2018年全球石油消费量为4 662.1×106 t油当量，占一次能源消费量的33.6%[1]。管道是石油运输的关键基础设施，将生产地区与炼油厂、化工厂、家庭消费者和商业需求连接起来[2]。但随着管网的逐年运行，其使用年限逐渐达到管道的最大使用寿命。此时，油管承压防腐能力大幅下降，在长期运行过程中，极易会因腐蚀、焊接缺陷、第三方损坏等原因而发生失效。研究认为输油管道的主要失效形式为穿孔[3-5], 一旦输油管道发生失效，就会导致管道油品外泄, 从而发生泄漏事故，若遭遇明火，则会发展成为池火与流淌火，造成巨大的人员伤亡和财产损失[6-7]。因此，从安全角度来看，对于输油管道泄漏事故后果的研究具有重要的意义。
理论模型是研究油品泄漏的重要手段[8-11]。李云涛等[12]提出一种基于FERC模型的油品流淌火灾定量风险评估方法。胡燕康等[13]通过研究汽油管道失效概率、点火概率等，建立了一套油气管道风险计算模型，并结合风险可接受标准得出汽油管道基于风险的安全距离。随着计算流体力学的发展，CFD软件日渐成熟，也成为研究油品泄漏扩散的主要研究方法[14-17]。Liang等[18]基于CFD软件模拟地下原油泄漏扩散过程，发现模拟结果能够较好地再现实验过程，并在模拟结果的基础上，运用模糊综合评判方法，提出了地面溢油危险区域。Zhu等[19]利用FLUENT软件对海底管道油品泄漏过程进行了模拟，基于模拟结果拟合出石油到达海面的时间和地点的相关公式。史晓蒙等[20]模拟了不同管道运行压力和不同泄漏孔径下油品在地面上的流散过程, 得到了油品扩展速度关于泄漏流量的关系式和关于管道压力、泄漏孔径、流散时间的流散面积偏微分方程组。位子阳[21]模拟了不同海底输油管道泄漏口方向与水流运动方向夹角下石油的运动轨迹，发现泄漏石油初始泄漏角度对泄漏石油上升至水面时水平方向移动的最远距离及时间都有明显的影响。
目前，对于油品泄漏的研究主要集中于液池的扩展方面，而忽略对油品火灾后果的考虑。输油管道失效后，受泄漏方式与点火时间等因素的影响，会发展成不同类型的火灾事故，主要的火灾事故类型为池火、流淌火和闪火等，而闪火的危险程度远小于池火和流淌火。因此, 本研究基于FERC模型与固体火焰模型对输油管道泄漏后流淌火及池火展开研究，旨在为油品泄漏火灾事故应急救援提供一定的理论指导。
泄漏孔径、点火时间、泄漏时间是影响流淌火以及池火发展的重要因素，因此，针对这3个因素设计相应的研究工况。设定油品泄漏后有5种点火时间，分别为：0 s、100 s、500 s、1 000 s、3 600 s。根据AQ/T 3046-2013《化工企业定量风险评价导则》的规定，泄漏孔径(直径)分别定为5 mm、25 mm、100 mm。输送管道压力为1.5 MPa，管径为200 mm。根据GB/T 37243-2019《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》, 可确定热辐射通量准则对应的损伤阈值。选取热辐射通量值为12.5 kW/m2时的距离为最大危险距离，其中的范围为危险区域范围。泄漏的油品为汽油，其相关物性参数汇总于表 1。
FERC模型的准确性已在先前的研究中得到证实[12, 22-23]。模型考虑了摩擦力和油膜形状对液池扩展的影响，包括运动方程和质量方程两部分。其中，质量方程为式(1):
式中：Vp为扩展的总油品体积，m3，Vp=Aph；Ap为扩展面积，m2；h为油膜平均厚度，m；Qin, m为油品的质量泄漏速率，kg/s；ρL为油品的密度，kg/m3；mv为液池燃烧速率，与油品本身有关，为单位面积上的油品在1 s内燃烧掉的质量，kg/(m2·s)，对于扩展过程中未发生点火的液池扩展, mv取0。
运动方程为式(2):
式中: r为液池扩展半径，m; t为扩展时间，s；g为重力加速度，m/s2；△为液面以上的油膜厚度的占比，取为1；φ为形状因子；CF为摩擦阻力，kg·m/s。
