地下综合管廊燃气泄漏爆炸的荷载确定方法
技术领域
本发明涉及地下综合管廊(燃气入廊)结构设计
技术领域
，尤其涉及一种地下综合管廊燃气泄漏爆炸的荷载确定方法。背景技术
目前我国正在大力推行综合管廊基础设施建设，鼓励燃气入廊，便于统一管理。由于综合管廊配备了现代化的监控、预警和控制系统，能够在一定程度上减少燃气安全事故的数量。然而在封闭的燃气舱室中一旦发生燃气的泄漏爆炸，造成的后果可能会更加严重。因此，综合管廊发生天然气泄漏爆炸带有事故风险值低，事故后果严重的特性，在进行抗爆设计时，规范中关于气体爆炸的荷载取值方法不再适用，需要开展相关的研究。
作为一种常用的荷载取值方法，定量风险评估(QRA)使用有限数量的计算结果定量描述某一事件所造成的影响及其可能程度。规范中对与化工行业各类设施面临的风险水平计算进行了详细的说明，并建议在进行爆炸荷载风险评价时使用CFD的结果进行支持。Hansen等首先提出采用CFD的技术进行气体爆炸的风险分析；Yet等使用FLACS气体爆炸软件，对石油化工储罐区的热量、超压峰值和冲量进行了定量风险评价，并给出了不同区域的个人风险值。此后，随着计算机水平的发展，相关研究更多的围绕影响风险评价结果的各类因素展开，如仿真场景数量与仿真场景的代表性。并且致力于提高现有风险评价体系的精细化程度，力求增强预测结果的鲁棒性。然而，相关研究局限于过程工业领域，能够直接应用于综合管廊抗爆设计的结论较少。而且气体的泄漏扩散和爆炸是一个全过程，鲜有将二者结合在一起考虑，因而对于新场景的应用具有一定的局限性，亟需提出针对综合管廊的燃气泄露爆炸荷载取值方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种地下综合管廊燃气泄漏爆炸的荷载确定方法。
本发明为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于风险评估的综合管廊燃气泄露爆炸的荷载取值方法，该方法的实现流程如下：
1、整体流程
风险评估是一种定量评价某事件造成影响及其可能程度的统计方法。在离散化的风险指标空间中，每个元素R整合了某个危险场景及其所携带的信息。
R＝{<Si,Li,Ci>} (1)
式中，R为风险程度，Si为第i个危险场景，Ci为Si的后果，Li为Ci发生的可能性，
将“综合管廊发生天然气泄漏爆炸”定义为危险场景集合S。将“爆炸超压峰值和冲量”分别作为后果集合CP和CI。
2、失效频率模型
由于目前没有任何关于综合管廊内天然气管道失效泄漏的数据，因此选用欧洲气体管道事故数据组织(EGIG)的长输天然气管道事故数据库作为参考。EGIG中将导致一次偶然气体泄漏的意外定义为一次失效，根据等效泄漏直径d的不同，将失效类型分为小孔(d<20mm)、大孔(20mm<d<300mm)和断裂(d＝管径)三类。考虑以下三点因素对EGIG的统计数据进行合理选择并修正后使用：
(1)失效频率Ff逐年下降，并于本世纪初以来稳定在较低水平，因此选择2007年～2016年近十年的统计数据作为参考。
(2)综合管廊天然气管道直径d通常在300～600mm之间，因此选择279.4～584.2mm的统计数据作为参考。
(3)当燃气入廊之后，基本杜绝了第三方破坏导致的失效，而且会在很大程度上降低自然灾害的作用，因此将第三方破坏和自然灾害的影响分别降低90％和60％后计算。
结合上述考虑，根据EGIG统计数据最终计算得到的失效频率，以此作为综合管廊中天然气管道发生泄漏的失效频率。
