陈 浩
（中海石油（中国）有限公司深圳分公司陆丰油田作业区，广东 深圳 518067）
随着天然气需求的不断增加，我国的输气管道工程建设也得到了快速发展。在管道运行的过程中，因管道密封、人为破坏、管材质量或腐蚀等原因导致的管道泄漏事故频繁发生[1-2]。目前，输气管道的发展方向为大直径、高压力管道，且部分管段通过人口密集或环境敏感区域，因此，一旦发生管道泄漏，造成的人员伤亡和经济损失将极为严重，而预测泄漏危害影响范围对于人员疏散和顺利开展应急救援具有重要意义[3-4]。天然气泄漏的研究方法主要包括室内试验和数值模拟，其中数值模拟具有成本低、易于复现、适用范围广等特点，PHAST[5]、ALOHA[6]和CFD[7-8]软件是应用最为广泛的数值模拟方法。针对管径813mm 的全尺寸管道断裂事故，李云涛等[9]采用FLACS、PHAST 和ALOHA 软件进行模拟，其中ALOHA 软件可模拟最大泄漏速率和稳定泄漏速率，模拟结果全面，且三者在喷射火事故上的模拟结果相似，由此证明了ALOHA 软件准确性和科学性。基于此，通过控制变量法，利用ALOHA 软件对输气管道泄漏事故进行动态模拟和事故后果趋势分析，并结合多元线性回归拟合影响因素与伤害距离的关系，以期快速合理的划分警戒范围，为应急救援提供实际参考。
1.1 数学模型
长距离输气管道因烃露点的要求，甲烷含量通常高于98%，根据点火时间、空间约束情况对后果进行分析，对应的事故后果有爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)、火球、蒸汽云爆炸、闪火、气体扩散等，其中所有的事故后果均基于气体扩散类型，气体扩散后果的影响范围也远大于其余事故后果。ALOHA 软件中内置的气体扩散模型有DEGADIS 重气扩散模型和中性气体高斯模型，甲烷的分子量为16，比空气轻，在管道外的近场射流和远场扩散属于地面连续点源扩散模式，故采用高斯烟羽模型较为合适，其中，泄漏物质的质量浓度计算公式为
式中：c（x，y，z）——泄漏物质在坐标系（x，y，z）处的质量浓度，kg/m3；
Qm——泄漏源强，kg/s；
H——泄漏点高度，m；
V——风速，m/s；
σy、σz——泄漏扩散系数，与下风向距离、大气稳定度等有关。
1.2 参数设置
以某5#～6#阀室之间的输气管道为例进行分析，阀室间距为8 km，管体管径为1 219 mm，管体壁厚为12 mm，管道设计压力为9 MPa，运行压力为8 MPa，在管道正西方向500 m 处有一处居民楼。输气管道主要计算参数见表1。
表1 输气管道主要计算参数
根据表1 数据进行模拟，1 h 内管道的泄漏速率变化趋势如图1 所示，由图1 可知，管道的最大泄漏速率为6 040 kg/min，随着泄漏时间的延长，泄漏速率呈阶梯状下降，且管道在1 h 内仍未泄漏完毕，具有较大的安全隐患。
图1 1 h内管道泄漏速率的变化趋势
目前，ALOHA 采用毒性危害等级描述人体在气体云团中暴露一定时间下的危害程度，按照甲烷影响程度的不同，采用急性爆炸暴露水平（AEGL）的指导限值计算毒性危害范围。其中，在AEGL-1对应的浓度区域内，人体会有明显不适或某些无症状特征，但这种影响暂时可逆；
在AEGL-2 对应的浓度区域内，人体将长期遭受不良影响，产生昏迷或中毒，丧失逃生能力；
在AEGL-3 对应的浓度区域内，人体会出现健康威胁或死亡。AEGL-1、AEGL-2和AEGL-3三种暴露水平下的气体体积分数阈值分别为0.29%、1%和1.7%。该场景下的泄漏范围如图2 所示，由图2 可知，三种暴露水平下的毒气伤害距离分别为653 m、349 m 和268 m，而居民楼位于管道东侧500 m 处，显然已经在AEGL-1 的浓度范围内，居民楼存在一定风险，也为应急救援带来一定困难。
图2 气体泄漏范围
