天然气管道作为清洁能源，在我国能源消费中占比不断提升。在保障能源供给的同时，管道泄漏引发的安全事故也时有发生。天然气管道发生断裂时，因压力容器物理爆炸而形成弹坑，瞬间释放大量天然气与管道断裂处高速摩擦，进而引发燃烧爆炸事故。因此全管径断裂作为一种极端的泄漏工况，在天然气管道事故后果分析中应予以重视。本文通过多种模型对比分析输气管道断裂后的天然气泄漏速率，采用计算流体力学软件Flacs等多种方法分析可燃气体体积分数分布以及火热辐射影响范围，以期为管道规划和安全保护提供参考。
管道断裂泄漏速率
目前已有气体泄露率的常用计算方法适用于小孔泄漏的孔模型和管道发生全截面断裂的管道模型。但全管径断裂条件下的泄露速率还存在较大差异。气体在管内流动时，由于管内外压力差较大，气体密度变化较大，可把管内气体看成可压缩流体，应用连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程描述气体的流动过程。管道在发生断裂后，泄漏速率会因压力的急剧下降而减小。本文利用有效泄漏速率Qeff的计算方法：
式中：
为泄漏衰减系数，推荐值是0.33；Cd为泄漏系数，取0.62；d为管径，m；p为管道内压，Pa；a0为管道介质中的音速，m/s，
对于天然气，其值为442；为天然气的流体系数，取0.76。
以某天然气长输管线为例，该管道的管径为813mm，设计压力为10.0MPa，设计输量为58.1
108m3/a，分别采用GRI、PHAST软件以及ALOHA软件计算该管道发生全管径断裂时的泄漏速率，如下表可示：
表1 813管道全管径断裂泄漏速率
道断裂气体扩散范围
管道断裂后会释放出大量的天然气，压缩气体与管道的高速摩擦会产生火花引燃气体，以及引发喷射火。但是，若气体未被及时引燃，则可能在管道周边扩散，一旦进入建筑物，易引发爆炸事故。本文采用Flacs软件，以813管道为例，泄漏速率分别选择GRI模型和ALOHA软件计算结果，进行管道断裂气体扩散模拟。图1为4种不同工况下稳定后的气体体积分数分布。
从图上模拟结果可知，在山坡等较高处存在村庄的情况下，天然气管道应避免从山谷穿越。由1d图可知，如果管道周边存在敏感目标时，可以考虑在管道和目标中间建设围墙、种植树木等方式避免极端工况的危害。
图1 管道全管径断裂后的气体
体积分数分布
管道断裂喷射火热辐射影响范围
点源模型是将整个火焰向外热辐射的能力看作是由一个点以球面的形式向外发出，基本思想是用热辐射能量除以球面积，适合于火焰特征长度距离较远的热辐射强度计算。GRI推荐的方法如下：
式中：I为热辐射强度，kW/m2；η为燃烧效率，取0.35；Xg为热辐射份数，取0.2；Hc为燃料热值，kj/kg；r为管道断裂点到热辐射目标点的距离，m。
本文利用Flacs软件模拟813管道全管径断裂喷射火，并于其他方法进行对比。图2为不同工况下地面处的热辐射强度分布。地面作为辐射热流密度的接收面时法线方向为竖直向上，风速自左向右。
由图2可以看出，在泄漏速率为667kg/s，风速为3m/s时，校园内大部分区域的地表热辐射强度处于5~10 kW/m2之间，但当风速增大至9m/s后，校园内大部分区域的地表热辐射强度增大至15.8~25.4 kW/m2之间。当泄漏速率设置为3671 kg/s时，地表热辐射强度可达50~75 kW/m2，而当泄漏速率设置为6267 kg/s 时，地表热辐射强度更是高达75 kW/m2以上。
图2 管道全管径断裂喷射火对应的
地面处热辐射分布
表2列出了风速为3m/s时，采用多种方法计算的813管道泄漏速率及3种临界热辐射剂量标准所对应的安全距离。其中，采用PHAST软件，垂直喷射火情景15.8kW/m2对应的距离大约为169m，而水平喷射火可达735m，水平撞击喷射火约为384m。若采用GRI推荐的点源模型，仍以其经计算所得3671kg/s的泄漏速率计算，得到的影响范围为254m。
表2 不同计算方法得到的
813管道断裂喷射火影响范围
结论
1
当喷射方向竖直向上时，下风向地面处的天然气体积分数远低于爆炸下限，但应注意管道周边的较高处不能存在居民区等敏感目标；当管道水平喷射时，管道下风向地面处的体积分数高于爆炸下限，但建筑物的阻挡和抬升作用能够有效降低其后的气体体积分数。
2
基于不同模型得到的泄露速率，以813管道为例，不同方法计算得到的热辐射影响范围会存在一定的差异，但均大于250m，为未来管道路径规划及高后果区风险防控提供参考。