根据《综合管廊燃气管道舱室配套设施设计与施工》(18GL502)的规定，燃气入廊时必须配备紧急切断系统。因此，当紧急切断系统工作后，泄漏孔处将发生非稳态泄漏，从上游被截断阀位置处开始，泄漏管道段将被简化成一个固定容积的刚性容器，可以根据文献Montiel H,Vílchez J A,Casal J,et al.Mathematical modelling of accidentalgas releases[J].Journal of Hazardous Materials,1998,59(2–3):211-233中的泄漏模型，计算泄漏流量Q(t)。
3、样本选择方法
从理论上讲，危险场景集合S中的元素个数有无穷多个，不可能对所有的危险场景进行计算和分析。因此，需要科学地选取有限数量的危险场景进行计算和分析，从而得到可靠的风险评估结果。确定某一个危险场景Si，至少需要泄漏发生位置、泄漏方向和泄漏流量三个参数，记为Si(X1,X2,X3)。
由于综合管廊狭长的特点，仅通过沿长度方向的X坐标即可定义泄漏发生位置。在200m长的防火分区中，泄漏发生的位置是随机的，假设X1在[0,200]上服从均匀分布。直接采用蒙特卡洛方法有可能会使抽样结果和原分布存在很大差异，因此依据分层抽样原则，先将[0,200]平均分成五个区间，从防火分区中轴线到两边依次称为正中区、内部区与端部区，从理论上讲，泄漏可以沿着任意方向发生，但为了简化问题，认为在空间直角坐标系下，泄漏只能沿±X，±Y和±Z方向发生。其中X方向用来表示α<45°的情况，因此，X2是离散型随机变量，在{±X,±Y,±Z}中随机取值，且每个方向被选中的概率都是1/6。小孔、大孔与断裂失效频率的比值近似为14:4:1。因此X3是能够反映出上述比例关系的随机变量。在考虑大孔泄漏时，由于20mm和300mm对应的泄漏流量的差异可能接近两个数量级，因此可以按照等比原则先将其取值范围分成若干小区间，再从各小区间内进行选择。因此，Si可以看作一个三元随机变量，维度之间相互独立且服从不同分布。
4、累计点火频率
假设管廊中各个位置出现点火源的可能性相同，且随着泄漏气体逐渐扩散，可燃气云体积不断发展。在管廊相对封闭的空间中，点燃发生必须同时满足存在点火源且该处混合气体浓度在爆炸极限范围之内，因此，基本点燃概率p为：
式中，sp为存在火源的可能性；FLAM为可燃气云体积(m3)；V为防火分区总体积(m3)。
构建点燃事件树，在每一秒结束的时候，将会判断是否点燃，某时刻的点燃概率使用条件概率计算，即恰好在第t秒被点燃的概率P0t为：
一般情况下，我们更关注的t秒内累积点燃概率Pt为
通过以上方法构建的累积点燃概率，仅有一个经验参数sp，具备实用性。并且同时考虑了真实可燃气云发展过程和其随时间增长的特点。
5、泄漏爆炸联合仿真
根据计算的泄漏流量以及选取合适数量的仿真工况，进行气体泄漏扩散和爆炸的联合仿真，将每一泄漏量下的爆炸后果一一对应。
5.1可燃气云累积频次曲线
FLACS泄漏扩散模拟计算结束后，在rt.FUEL文件中除了会生成可燃区域体积FLAM，还会生成等效可燃气云体积Q9。Q9将得到的非均匀可燃气云体积，按照一定规则等效成为能够完全燃烧的均匀可燃气云体积，Q9为：
式中，Vi(i＝1,2,…n)是流场中可燃区域所占据的各控制网格的体积(m3)；ERi是其中第i个控制网格的混合气体当量比；ERfac(ERi)反映了层流火焰燃烧速率的影响；Ve(ERi)反映了气体膨胀能力的影响。
5.2等效可燃气云与爆炸后果相关关系