泄漏停止后，当前沿位置的油膜厚度小于临界值hδ时，液池将停止扩展。此临界值与重力、油品表面张力、黏性等有关。通过相关力的平衡可得临界值，一般用式(3)或式(4)进行估算：
式中：σ为液体表面张力，N/m；VL为运动黏性系数。
取式(3)与式(4)所计算的最大值作为最终油品扩展的临界厚度。
固体火焰模型是被国内外学者多次验证的池火计算模型[24]，且在流淌火计算方面也具有较好的预测性[12, 25]，具有考虑的影响因素全面、算法简单、准确度较高等优点。本研究将采用固体火焰模型对流淌火和池火的热辐射进行计算。
火焰外围物体所受到的辐射热流密度计算如式(6)：
式中：q为辐射热流密度，kW/m2；τ为大气透射率，不考虑湿度等影响，取值为1；E为向外辐射的功率，kW/m2，E=58×(10-0.00823D)[26]；D为液池直径，m；F为视觉因子，反映目标物体接受到的辐射占总发射的比例，范围为为0~1，由于考虑了最坏事故场景下的热辐射影响，视觉因子取为1[24]。
池火为液池稳定后遇到点火源发生的火灾，在泄漏过程中不考虑点火，因此本节仅针对流淌火展开研究。图 1为在中孔及大孔泄漏条件下，泄漏时间为3 600 s时不同点火时间下的流淌区域半径变化。从图 1可以看出，点火时间对于流淌区域扩展具有显著的影响。当点火时间较短，即点火时间为0 s和100 s时，流淌区域半径变化曲线几乎保持一致，在停止泄漏之前(3 600 s之前)，曲线呈现先增大后稳定的趋势。这是因为，流淌火中油品燃烧速率与流淌面积呈正相关，在泄漏前期，流淌区域面积较小，因此油品整体的燃烧速度也较小，导致油品的泄漏速率大于燃烧速率，流淌区域持续扩展。随着流淌面积的增加，油品燃烧耗量逐渐提升，当油品燃烧速率等于泄漏速度时，流淌区域半径将保持稳定。而在点火发生延迟时，即点火时间为500 s与1 000 s时，流淌区域半径发展将超过稳定燃烧的区域半径，并在点火后出现一个下降区段。分析认为，当点火时间延长之后，流淌区域在点火时能够达到较大的面积，此时燃烧速率大于泄漏速率，流淌区域半径开始减小。当点火时间为3 600 s时，与泄漏时间相同，即流淌面积在扩展至最大范围后发生燃烧，因此整个过程不会再出现稳定燃烧的局面。另外，从图 1可以看出，在同一泄漏孔径条件下，若泄漏持续时间足够长，油品稳定燃烧时的区域半径与点火时间无关。
图 2为不同点火时间下流淌火辐射热流密度随距离的变化。可明显看出，当点火时间较短，即点火时间为0 s和100 s时，热辐射影响范围几乎相同。这是因为点火时间较早，流淌区域半径在达到稳定燃烧时便不会再增加，因此最大流淌区域半径相同，相应的热流密度变化曲线也保持一致。而当点火时间较晚，即点火时间为500 s、1 000 s和3 600 s时，点火时间越晚，最大流淌区域半径越大，因此距火灾同等距离下的辐射热流密度值也越大，产生的事故危险区域范围也越大。另外，从图 2可以发现，泄漏孔径会改变点火时间对辐射热流密度的影响效果。如当油管为中孔泄漏时，辐射热流密度为12.5 kW/m2，点火时间为1 000 s时最大危险距离为19.23 m，点火时间为3 600 s的工况对应的距离则为31.62 m，两者相差12.39 m。而当油管为大孔泄漏、点火时间为1 000 s时，最大危险距离为67.20 m，点火时间为3 600 s的工况对应的距离为128.06 m，两者相差60.86 m，较于前者危险区域范围大幅度提高。由此说明, 泄漏孔径越大，点火时间延长会增强辐射热流密度，流淌火产生的危害将会更加严重，危险区域范围更大。
