喷射火对输油管道热影响实验平台设计与验证*

余东亮，刘奎荣，吴东容，蒋 毅，轩 恒

(国家管网集团西南管道有限责任公司，四川 成都 610000)

0 引言

近年，我国油气管道建设规模稳步增长，随着管道建设规模增大，单管敷设方式的局限性日渐突出，而并行敷设方式在设计效率、征地面积、建设施工、管理维护、生态保护等方面具有显著优势，已在国内多条管道得到实践[1]。对于并行敷设的油气管道，当天然气管道由于腐蚀、材料老化等内部或外部因素发生喷射火事故时，有可能造成相邻输油管道破裂失效[2-3]。目前，针对天然气管道喷射火对相邻输油管道的影响，以数值模拟研究为主，李镇裕等[4]通过模拟不同环境风速下架空管道天然气泄漏燃烧过程，分析失效天然气管道喷射火对相邻天然气管道的影响。赵鑫晨[5]以并行长输油气管道为研究对象，采用理论分析、编程计算和模拟验证等方法对天然气管道燃烧失效、天然气管道与其并行管道的换热失效、并行管道受热失效3个过程进行研究。张伊恒[6]基于CFD理论，利用FLUENT模拟不同管输压力、泄漏孔径、泄漏方向、间距下泄漏燃烧对相邻管道影响情况。Mazzola[7]基于CFD理论和半经验公式，研究天然气管道发生高压喷射火灾时对并行天然气管道产生的热效应。Patej等[8]搭建喷射火灾对管道热影响实验装置，确定喷射火的特性与水流穿过钢管的热响应，并通过热电偶监测来量化管道热响应。Abbasi[9]通过模拟在管道完整情况下，喷射火直接冲击管道和管道发生泄漏后立即点火的场景，得到管道屈曲失效原因、泄漏孔大小和位置，对延迟/避免灾难性管道故障的影响。

一些国内外学者在研究并行管道中天然气管道失效继而发生火灾对相邻管道产生热影响时，更多通过数值模拟和对事故现场统计分析[10-12]研究相邻管道温度分布及失效概率，极少部分学者利用实验方法研究喷射火对输水管道的热影响。由于喷射火实验具备一定危险性，且高温下油品可能大量挥发产生油蒸汽，暂未发现有学者搭建喷射火对输油管道的热影响实验平台。数值模拟方法无法模拟高温下管材机械性能的变化规律[13]。因此，本文为研究天然气喷射火对流动状态下相邻输油管道的影响，设计并搭建天然气喷射火对输油管道的热影响实验平台，并验证该实验平台具备一定的可行性与安全性。通过更换管道、燃烧介质和油品介质，实验平台可应用于不同条件下的热影响实验，并结合材料性能测试手段，研究高温对管材性能的影响，研究结果可为油气并行管道的安全运行提供相关实验依据。

1 实验平台设计及实施

1.1 设计目的与思路

搭建实验平台是为了尽可能还原油气并行管道天然气喷射火灾场景，研究天然气喷射火条件下火焰、输油管道管壁、油品的温度分布，以及喷射火灾对管材性能的影响。

根据功能划分，实验平台由环道及冷却系统、火焰系统、控制及数据采集系统3个部分组成。其中，环道及冷却系统设有储油罐以储存柴油，充当流量缓冲设备；油罐内设置换热盘管用以冷水与热油换热；储油罐顶部盖板上设置排气管用以集中排放油蒸汽，避免油蒸汽任意飘散导致发生危险；采用防爆型管道泵为环道系统提供动力，在泵入口前设置过滤网以防止焊渣、铁锈等损伤管道泵；环道管道分为测试管段和非测试管段，非测试管段法兰垫片采用普通橡胶垫片，测试管段法兰垫片采用耐高温的石墨垫片，防止高温下测试管段法兰连接处出现渗漏；测试管段两端法兰连接处分别设置手动球阀，便于更换测试管道。火焰系统中，采用高压甲烷气瓶提供燃料，通过面板式流量计测量甲烷流量，结合减压阀将天然气流量控制在所需范围内，通过火焰喷头模拟天然气喷射火。控制及数据采集系统中，通过变频器控制泵的转速，进而调节油品流量；通过涡轮转子流量计测量油品流量；环道上安装有压力变送器及温度传感器，以记录管内油品压力、温度、管壁温度等数据；测试管段外壁安装有耐高温的K型热电偶，以记录天然气的火焰温度；流量、压力、温度信号均通过屏蔽导线连接至数据采集器，并通过无线传输模块远程传送至计算机终端，用以数据远程实时显示与存储；实验平台电源总开关、泵开关、紧急关断按钮、采集器现场只读屏幕均集成在1个控制柜中，便于集中控制实验平台。