在泄漏扩散模拟生成的数据结果文件中，随机抽取一定数量进行真实气云爆炸模拟，旨在建立可燃气云与爆炸后果的相关关系。这样的处理方式有两个优点：第一，由于气云大小、气云形状、气云位置、点燃位置和当量比等诸多因素都会影响气体爆炸的后果，直接通过气体爆炸仿真开展定量风险评估需要大量的样本；第二，在未对可燃气云累积频次分布情况有大致把握的新环境中，直接假设可燃气云大小的分布情况可能会导致错误的评估结果。
5.3爆炸超压峰值与冲量的超越概率曲线
综合考虑天然气管道失效频率、等效可燃气云Q9的累计频次曲线、各样本的累积点燃概率曲线，综合管廊内天然气泄漏爆炸后果Ci的可能性为：
Li(Ci)＝Ff×Cum(Q9i)×Pti (6)
当将Ci定义为爆炸超压峰值Pmax时，点火源参数sp＝0.01、0.05和0.1，根据式(6)计算出所有(Pmax,Li)，提取样本点的上包络线，绘制超压峰值的超越概率曲线，表示导致某个超压峰值的最大概率，同理亦可计算出冲量的超压概率曲线。
本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明基于计算流体力学软件FLACS模拟，考虑了真实的场景，比传统方法爆炸荷载的确定更为精确；本发明考虑了燃气泄漏位置、泄漏量以及点火位置等随机因素对爆炸荷载的影响，计算结果更为准确。
附图说明
图1为本发明的主流程图；
图2是EGIG统计数据修正前后的不同类型失效频率图；
图3是泄漏位置分区图；
图4是泄漏方向选择图；
图5是FLACS数值模拟完整流程与文件信息图；
图6是气体爆炸仿真点燃位置选择方法图；
图7a是综合管廊设计图；
图7b是集合模型图；
图8a是小孔泄漏的非稳态流量时程曲线；
图8b是大孔1泄漏的非稳态流量时程曲线；
图8c是大孔2泄漏的非稳态流量时程曲线；
图8d是管道断裂下的非稳态泄漏流量时程曲线；
图9是计算工况选择图；
图10是可燃气云累积频次曲线图；
图11是一定累积频次下的可燃气云取值图；
图12是不同泄漏孔的Q9图；
图13a是Q9和超压峰值的相关关系图；
图13b是Q9与爆炸冲量的关系图；
图14a是爆炸超压峰值的超越概率曲线
图14b是爆炸冲量的超越概率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。一种基于风险评估的综合管廊燃气泄露爆炸的荷载取值方法，该方法的实现流程如下：
1、整体流程
风险评估是一种定量评价某事件造成影响及其可能程度的统计方法。在离散化的风险指标空间中，每个元素R整合了某个危险场景及其所携带的信息。
R＝{<Si,Li,Ci>} (1)
式中，R为风险程度，Si为第i个危险场景，Ci为Si的后果，Li为Ci发生的可能性，
将“综合管廊发生天然气泄漏爆炸”定义为危险场景集合S。将“爆炸超压峰值和冲量”分别作为后果集合CP和CI。综合管廊天然气泄漏爆炸定量风险评估的整体流程如图1所示。
2、失效频率模型
由于目前没有任何关于综合管廊内天然气管道失效泄漏的数据，因此选用欧洲气体管道事故数据组织(EGIG)的长输天然气管道事故数据库作为参考。EGIG中将导致一次偶然气体泄漏的意外定义为一次失效，根据等效泄漏直径d的不同，将失效类型分为小孔(d<20mm)、大孔(20mm<d<300mm)和断裂(d＝管径)三类。考虑以下三点因素对EGIG的统计数据进行合理选择并修正后使用：
(1)失效频率Ff逐年下降，并于本世纪初以来稳定在较低水平，因此选择2007年～2016年近十年的统计数据作为参考。