图 3为不同泄漏孔径下的流淌区域半径及液池区域半径随时间的变化(泄漏时间为3 600 s)。由图 3可以看出，随着泄漏孔径的增加，流淌火及池火的最大区域半径呈现显著上升的趋势。对于流淌火(见图 3(a))，当点火时间为0 s时，大孔泄漏所达到的最大流淌区域半径为36.21 m，而小孔泄漏最大流淌泄漏半径仅为1.63 m。另外，对于流淌火(图 3(b))，当点火时间较晚，流淌区域半径存在下降的区段时，达到稳定燃烧的流淌区域半径所用的时间随泄漏孔径的增加而变长。大孔泄漏需经历1 653 s才能到达稳定燃烧流淌区域半径，而小孔泄漏却仅需386 s。分析认为，在同样条件下，泄漏孔径越大，单位时间内油品泄漏量越多，达到点火时间时泄漏出的油品总量就越多，因此，发生点火后燃烧速率与泄漏速度达到稳定时的时间也就越长。池火较于流淌火最大区域半径提升效果更为明显(图 3(c))，大孔泄漏最大区域半径较小孔泄漏提升115.59 m。
图 4为不同泄漏孔径下流淌火及池火的辐射热流密度随距离的变化。对于流淌火，当点火时间为0 s(见图 4(a))，辐射热流密度为12.5 kW/m2，小孔泄漏工况最大危险距离为14.12 m，而大孔泄漏工况对应的距离却为37.55 m，高于前者2倍以上。在池火中(见图 4(c))，火灾辐射热流密度影响效果也同样与泄漏孔径呈正相关。不同之处在于，相对于前者，池火中泄漏孔径的增大对于辐射热流密度影响范围提升更为显著。对于池火，当辐射热流密度为12.5 kW/m2时，小孔泄漏工况最大危险距离为19.22 m，大孔泄漏工况对应的最大距离为127.85 m，为流淌火大孔泄漏时的3.4倍。由此也能说明，在相同条件下，池火的危害程度远高于流淌火。
图 5所示为不同泄漏时间下的流淌区域半径及液池区域半径变化(大孔泄漏条件下)，其中流淌火的点火时间为0 s。从图 5可以发现，随着泄漏时间的延长，流淌区域半径及液池区域半径的扩展都得到了显著的提升。然而，对于流淌火工况而言(见图 5(a))，不同泄漏时间下的流淌区域半径变化曲线存在较大的差异。分析认为，当泄漏时间为60 s和600 s时，泄漏时间过短，未能达到稳定燃烧所需的时间，流淌区域半径曲线未出现平滑区段。在池火中(见图 5(b))，不同泄漏时间下的液池区域半径变化曲线特征较为相似，液池区域半径随泄漏时间的延长而快速上升，直至停止泄漏。
图 6为大孔泄漏条件下不同泄漏时间流淌火及池火热辐射随距离的变化。可以看出，流淌火及池火的辐射热流密度强度与泄漏时间呈正相关，泄漏时间的延长会加强两种火灾对周围环境的影响。另外，对于点火较早的流淌火，流淌区域半径并不会持续增大，当流淌火达到稳定燃烧时，其产生的辐射热流密度最强，对应的危险距离也最大，此时火灾不受泄漏时间的影响。而对于池火而言，点火发生于泄漏稳定之后，因此池火产生的辐射热流密度强度将一直受泄漏时间的影响，危险区域范围不断扩大。以上分析从一定程度上同样说明了池火的危害性高于流淌火。
(1) 最大流淌区域半径与辐射热流密度的影响范围随点火时间的延长而增大。点火时间较早，流淌区域半径曲线呈先增加后稳定的趋势，最大流淌区域半径为稳定燃烧阶段的区域半径；发生延迟点火时，最大流淌区域半径发展将超过稳定燃烧的区域半径，并在点火后出现一个下降区段。油品稳定燃烧时的区域半径与点火时间无关。泄漏孔径会改变点火时间对辐射热流密度的影响效果。
(2) 流淌火与池火中，随着泄漏孔径的增加，最大流淌区域半径呈现数倍激增的趋势，辐射热流密度输出强度也随之提高，危险区域范围扩大。在相同的泄漏孔径下，池火的最大液池区域半径远高于流淌火火灾的流淌区域半径，对应的辐射热流密度输出强度也远高于流淌火。由此说明，在相同条件下，池火的危害程度远高于流淌火。
(3) 对于流淌火，当泄漏时间大于达到稳定燃烧需要的时间时，随着泄漏时间的增加，流淌区域半径保持不变，为稳定燃烧时的流淌区域半径，此时危险区域范围达到最大。在池火中，不存在稳定燃烧阶段，液池区域半径及辐射热流密度将一直受泄漏时间的影响，危险区域范围持续扩大。
2021, Vol. 50 Issue (3): 127-133
2021, Vol. 50 Issue (3): 127-133