为： 卵：鲨北 0 c t a v el e v e n s p i e l 给出了式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 的解析解1 ： 量一墨 墨：丝旦 z k鼻m 。：e 鲁= 急厝 纠+ 掣2 虬2 一肘。2y m 。：“dd = 沁t m ) 啦 t k + l ，n 嚣一k - 1 l 等 ( 去一蠹 + 等= 。 g = p u 式中：z ，l 一初态和终态的温度，k ； 只，只一初态和终态的压力，p a ； d 一气体的声速，m s ； g 一气体质量流率，k g m 。s 。 对于管道较长、压力差较大时，气体的流速可以接近声速达到临界流。此时式 ( 2 1 6 ) 式( 2 一1 8 ) 化简为： t 一2 l k4 - 1 p 詈= m 。 堡：m 。 p 1 ( 2 一1 9 ) 曲 旧 忉 互! 坐珥幅暖 茎兰鎏邑受箜塑釜空垂童鳖茎篓空蓬堕塞 等激i 警嚣h 去斗t ( 等) = 。 z 。， 良舻澎鸫偿= 只澄 。1 ) 摩擦阻力系数，是管道的粗糙度和雷诺数的舔数，在层流情况下( r 。2 0 0 0 ) f = 1 6 r o f 2 2 2 ) 在过渡区和湍流的情况下，f 与r ，的关系由橱尔布昝克公式给出： 方叫t 。s 睇+ 嚣j 或击= 慧p 吲仃一蚓 。s ， 当雷诺数r 。较大、达到完全湍流时，、厂与雷诺数无关： 对光艄遣击圳。糍12 5 5l 。a ， 厂一l + ”一7 对粳糙管谶万1 = 4 l o g p 孑d j ( 2 _ 2 5 ) 、e 在应用上述模型进行泄漏率计算时一通常已知韧始点的压力鼻、温度z 、管道长度上、 謦趱肉经矗，求气舔灌漏章繇、气俸灌漏遵菠“。 2 2 。3 孔一镣综合模型 当管道破坏尺寸大于小孔而小于管径时，孔模型和管道模型计算结果误差较大，不 秀邋j 霹。懿梁管内气体以 | 瓷赛流流动，捌气体在疆孔处的流动可箍是 海界流流动，也可 能是非临界流流动，这依赖于管道赢径与裂孔直径的比值。如果管内气体以临界流流动， 舞l 在襞孔楚气体遵隧簸赛溅流动。f i l e t , ，妥对三释情况分剐送行分析。 ( 1 ) 管内非临界流流动，裂孔处临界流流动 当气嚣滤动过程满足条箨： 印冀懈。，j 嚣( 2 - 2 6 )￥，i 鲁嗍(2-27) 只 管内气体流动过程为非j 临界流，裂孔处为临界流。假设所有流过管道的气体同样流 过裂魏，子怒霹褥到下耍戆麓量乎簿关系式： q 。= a 。，。“3 岛= a ，“2 ，p 2 = a 。“j 肛 ( 2 2 8 ) 在这耱溃况下，虽然繁内气签濂魂是j l 裹要浚，管遵瘫径与裂毳壹径之鲍糟气体杰 西交石油人学硕士学位论文 裂孔处以临界流泄漏时也有影响。当气体以临界流泄漏时，q 卅并不受影响，由式( 2 - 7 ) 和( 2 一1 1 ) 可以得到： 厂百 盱厶刘盖。一可 流过任意截面的气体质量流量相等，则 g ：等只瓣鹰 可推导出3 点处的各个参数 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) b = ( 寿卜 瓦= e s ， 鲈( 寿厂 ( 2 ) 管内和裂孔处均为非临界流流动 当满足条件夤c 尸尺时，管内和裂孔处均为非临界流流动。