输油管道泄漏燃爆对邻近桥墩安全风险响应研究

王腾

输油输气管道事故具有重大危险性，事故频发给邻近建筑物的安全风险管理提出了挑战。文章依托湖南省某高速公路上跨输油管道工程，分析了输油管道运营事故对邻近桥墩带来的安全风险，并采用LS-DYNA有限元软件对泄漏燃爆进行数值模拟，提出通过设置减震带、集油槽、减少扰动、加强监测等方式进行风险响应，为类似交叉工程的安全问题处理提供参考。

安全风险;输油管道;泄漏;燃爆;安全防护

文献标识码：U442.5+5-A-21-066-4

0 引言

目前我国“十四五”规划编制工作正在开展，高速公路已形成横跨东西、纵贯南北、覆盖全国的格局;同时，政府大力支持城市管网的建设，通过电力、电讯、燃气、输油管道给全国各地输送资源，从而存在路网与管线纵横交错、高速路网走廊带与管线相互交叉的现象，易导致管道事故，如青岛“11·22”中石化东黄输油管道泄漏爆炸[1]、贵州天然气输气管道泄漏燃爆等。据统计，我国油气管道事故率平均为3次/1 000 km，远高于国外的油气管道事故率[2]，解决路网与管线之间的交叉安全问题已迫在眉睫。本文结合湖南省某高速公路，分析既有输油管道泄漏燃爆对邻近高速桥墩造成的安全风险，为类似工程的安全风险分析提供参考。

1 工程概况

湖南省某高速公路立体交叉上跨三条既有输油管线，分别为航空煤油长输管道（①号，管径159 mm）、中石油兰郑长成品油管道（②号，管径300 mm）、航油长输油管线改造项目管道（③号，管径323.9 mm）。

桥梁跨径布置为（30+30+35）m+（35+35+30）m，①号、②号管线位于2#墩与3#墩之间，③号管线位于3#墩与4#墩之间。桥墩桩基边缘距管线最小距离为5.5 m，路线与三条管道的交角依次为73°、77°、81°。桥下被交道为规划一级公路，路基宽58 m，其中第一联35 m跨越三条输油管道、第二联两跨35 m跨越规划市政道路。桥梁上部构造为现浇箱梁，下部构造采用柱式台配桩基础和柱式墩配桩基础。在桥梁左右幅中间红线范围内设置5.5 m宽便道，便道从输油管线上通过。

2 安全防护设计

根据交公路发〔2015〕36号文，新建公路与既有油气管道交叉时，可采用桥梁方式跨越管道通过，交叉角度≥15°，油气管道与两侧桥墩（台）的水平净距应≥5 m，对埋地管道可采用钢筋混凝土盖板等保护措施。

以管道为中心，沿管道顶部地面上设置钢筋混凝土盖板和保护涵，确保施工时期管道安全。防护盖板沿输油管道方向布置，宽3 m、防护长度为16 m;保管涵沿输油管道方向布置，宽3 m、防护长度为5.5 m，布设范围为下落步塘分离式立体交叉桥红线内及施工临时便道。施工期间，在管道两侧5m处设置警戒线，禁止机械设备对管道附近土体进行碾压。

2.1 桥梁下方钢筋混凝土盖板防护

钢筋混凝土盖板长度为桥梁施工红线范围，需保护管道的长度为16 m。盖板采用整体浇筑，设置在管道顶部地面，首先采用10 cm厚碎石垫层进行基底处理，然后顶部浇筑15 cm C30钢筋混凝土盖板。

2.2 便道管道盖板保护涵防护

为保证便道能够通过该管线且不对其造成损坏，计划在该管线上设置钢筋混凝土盖板保护涵，保证对管线左右两侧1.5 m范围内无重压力。此钢筋混凝土盖板保护涵跨径为3.1 m，净高分别为2.5 m、1.36 m，长5.5 m;涵洞基础为C25混凝土，分离式基础，基底承载力要求≥0.3 MPa;基底换填采用回填土，涵顶填土厚度为3.19 m。钢筋混凝土盖板保护涵两侧填土压实，并设置限速标志。①号保护涵与②号保护涵的距离为5.53 m，②号保护涵与③保护涵的距离为38.21 m。

3 泄漏燃爆分析

3.1 泄漏量計算

本工程跨越的石油管道为压力管道，管道设计压力最大值为7.0 MPa，管道直径最大值为324 mm，管道输送介质为成品油（汽油、煤油）。

液体泄漏定量分析是以易发生泄漏的设备为研究对象，对可能发生的事故类型、事故的严重程度进行泄漏后果分析。

（1）泄漏模型（考虑最不利的情况）

泄漏介质：汽油。

泄漏压力：7.0 MPa。

泄漏孔径（直径）D=324 mm。

泄漏时间：在实际生产过程中，由于采取压力、流量检测与控制等措施，加之作业现场有人员巡视，在计算泄漏量时，泄漏持续时间分别按瞬时泄漏30 s、连续性液态泄漏10 min考虑。

（2）泄漏速度的确定

根据液体泄漏速度可用流体力学的伯努利方程计算，其泄漏速度为：

Q0=Cd×A×ρ×[2（P-P0）/ρ+2gh]1/2（1）

式中：Q0——液体泄漏速度（kg/s）;

Cd——液体泄漏系数，一般取0.60～0.64（取0.62）;