1.2 搭建过程

天然气喷射火对相邻柴油输送管道热影响实验平台由储油罐、防爆管道泵、电磁阀、油品流量计、90°弯头、压力变送器、温度传感器、非测试管段、截止阀、测试管段、法兰、火焰系统、数据采集系统、无线数据传输模块14个部分组成，如图1所示，主要设备参数如表1所示，平台主要设备及功能如下：

图1 实验平台示意Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

1)储油罐：设有换热盘管、过滤网、排气管、温度传感器及排油口。换热盘管材质为导热系数较大的紫铜，内部有常温清水通过，为热油降温，避免油品温度过高；储油罐出口设置过滤网，储油罐顶部盖板设置排气管；采用pt100铂热电阻实时监测储油罐内柴油温度，其测温范围可达800 ℃；储油罐底部设置排油口，需要更换介质或实验完成后，可利用排油口将柴油排放至指定容器。

2)防爆管道泵：为确保在较大黏度范围内仍能正常工作，选用防爆型齿轮油泵，现场油品经济流速为1.5 m/s左右，本文实验环道管径为DN50 mm，据此选择的齿轮油泵额定流量为200 L/min。

3)电磁阀：在储油罐前和防爆管道泵后设置耐温达80 ℃的电磁阀，与管道泵电源联动，实验中发生危险时可瞬间切断油罐与环道的流通路径，同时关断管道泵电源。

4)油品流量计：由于流量相对较小，采用测量精度高的涡轮转子流量计实时测量管内流量。

5)90°弯头：规格为R=1.5D，距测试管段长1 m，以保证流体以稳定流场经过实验管段。

6)压力变送器：量程为0～1.6 MPa，用以实时监测实验过程中管道内油品压力。

7)温度传感器：pt100热电阻温度传感器(量程≤800 ℃)实时监测柴油及管壁温度；K型热电偶(量程≤1 300 ℃)用以测量喷射火温度。

8)非测试管段：环道搭建主体，管道尺寸DN50 mm×5 mm。

9)截止阀：更换测试段时，关断位于测试管段两端的截止阀，防止大量油品流出环道系统。

10)测试管段：外壁与喷射火焰直接接触承受高温，内壁与柴油接触，模拟天然气喷射火灾发生时相邻输油管段，实验完成后，取下测试管段，通过测量管材强度、硬度、金相组织等变化，研究火灾对管材性能的影响。

表1 实验平台主要设备参数Table 1 Main equipment parameters of experimental platform

11)法兰：连接实验平台各个组件，便于装卸(实验环道共用13对法兰，其余为支线未标出)。

12)火焰系统：模拟管道内天然气燃烧状态，通过调节天然气流量与火焰喷头到测试管段的距离，进行不同喷射火场景下热影响研究实验。

13)数据采集系统：包括环道系统整体电源控制、泵开关控制及流量调节、温度传感器数据采集及压力传感器实时采集，通过定制开发，数据采集软件实时显示并存储实验数据。

14)无线数据传输模块：无线传输距离可达3 km，将采集器信号无线传输至计算机终端，保证实验人员安全。

整个环道系统放置于高1.2 m铝合金支架上，该高度符合人体工程学，可有效避免实验人员在拆装实验平台时产生的腰部疲劳；铝合金支架下端固定于双层钢板底座上，底座4个角安装有吊环，方便运输，整个实验平台实现撬装化，降低对实验场地的要求。搭建完成的实验平台如图2所示，定制开发的数据采集软件界面如图3所示。

图2 实验平台安装现场Fig.2 Installation site of experimental platform

图3 数据采集软件界面Fig.3 Interface of data acquisition software

1.3 实验流程

为保证实验安全有序进行，提前制定实验流程，详细步骤如下：

第1步：组装实验平台。距离测试管段两侧法兰各0.25 m处的3点钟、6点钟、9点钟与12点钟方位，安装pt100铂热电阻测量管壁及油品温度，在火焰喷头附近安装K型热电偶，详细位置如图4所示。