根据气体流过管道和裂 孔处的连续方程和质量流量方程可得： g ：生只 爿 帆鼻愿以餍 s z ， 由于气体以非临界流流动，3 点处和大气处于同一状态，3 点处的参数可以表示为 = 只 l = 盯 旷； ( 23 3 ) ( 3 ) 管内和裂孔处均为临界流流动 当满足条件最 鼻m 。鲁时，管内2 点处气体将以临界流流动，在这种情况 下，气体在裂孔处只能以临界流流动。此时泄漏率的计算公式为： 2 羼 q 二：们 m 第二章管遂输送介质淹溺率讦葬方法研究 厂i 瓯咄，蛳叫嚣y ( 寿广 ( 2 3 4 ) 点2 处的参数由以f 关系式给出： 马蜊“等号 乏= 竺互 ( 2 3 5 ) 铲蚝挎只 点3 处的各个参数由式( 2 3 8 给出。 2 2 4 非稳定状态平均泄漏率的计算 2 2 1 2 2 3 中提到的模型都没有考虑泄漏率随时间的变化，不符合实际情况。事 实上，当泄漏口直径较小时，管内气体泄漏对管道压力变化影响不大，可以看作是稳定状 态泄漏过程。当泄漏口直径较大甚至管道断袈时，随着介质泄漏，管道内部压力降低，泄 漏率下降，这时在开始的一段时间内往往属于临界流，而在泄漏进行到一定时间后可能转 纯为菲临界流。气体灌漏率可以表示为管道两气体密度随时间交纯的函数： 卜。掣( 2 - 3 6 ) 式( 2 3 6 ) 、式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 一起描述了泄漏过程中气体质量、压力、温度、气体密 度、淹漏速率随时闻静交亿。j o h nl w o o d w a r d 等绘出了式( 2 3 6 ) 在l 涟界瀛拜亨的解辛厅解。8 ( 下角标0 表示稳态泄漏时的各参数值) ： t ( t ) = t o p 霹2p 章) = 蜀陟每羹2 掣3 p o ) = p 。【f ( r ) 】2 肚聊o ) = 脚。i f 0 ) 酬“j ( 2 3 7 ) 坌母) = q o 【f f ) 】“4 0 耻“f 章) = e + 魏) 。 y 一鱼! ! 二1 2 2 m 。 临界流结束的时间为： l e = 歹 ( 2 一s s ) 丽 ，一对一吖0 一 嚣安石涵天学矮圭学位论文 对于亚临界沆，把式( 2 7 ) 代入式( 2 3 6 ) n - t 得到压力随时闽变化的方程式 霉：一鱼嚣筹 d l m 0 ( 2 - 3 9 ) 该式是p t 的一阶常微分方程，利用解析法无法求解，可采用变步长的四阶 r u n g - k u t t a 方法求籍。 由于目前应用的气体扩散模型通常只有连续排放和瞬时排放丽种模式，在风险分析 中希麓找封一个有代袭往斡平均渣漏率，隘方便扩散计算。对于菲稳定流动状态通常假设 有效泄漏率为起始最大泄漏率的份数，并假设用于乘积的份数因子随有效孔径和管径比率 线往变亿，比率为l 时，乘敢函子为l 3 ，比率为0 对，乘袄露子为l ，这与f i s e 的推荐 值是一致的。 2 2 5 实例 禁天然气输送管遂全长1 0 9 5 k m ，天然气筵成为：c h 4 ：9 4 7 ，c 2 疆6 ：0 。5 5 ，c 3 h 8 ： 0 0 8 ，c 4 h i o ：o 0 2 ，c 0 2 ：2 7 1 ，n 2 ：1 9 2 。管道直径d = 6 6 0 m m ，管内起始压力 p 1 = 5 b a r ，气体温度彳l = 2 8 8 k ，距离管道起点己= 1 0 0 0 m 楚发生灌潲。霰设气体灌添率始 终小于管道允许最大泄漏率。