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爆炸载荷作用下并行燃气管道失效概率研究
陈国华1,2 徐佳1,2 方顺1,2 吴悦1,2 李明阳3
1.华南理工大学安全科学与工程研究所；
2.广东省安全生产科技协同创新中心；
3.广东省特种设备检测研究院珠海检测院
摘要：随着城镇天然气需求量增加，燃气管道并行铺设现象逐渐增多。为避免低概率、高风险事故发生，开展并行燃气管道失效概率研究，分析失效概率影响因素及参数敏感性。结果表明：并行管道失效概率在设计阶段受管道间距影响最显著，在运行阶段则受气云半径影响最为显著；由于其对源管道内压敏感度更高，因此应尽量控制运行阶段并行管道内压波动，避免峰值过大。
关键词：并行燃气管道；蒙特卡洛法；失效概率；参数敏感性
2012年，加拿大哥伦比亚省北部一条燃气管道破裂爆炸，导致与其并行间距为3 m的一条燃气管道发生破裂着火，此次事件形成了一个长17 m，宽7.6 m，深1.1 m的火坑[1]。近年来，由于国内城镇燃气需求量增加，燃气管道并行铺设现象逐渐增多，一旦其中某条管道因泄漏引发的蒸气云爆炸，极易对其临近铺设的燃气管道造成冲击进而也发生失效，产生多米诺效应并导致事故后果进一步扩大[2]。因此，基于已构建的并行管道失效概率模型[3]，结合蒙特卡洛模拟法进行计算，对并行管道失效概率进行影响因素分析及参数敏感性分析。在并行管道设计阶段，影响其事故发生概率的主要因素为管道间距、目标管道埋深、目标管道管径、目标管道壁厚与土壤重度。管道运行参数中影响其失效概率的因素主要包括初始失效管道（以下简称源管道）泄漏气云半径、源管道内压及目标管道内压。管材为X70钢的两条燃气管道并行铺设，管材屈服强度为480 MPa。以源管道发生大孔泄漏为初始失效场景，该场景下并行管道失效概率计算模型相关随机变量分布规律如表 1所示。采用蒙特卡洛抽样方法对各随机变量进行107次随机抽样，随后将各组随机抽样值代入并行管道失效概率计算模型进行计算，得到该场景不同参数影响下的并行管道失效概率曲线，如图 1、图 2所示。表 1 并行管道失效概率模型相关随机变量统计分布[4-6]
图 1 不同设计参数影响下的并行管道失效概率曲线
图 2 不同运行参数影响下的并行管道失效概率曲线
由图 1（a）和（b）可知，增大管道间距和目标管道壁厚均可以使并行管道失效概率下降。增大管道间距使目标管道受爆炸载荷影响减少，进而使其损伤几率下降。增大管道壁厚，有利于提高目标管道抵抗外部荷载的能力。同时，壁厚增大也会减少其因管体受腐蚀、施工挖掘与其他环境因素而遭受损伤的可能，进而有效降低并行管道失效概率。由图 1（c）和（d）可知，目标管道埋深与管径对并行管道失效概率有着相反的影响。对于管道并行铺设场景，增加埋深可使其降低遭受施工挖掘、地面违规占压等第三方损坏的概率。由于燃气泄漏过程中土壤对泄漏燃气的黏滞作用以及吸收作用，增加埋深也有助于减少燃气泄漏量，降低目标管道失效概率。由图 1（e）可知，土壤重度对并行管道失效概率影响较小。在管道运行阶段，泄漏气云半径及管道内压为并行管道失效概率主要影响因素。如图 2（a）所示，气云半径与并行管道失效概率呈正相关关系。而气云半径大小主要取决于源管道泄漏时间，为探究该参数与并行管道失效概率之间的关系，基于文献[2]的管道燃气泄漏扩散模型，获得源管道泄漏时间与并行管道失效概率关系曲线。如图 2（b）所示，并行管道失效概率随着源管道泄漏时间的增加而逐渐增大。在源管道泄漏时间较短时，泄漏气云半径相对较小，因此目标管道失效概率及并行管道失效概率均较小。而在源管道发生泄漏约2200 s后，由于其产生的爆炸载荷超出管道可承受的临界值，导致目标管道必然发生失效，目标管道失效概率值趋近于1，此时，并行管道失效概率主要取决于源管道失效概率。由图 2（c）和（d）可知，增高目标管道内压促使管道抵抗外部载荷的能力增强，从而有利于使并行管道失效概率下降，而增大源管道内压，使源管道失效泄漏时燃气的泄放速率上升，增加了源管道燃气泄漏量，目标管道失效概率增大，进而使并行管道失效概率上升。为了提高管道故障预防和事故控制的有效性，对各参数进行敏感性分析。敏感性大小用敏感性指数αi表示，其计算公式如下[7]：
式中，Ci表示上述影响参数中某参数的取值，ΔCi为一定范围内该影响参数的变化量，Fp表示并行管道失效概率，ΔFp为由ΔCi引起Fp的变化量。令取值分别在5%至25%共5个阶梯范围内波动，得到如图 3、图 4所示敏感性分析结果。由图 3可知，并行管道设计阶段各参数敏感性大小排序依次为：管道水平间距、土壤埋深、管道壁厚、管道内径、土壤重度。在规定波动范围内，管道间距和土壤埋深对并行管道失效概率影响显著。
图 3 并行管道设计阶段参数敏感性分析结果
由图 4可以看出，在规定波动范围内，并行管道运行阶段各参数敏感性大小排序依次为：气云半径、源管道内压、目标管道内压。并行管道失效概率与源管道内压之间呈正相关关系，与目标管道内压之间则呈负相关关系，但由敏感性分析结果对比可知，并行管道失效概率对源管道内压敏感性更高。
图 4 并行管道运行阶段参数敏感性分析结果
（1）并行管道设计阶段，各参数对并行管道失效概率影响程度从大到小依次为管道水平间距、土壤埋深、管道壁厚、管道内径、土壤重度。（2）并行管道运行阶段，影响程度大小排序为气云半径、源管道内压、目标管道内压。（3）并行管道失效概率与源管道内压呈正相关，与目标管道内压则呈负相关，但对源管道内压敏感性更高，因此在管道运行过程中应尽量控制运行阶段并行管道的内压波动，避免峰值过大。 [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. 埋地并行交叉天然气管道爆炸耦合风险分析及评估研究[D].广州：华南理工大学, 2020.[4]中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.输气管道工程设计规范：GB 50251-2015 [S]. 北京：中国计划出版社, 2015.[5]中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.给水排水管道工程施工及验收规范：GB 50268-2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 压力管道规范动力管道：GB/T 32270-2015[S]. 北京：中国标准出版社, 2015.[7]韩文海，周晶. 腐蚀海底管道可靠性分析[J].石油学报，2015，36(4)：516-520. 基金项目：2020年度珠海市科技计划项目，ZH22036205200013PWC；2019年广东省中央引导地方科技发展专项资金/广东省省级科技计划项目，2019B020208012。作者简介：
陈国华，1967年生，教授，1993年博士毕业于南京工业大学学校化工过程机械专业，现主要从事过程装备安全可靠性及风险评价技术方向的研究工作。联系方式：13660261735，mmghchen@scut.edu.cn。来源：《管道保护》2022年第2期（总第63期）
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