2.1 初始条件影响
2.1.1 泄漏尺寸
根据表1中数据得出不同泄漏孔径对泄漏危害范围的影响如图3 所示，由图3 可知，在同一浓度范围内，随泄漏孔径的增大，泄漏危害范围先增大后减小。当d/D≤ 0.2时（d为泄漏孔径，D为管道直径），即为小孔泄漏模型时，泄漏危害范围与泄漏孔径呈正相关；
当d/D＞0.2 时，即为大孔泄漏模型时，泄漏危害范围与泄漏孔径呈负相关。
图3 不同泄漏孔径对泄漏危害范围的影响
2.1.2 管道长度
根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》中关于线路截断阀室的规定，一级、二级、三级、四级地区对应的管段长度分别为32 000 m、24 000 m、16 000 m和8 000 m，由于站内管道长度较小，因此，针对站内管道泄漏问题，增加三个管道长度值用于模拟（ALOHA 软件中要求管道长度大于200 倍的管道直径），分别为300 m、500 m、1 000 m。保持表1 中数据不变，仅改变管道长度，得到不同管道长度与泄漏危害范围的关系如图4 所示。虽然管道长度增加，管容增加，但在一定的泄漏时间内，不同泄漏速率下对应的气体泄漏总量变化不大，且由图4可知，当管道长度大于1 000 m 时，管道长度对泄漏危害范围的影响较小。
图4 不同管道长度对泄漏危害范围的影响
2.1.3 管道压力
根据表1中的数据，仅改变管道压力，最小压力根据压缩机最低吸入压力确定，最大压力取设计压力，得到不同管道压力与泄漏危害范围的关系如图5 所示。由图5 可知，在同一浓度范围内，随着管道压力的增大，泄漏危害范围逐渐增大，且AEGL-1 的危害范围增大速度远大于AEGL-2 和AEGL-3，这可能与甲烷和空气发生卷吸，其远场扩散受近场射流、地形地貌和风速的影响更大有关。
图5 不同管道压力对泄漏危害范围的影响
2.2 环境条件影响
2.2.1 风速
参照该管道所在地区的常年最大风速和最小风速，结合表1中的数据，仅改变风速，得到不同风速下与泄漏危害范围的关系如图6所示。随着风速的增加，泄漏危害范围逐渐减小，当风速大于9 m/s 时，危害范围不再增大，表明存在极限风速。这是由于随着风速的增大，大气湍流强度和对云团的稀释程度也逐渐增大，从管内减压和近场射流携带的初始扩散动能减弱，导致危害范围减小；
而当风速增加到一定程度后，周围羽流的夹带空气进入云团顶部，使下风向的危害范围不再增加。
图6 不同风速对泄漏危害范围的影响
2.2.2 地面粗糙度
地面粗糙度体现了管道敷设所在地的环境情况，地面粗糙度为5 mm 表示泥泞地或雪地，周边没有植被和建筑物；
地面粗糙度为30 mm表示开阔平整的草地或孤立的建筑物；
地面粗糙度为100 mm 表示地面有低矮的农作物，覆盖面积较小；
地面粗糙度为250 mm 表示地面有较高的农作物，覆盖面积较大；
地面粗糙度为500 mm 表示城郊房舍、有树丛的开阔草地或灌木丛；
地面粗糙度为1 m 表示有周围均为较大的障碍物；
地面粗糙度为2 m 表示城市中心，人口较多。根据表1 中的数据，仅改变地面粗糙度，探究不同风速下与泄漏危害范围的关系，结果如图7 所示。由图7 可知，在同一浓度范围内，随着地面粗糙度的增加，泄漏危害范围先增大后减小、再增大再减小，这与不同的粗糙度选用的区域方程不同有关，但总体来说，环境越复杂，地面粗糙度越大，低浓度云团的平流运输越困难，阻碍效应越明显，扩散范围越小，且当地面粗糙度为2 m 时，扩散范围最小，危害范围最小。
图7 不同地面粗糙度对泄漏危害范围的影响
通过上述模拟分析，利用Originlab 软件进行数据的多元线性回归，引入多个解释变量，对泄漏危害范围的变化趋势进行多维度衡量和解释，最终得到初始条件和实际环境条件影响下的泄漏危害范围，以最大危害范围AEGL-1 为例，考虑二元交互作用，其回归方程为