计算步骤如下： 1 ) 缓定管内气搭流动为完全滚滚，鬻褪糙凄营邋诗算公式计舅撵擦系数f ： 2 ) 假定气体流动为临界流，用数值方法解( 2 2 0 ) 求得m “ n i 3 ) 用只丢：、专莘判定是否满足临界流假设条件，若满足刚转向步骤4 ) ，否则转 彝步骤国： 4 ) 用( 2 2 2 ) 计算g 。，用( 2 2 0 ) 计算瓦，圮和p 。用式( 2 1 6 ) 计算“。，由m 。和互计 算毪，爨乎均滚速“= 国。+ “1 ) 2 ，气体平均密凄为p = ( 成十p ，) 2 ，转步骤6 ) ； 5 ) 令最= 只解( 2 - 1 7 ) 求疋。用( 2 - 1 8 ) 求g ，m 。肘。2 。用( 2 1 6 ) 求“l ，“2 ，p 2 计 算平均流速秘密褒； 6 ) 计算雷诺数尺。= d u p l , u ；用式( 2 - 2 3 ) 重新计算z 与步骤1 ) 中的厂相比较。若 | z f | 1 0 。澍转囱步骤7 ) ，否烈以互饯f 转囊步骤2 ) ，熏耘诗算，壹至l 滋是条传为止： 7 ) 由o = g 别2 4 计算泄漏率。 以上诗舞过程涉及到簿葵线性方程，要经过多次迭找。 由三种模型可以分别计算出气体流速随泄漏孔径变化的情况，结果绘制在图2 2 中。 由圈可知，囊孑l 径较小嚣，孔管模型褥出鲍结暴与4 , - t l 模挺缮出粒结果 囊接近，嚣困 是摩擦损失小且不考虑管内气体膨胀；而当孑l 径较大时，孔管模型得出的数值与管道模 4 卜l；li 盟。 、；0， 只磊 ，； 一 ，。：，l 茑二章嚣道输送介腰渣粼率计算方法嫒究 型稳透；对予管道完全断裂酌清况，摸登与管道摸鍪有相潲的结采。 在菩稀可能出现的澄漏孑l 径中，孔一管模型得出的结采介于小孔模型和管道模烂之 阕，并噩宅歪接近予真实鹃港添率，这是鑫i 予它考虑了管内压强和温浚静焚化。另外，由 图2 3 稻图2 4 可知，澄漏点处气体的温度和压强怒孔径的函数。从瀚中可以看出，褊界 滚瀛动医域鞠鼹临器流流动区域有不潮豹鑫籍线走淘。 a o r6 1 i m ) 爨2 ；2 、l 模型、警遘模鍪鞠我餐模型馕璇下气露港灞率隧蠹镁钓蜜亿 圈2 、3 孔一赣模型豫测褥出韵泄漏点处气体压强隧敷径的变忧 瓣安石浊文学硕士掌像论文 鏊 圆2 4 t 一臀模型预测得高的澄漏点处箕体温穗隧盏径的蜜仡 2 1 3 波体泄漏率计嚣 液体输送管道发生穿孔或管道断裂时都可形成液体介质泄漏。液体排放后堆积于地 垂，遥妥灾滚霹发生火灾，液幸搴蒸发后也爵产生可燃或有毒蒸气云。擐疆滚体渣漏静途径 可以把液体泄漏分为：液体经小孔泄漏和液体经管道泄漏两种模式。 2 - 3 1 液体通过小孔泄漏 当滚侮输送管j 莲发生穿毳薅属于这耱憧嚣，对予液体可戮穰定楚不可匿缩的。辩： 毕：竺( 2 铷) 。pp 液体排放过程中的摩擦损失可寝示为： 一等一g a z = c 1 2 挎哪z ? t t ， plpj 麓时定义c o = c ，0 9 鑫式( 2 一1 ) 爵| 三i 攘簿窭滚体搀敖速发帮速率豹方程： q = p u a “= c o 卿孵习 孵十舻0 式中：乓一管道内的表压( p a ) ； h 。一渡瑟稷对子蓑 敖霉熬裹度( m ) ( 2 - 4 2 ) ( 2 4 3 ) 第二章篱遴输送介质渣漏率计算方法研究 巳一液体的摊放系数取0 6 。 