图4 K型热电偶安装位置Fig.4 Installation positions of K-type thermocouples

第2步：密闭性测试。将环道中充满水，在防爆管道泵提供的最大压力下保持一定时间，压力表读数保持稳定且环道无渗漏现象说明环道密封性良好，可开展实验。

第3步：进行天然气喷射火对相邻输油管道热影响实验，具体骤如下：

1)对储油罐、阀门、法兰、防爆管道泵、火焰喷头及甲烷气瓶进行安全检查，对压力变送器及温度传感器进行标定与检查。

2)打开储油罐与测试段两端阀门，调节防爆管道泵流量，使管内柴油流速处于匀速状态并达到实验测试所需流速。

3)打开甲烷气瓶与火焰喷头阀门，点燃火焰，火焰大小通过调节天然气流量进行调整。

4)数据采集系统每隔1 s采集测试管道内柴油温度、管内外壁温度、火焰温度、环道内压力与温度变化等数据，并通过无线数据从传输模块远传至50 m外的计算机终端。

5)实验结束后，关闭火焰喷头与甲烷气瓶阀门，保存实验测试数据记录。

6)继续运行齿轮油泵，使测试管段温度降低至安全水平，以便实验人员更换测试管段。

7)关闭齿轮油泵，拆卸相关实验仪器，进行检查或保养，进行下组实验时按实验方案更换测试管段。

2 验证实验及结果讨论

2.1 实验条件

本文实验测试管段Φ60.3 mm×8 mm，长2 m，通过变频器将管内油品流速调节至约1.5 m/s，实验介质为0#柴油，测试管段加热长度为1 m，火焰喷头距离管壁4 cm。进行实验时，通过减压阀将甲烷流量稳定至12 Nm3/h。实验时采集并记录测试管段内外壁温度、柴油温度、火焰温度及流量等数据，便于后续深入分析。

2.2 实验数据分析

管内压力和流量随时间变化如图5所示，泵入口压力始终小于出口压力，压力曲线始终在小范围内波动，其原因可能是齿轮泵啮合齿间断性泵出油品，流量波动导致压力波动。此外，电机运转引发实验平台振动也会导致压力波动。实验初始阶段，泵入口和泵出口压力均较高，随后逐渐下降并趋于稳定，这是由于喷射火导致油品温度上升，进而使油品黏度降低、管内压力下降。实验中保持电机转速不变，因此流量仅在很小范围内波动。

图5 管内压力和流量随时间的变化Fig.5 Variation of pressure and flow rate in pipe with time

利用红外相机记录测试管段红外温度场图像和可见光图像，如图6所示，红外相机测得最高火焰温度约1 112.7 ℃，喷射火焰完全包围住测试管段，达到预期效果。

图6 实验场景下测试管段红外图像与可见光图像Fig.6 Infrared image and visible image of testing pipe section in experimental scene

K型热电偶测得不同位置火焰温度如图7所示，K14热电偶测得的火焰温度最高，约为1 077 ℃，与红外相机所得数据相近；不同位置火焰温度均有所差别，说明K型热电偶布置点位能够尽可能多地反映出火焰流场温度变化；由于实验在室外进行，实验时受到环境风速影响，导致火焰有所偏转，火焰温度存在波动。

图7 测试管段不同位置火焰温度随时间的变化Fig.7 Change of flame temperature with time at different positions of testing pipe section

测试管段出入口处壁温、油温、温差随时间变化如图8所示。实验初始时刻，油温约为27.5 ℃，壁温约为27.8 ℃，进出口油温温差约为0.1 ℃。由于喷射火焰持续灼烧管道，测试管段柴油及管壁温度开始上升，油温温差逐渐增大。一段时间后，管内柴油温度及管壁温度趋于稳定，在57.2～65.8 ℃，油温温差在2.0～2.5 ℃之间小范围波动。通过查阅文献[14-15]，我国柴油初馏点均在150 ℃以上，本文实验平台最高油温为65.8 ℃，低于柴油初馏点，实验过程中不会有大量轻质组分挥发，说明实验平台冷却系统能够有效控制柴油温度，保证实验安全进行。

图8 测试管段出入口壁温、油温、温差随时间的变化Fig.8 Variation of wall temperature,oil temperature and temperature difference at inlet and outlet of testing pipe section with time

3 结论

1)实验平台环道密闭性良好，所需流量、压力、温度信号均能实时无线采集，冷却系统能够将柴油温度控制在低于初馏点的温度，火灾实验平台具备一定的可行性与安全性。

2)实验平台可进行不同管道规格及材质、火灾形式、油品介质及流速条件下的热影响实验，结合材料性能测试手段，进一步研究喷射火对管材性能的影响，可为并行管道安全运行提供参考依据。