(2)综合管廊天然气管道直径d通常在300～600mm之间，因此选择279.4～584.2mm的统计数据作为参考。
(3)当燃气入廊之后，基本杜绝了第三方破坏导致的失效，而且会在很大程度上降低自然灾害的作用，因此将第三方破坏和自然灾害的影响分别降低90％和60％后计算。
结合上述考虑，根据EGIG统计数据最终计算得到的失效频率如图2所示，以此作为综合管廊中天然气管道发生泄漏的失效频率。
根据《综合管廊燃气管道舱室配套设施设计与施工》(18GL502)的规定，燃气入廊时必须配备紧急切断系统。因此，当紧急切断系统工作后，泄漏孔处将发生非稳态泄漏，从上游被截断阀位置处开始，泄漏管道段将被简化成一个固定容积的刚性容器，可以根据文献Montiel H,Vílchez J A,Casal J,et al.Mathematical modelling of accidentalgas releases[J].Journal of Hazardous Materials,1998,59(2–3):211-233中的泄漏模型，计算泄漏流量Q(t)。
3、样本选择方法
从理论上讲，危险场景集合S中的元素个数有无穷多个，不可能对所有的危险场景进行计算和分析。因此，需要科学地选取有限数量的危险场景进行计算和分析，从而得到可靠的风险评估结果。确定某一个危险场景Si，至少需要泄漏发生位置、泄漏方向和泄漏流量三个参数，记为Si(X1,X2,X3)。
由于综合管廊狭长的特点，仅通过沿长度方向的X坐标即可定义泄漏发生位置。在200m长的防火分区中，泄漏发生的位置是随机的，假设X1在[0,200]上服从均匀分布。直接采用蒙特卡洛方法有可能会使抽样结果和原分布存在很大差异，因此依据分层抽样原则，先将[0,200]平均分成五个区间，从防火分区中轴线到两边依次称为正中区、内部区与端部区，如图3所示。从理论上讲，泄漏可以沿着任意方向发生，但为了简化问题，认为在空间直角坐标系下，泄漏只能沿±X，±Y和±Z方向发生。其中X方向用来表示α<45°的情况，如图4所示。因此，X2是离散型随机变量，在{±X,±Y,±Z}中随机取值，且每个方向被选中的概率都是1/6。小孔、大孔与断裂失效频率的比值近似为14:4:1。因此X3是能够反映出上述比例关系的随机变量。在考虑大孔泄漏时，由于20mm和300mm对应的泄漏流量的差异可能接近两个数量级，因此可以按照等比原则先将其取值范围分成若干小区间，再从各小区间内进行选择。因此，Si可以看作一个三元随机变量，维度之间相互独立且服从不同分布。
4、累计点火频率
假设管廊中各个位置出现点火源的可能性相同，且随着泄漏气体逐渐扩散，可燃气云体积不断发展。在管廊相对封闭的空间中，点燃发生必须同时满足存在点火源且该处混合气体浓度在爆炸极限范围之内，因此，基本点燃概率p为：
式中，sp为存在火源的可能性；FLAM为可燃气云体积(m3)；V为防火分区总体积(m3)。
构建点燃事件树，在每一秒结束的时候，将会判断是否点燃，某时刻的点燃概率使用条件概率计算，即恰好在第t秒被点燃的概率P0t为：
一般情况下，我们更关注的t秒内累积点燃概率Pt为
通过以上方法构建的累积点燃概率，仅有一个经验参数sp，具备实用性。并且同时考虑了真实可燃气云发展过程和其随时间增长的特点。
5、泄漏爆炸联合仿真
根据计算的泄漏流量以及选取合适数量的仿真工况，进行气体泄漏扩散和爆炸的联合仿真，将每一泄漏量下的爆炸后果一一对应，具体流程如图5所示。