2 3 2 液体通过管道泄漏 当输送液体管i 簸断裂时液体的泄漏属于这种情况，假定液体不可压缩，忽略轴功眠， 流体机械能守慑方程式变为： 一a p + 篓+ g a z + 掣：0 ( 2 - 4 4 ) 口z g瑶 对于管道液体的初始遗度不可忽略的情况，由于液体的不可压缩性，液体从初态到 终态的动能变化可以忽略，二式简化为： 塑- l - g a z 十掣；0 ( 2 - 4 5 ) p 矗 应用上述模型求解泄漏率的步骤如下： 1 ) 根据篱道类型确定管道的绝对粗糙艘s ，根据管道的长度和蛰件的个数计算篱道的 有效长度l ； 2 ) 假定一个摩擦阻力系数值f ； 3 ) 雳式( 2 4 4 ) 或( 2 4 5 ) 计算液体流速甜，计算嚣诺数越； 4 ) 用式( 2 - 2 3 ) 、( 2 - 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 之计算摩擦系数厂，若i 厂一zi 1 0 “转步骤5 ) 否 掰转步骤3 ) ； 5 ) 计算液体泄漏率q 卅= p 础。 2 3 3 非稳定状态平均泄漏率的计算 液体输送管道发生疆潇后，巡线工 笮人员发聪后会立却关闭上游阀f - j ，瑟时没有物 料连续供给。假定管j 邈内的压力的变化可以忽略，随港泄漏的进行，管道内的液体逐渐减 少，纛蓟液体艉液位降到穿孔或断裂位置时瀵漏停正。 假设从上游阀门到泄漏点之间的液体质最为m ，管道内质量随时间的燮化可表示为： 警= p 警一q t e ) 对于营遵焉言，模截瑟积运定= 4 ，藏可以褥至l 液位帮撵簸率随时闻交纯豹函 数： 驴一新九+ 扣+ g 。( c o a ) 2 q = 心。z 矾。+ 告 一譬c q ， ( 2 - 4 7 ) 舔安石涵大学颈七学稼论文 营道内液体排空妁时蚓为： ，。= 去( 鲁) j 批+ 告 ( 2 4 8 ) 应用式( 2 - 4 7 ) 可以直接计算出任意时刻的液位高度和泄漏速率，平均泄漏率可由孔 位置以上的液体质量鞠式( 2 - 4 8 ) 算出。 2 ，3 。4 滚体溅满实壤计算 某输油管道全长4 6 5 k m ，管径d 一3 2 4 m m ，原油密度p = 8 3 2 k g m 。，粘度 = 0 2 5 x 1 0 p a s 。假定起始压力p ；一4 6 m p a ，起始溢度t ；一3 0 3 k ，在距离l = 2 0 k m 处由 于外力发生泄漏。假定管道泄漏模式为2 0 的管径和1 0 0 管径，两种情况的计算结果列 于表3 1 。 表3 1 原油管道泄漏计算结果 从表中可以看出，管道全截面断裂的泄漏率大约是小孔泄漏的8 7 倍，减少介质泄 漏对人员、环境和运营公司带来的影响应重点减少管道断裂搿故的发生。 2 4 本章枣缝 本章利用流体力学理论，建立了长输油气管道输送介质不同泄漏方式泄漏率的计算 模型。得出的结论如下： 1 ) 文中提出用孔一管模挺来计算气体泄漏孔径介于小孔和管道泄漏之间的泄漏率。 通过计算结粜可班看滋，当孔径较小时，孔一管模蘩得毒的结栗与小孔模委褥击的缭栗菲 常接近；而当孔径较大时，孔一管模型得出的数值与管道模趔相近；对于管道完全断裂的 情况，模垄与管道禳麓有相湖的结聚。 2 ) 对于非稳定流动状态时的气体泄漏率可以采用平均泄漏率，计算结果表明利用起 始最大渣漏率的1 3 来表示平均渣漏率是合适静。 3 ) 非稳定流动状态时的液体的泄漏率可以利用总的泄漏质量和泄漏持续时间来计 算。 第兰章费成精灞静急捌盏害模型 3 1 前言 第三章介质泄漏的急剧危害模型 长输酒气管道发生渣潲事故后，泄漏的介质邋常会扩敝到大气中，对环境造成一