A——裂口面积（m2），裂口取管径的20%，裂口面积A=0.2×（Π/4）×D2=0.2×（3.14/4）×0.3242≈0.016 5 m2;

ρ——泄漏液体密度（kg/m3），汽油密度一般在0.79 kg/L;

P——管道内介质压力（Pa）;

P0——环境压力，Pa（与管道压力相比，忽略不计）;

g——重力加速度，9.8 m/s2;

h——裂口之上液体高度（m），在此h的值取为0。

经计算可知：

Q0=0.62×0.016 5×0.79×（2×6.3×103/0.79+2×9.8）1/2kg/s=1.02 kg/s。

（3）泄漏计算结果

当管道发生瞬间泄漏30 s，泄漏量为30.63 kg;如果发生连续泄漏10 min，泄漏量达到612 kg，会在地面大范围流淌并扩散，对环境造成污染，若遇火源，可引起燃烧爆炸，后果较严重。因此在管道输送过程中安排有关人员现场值守，发现泄漏及时关闭阀门、停止作业，能有效地防止大规模漏油事件的发生。由于油管埋深为0.8～1.2 m，受人为破坏及管道发生裂口（20%管径）泄漏的可能性较低。致险因素一般为管道破裂断损、管道裸露在外、油物大量露出并遇明火等，管道燃油燃爆风险严重性较高。

3.2 燃爆后果分析

输油管道燃爆场可以看成球形对称，采用球形坐标形式，描述球形燃爆理论模型为：

ρt+1r2 （ρμr2）r=0（2）

（ρμ）t+1r2 （ρμr2）r=-pr+1r2 rμr2ur（3）

（ρT）t+1r2 （ρμTr2）r=1r2 rλr2Cp Tr+Rfuq（4）

（ρYfu）t+1r2 （ρμYfur2）r=1r2 rλr2Cp Yfur+Rfu（5）

式中：P——压力（Pa）;

ρ——密度（kg/m3）;

μ——速度（m/s）;

T——绝对温度（K）;

Yfu——燃料质量分数;

u——动力黏度（Pa·s）;

λ——导热系数[W/（m2·k）];

D——扩散系数（m2/s）;

Rfu——反应速率;

q——燃烧热（kJ/mol）。

不考虑3根输油管同时燃爆，仅考虑3号输油管道燃爆对4#桥墩（距离最近）的安全性影响。桥墩参数：墩高为8.286 m，墩径为160 cm，桩长为29 m，桩径为180 cm。燃油管道参数：航油长输油管线改造项目管道，线路水平长约37.67 km，管径D为323.9 mm，设计压力为6.3 MPa，线路用钢管材质L290，埋深按1.0 m计。采用LS-DYNA有限元软件进行计算，其数值模拟模型如图1所示。材料参数见表1。

为具体分析燃爆对桥墩的影响，在桥桩墩上设置监测点，如图4所示。

经计算，各监测点应力时程如图5～6所示。

由图5与图6可知有效应力最大值为13.411 MPa，第一主应力最大值为2.936 5 MPa，均为E点（474340单元），即经爆破应力波的传播与反射，在桩墩交界面靠近油管处达到最大值。该处桥梁桩基混凝土桥墩为C30，墩柱混凝土为C40，因此在发生燃爆事故时，桥梁桩墩受压受拉性能是安全可控的。

4 结语

（1）输油管道10 min可泄漏612 kg，需设置集油槽防止液油蔓延造成环境污染。

（2）输油管道泄漏燃爆对桥梁的有效应力最大值与第一主应力最大值均小于C40混凝土的屈服强度，对桥墩的安全风险可控。

（3）设置宽0.5 m、深1.5 m且与桥墩系梁长度等长的减震带，减小桩基施工对管道以及管道燃爆对桥桩的安全影响。

（4）采用人工探坑的方式明确管道的具体位置，设置安全防护区，管道周围60 cm区域不允许扰动原状土。

（5）加强监测，一旦出现预警值立即响应处理。在施工过程中采用地面振动测试仪进行地面质点垂直振动测试，加强技术措施，使测试值≤10 cm/s。

参考文献

[1]安全监管总局人事司（宣教办）.山东省青岛市“11·22”中石化东黄输油管道泄漏爆炸特别重大事故调查报告[EB/OL].http：∥www.mem.gov.cn/gk/sgcc/tbzdsgdc/2013/201401/t20140110-245228.shtml.2014-01-10.

[2]李晶晶，朱 渊，陈國明，等.城市油气管道泄漏爆炸重大案例应急管理对比研究[J].中国安全生产科学技术，2014，10（8）：11-15.

[3]何乐平，王泽帆，胡启军，等.埋地管沟内输油管道泄漏扩散规律研究[J].安全与环境学报，2019，19（4）：1 232-1 239.

[4]龚 燚.燃气管线入综合管廊的抗爆防护技术研究[D].南京：南京理工大学，2018.

[5]雷 正.液体动力燃料燃爆特性研究[D].南京：南京理工大学，2015.

收稿日期：2021-03-18

基金项目：广西科学研究与技术开发计划项目（编号：1298011-2）;长沙理工大学实践创新与创业能力提升计划项目（编号：SJCX201926）

作者简介：王 腾（1989—），工程师，主要从事公路工程施工管理工作。