式中：Z1——AEGL-1的危害范围，m；
d——泄漏孔径，mm；
L——管道长度，m；
P——管道压力，MPa；
V——风速，m/s；
A——地面粗糙度，mm。
对上述回归方程及偏回归系数进行显著性分析，方差分析结果见表2。
表2 方差分析结果
由查表可知，F0.05（1，16）=4.49，F0.01（1，16）=8.53，F0.05（15，16）=3.55，F0.01（15，16）=2.42。由表2 可知，当F0.05≤F≤F0.01时，表示变量对模拟结果影响显著，用“*”表示；
当F＞F0.01时，表示变量对模拟结果非常显著，用“**”表示；
F＜F0.05时，表示变量对模拟结果不显著，可以将不显著的因素或交互项直接从回归方程中剔除，将其并入残差项，重新进行方差分析，结果见表3。
表3 不显著项并入残差项后的方差分析
综上可知，影响AEGL-1 危害范围的因素按显著性从大到小依次为：泄漏孔径、管道长度、管道压力、风速，而地面粗糙度对危害范围的影响不显著；
交互因素中只有泄漏孔径、管道压力和风速之间的交互项对危害范围的影响显著。
本次拟合的相关系数R2=0.999 785 6，失拟项不明显，表明建立的回归方程与实际情况拟合较好，重新进行方差分析后，回归方程依然非常显著，简化后的回归方程为
将回归方程与模拟工况的数据进行对比得到相对误差，结果如图8 所示。可见多元线性回归的拟合精度较高，相对误差范围是-3.32～6.45，平均相对误差为2.15%，满足工程实践要求，可为安全防护间距的设置提供理论依据。
图8 回归方程与模拟工况的相对误差
设置管道泄漏的孔径为100 mm、管道压力为9 MPa、风速为1 m/s、地面粗糙度为100 mm，以上为模拟得到的最不利条件，将泄漏结果导入Google Map 中[10-11]，如图9 所示。将泄漏危害最远距离设定为天然气的下风向最远扩散距离，同时设置居民区的坐标为（500，0），观察500 m处室内外甲烷体积分数随时间的变化情况。
图9 甲烷泄漏后危害范围实地变化情况
由图9 可知，可设置AEGL-3 区域为第一警戒区，该区域内人员若无防护措施，则人体暴露在毒气中1 h 便会造成死亡，其下风向最远扩散距离为458 m；
设置AEGL-2区域为第二警戒区，该区域内可不采取防护措施，人体暴露1 h 会造成不可逆或持续严重的后果，其下风向最远扩散距离为599 m；
设置AEGL-1区域为第三警戒区，该区域内可不采取防护措施，人体暴露1 h 会感觉轻度不适，其下风向最远扩散距离为1 000 m。而当事故发生时，居民区位于下风向，室内外的甲烷气体体积分数最大值分别为1.43% 和0.367%。此时体积分数虽未超过AEGL-3的极限值，但超过了AEGL-1的极限值，说明居民区与管道的安全距离不够，应扩大安全距离或采取其他必要的防护措施。
（1）采用ALOHA 软件模拟了不同因素下的输气管道泄漏扩散过程，其中管道长度、管道压力的增大会使管道泄漏导致的危害范围增大，随着泄露孔径的增大，危害范围呈现先增大后减小的趋势，风速增大、地面粗糙度增加，有利于减小泄漏危害范围。
（2）通过对数据进行多元线性回归，比较了单因素和交互因素对危害范围的显著性，其中泄漏孔径、管道长度、管道压力、风速对危害范围的影响显著，而地面粗糙度对危害范围的影响不显著；
而对于交互因素，只有泄漏孔径、管道压力和风速之间的交互对危害范围的影响显著。
（3）通过对最不利条件进行模拟，得到甲烷泄漏后危害范围的实地变化情况，设置了三个警戒区作为应急救援的依据，此时室内外的体积分数超过了AEGL-1的极限值，说明居民区与管道的安全距离不够，应扩大安全距离或采取其他必要的防护措施。
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