5.1可燃气云累积频次曲线
FLACS泄漏扩散模拟计算结束后，在rt.FUEL文件中除了会生成可燃区域体积FLAM，还会生成等效可燃气云体积Q9。Q9将得到的非均匀可燃气云体积，按照一定规则等效成为能够完全燃烧的均匀可燃气云体积，Q9为：
式中，Vi(i＝1,2,…n)是流场中可燃区域所占据的各控制网格的体积(m3)；ERi是其中第i个控制网格的混合气体当量比；ERfac(ERi)反映了层流火焰燃烧速率的影响；Ve(ERi)反映了气体膨胀能力的影响。
5.2等效可燃气云与爆炸后果相关关系
在泄漏扩散模拟生成的数据结果文件中，随机抽取一定数量进行真实气云爆炸模拟，流程如图6所示，旨在建立可燃气云与爆炸后果的相关关系。这样的处理方式有两个优点：第一，由于气云大小、气云形状、气云位置、点燃位置和当量比等诸多因素都会影响气体爆炸的后果，直接通过气体爆炸仿真开展定量风险评估需要大量的样本；第二，在未对可燃气云累积频次分布情况有大致把握的新环境中，直接假设可燃气云大小的分布情况可能会导致错误的评估结果。
5.3爆炸超压峰值与冲量的超越概率曲线
综合考虑天然气管道失效频率、等效可燃气云Q9的累计频次曲线、各样本的累积点燃概率曲线，综合管廊内天然气泄漏爆炸后果Ci的可能性为：
Li(Ci)＝Ff×Cum(Q9i)×Pti (6)
当将Ci定义为爆炸超压峰值Pmax时，点火源参数sp＝0.01、0.05和0.1，根据式(6)计算出所有(Pmax,Li)，提取样本点的上包络线，绘制如图12所示的超压峰值的超越概率曲线，表示导致某个超压峰值的最大概率，同理亦可计算出冲量的超压概率曲线。
根据如图7(a)所示的综合管廊设计图，建立如图7(b)所示的几何模型，为了使数值模型更加准确，考虑了燃气舱室(200×2×4m)两端的逃生口、自用和备用通风口(0.8×0.8m)和上方部分风亭，综合管廊内部包括一条DN300中压(0.4MPa)燃气管道，支墩和爬梯，作为典型常规设施。
根据泄漏模型计算的大孔稳态泄漏流量范围介于0.26～13.60kg/s之间，为减少仿真过程重新划分网格的次数，在此范围内按等比原则选择4个大孔泄漏流量代表值。在小于0.26kg/s的范围内选择2个小孔泄漏流量，将13.60kg/s作为断裂泄漏流量。考虑相距1km的紧急制动阀工作将泄漏管道段隔离，最终得到仿真中使用的非稳态泄漏流量如图8a-8d所示。为了保持样本中不同泄漏流量的比例与失效频率的比例相一致，对两类小孔泄漏流量的仿真结果(可燃气云)进行等比内插。由于+Y与-Y泄漏方向结果差别不大，仿真中仅计算+Y方向。仿真工况总数与样本总数如图9所示。
统计风险评估各样本的FLAM和Q9最大值，分别绘制累积频次曲线如图10所示，在一定累积频次下的取值如图11所示。可以看出，在180s的计算时间内，Q9最大值为903.8m3，仅有5％的可能性会超过300m3，有一半的可能性不会超过84.5m3，相比于200×2×4＝1600m3的防火分区大小，Q9的数值普遍不算大，且在5m/s事故通风速率下已经能够在舱室内形成0.5～1m/s的较稳定流场，随着时间推移，可燃气云将得到进一步的限制。因此在安全系统完备的情况下，所能形成的可燃气云体积有限。在综合管廊的受限空间中，泄漏流量与可燃气云大小不在成正相关，20mm～42mm的大孔泄漏产生的等效可燃气云最大，如图12所示。
在泄漏扩散模拟中生成的700个数据结果文件中，随机抽取420个进行真实气云爆炸模拟，旨在建立可燃气云与爆炸后果的相关关系。随机选择的420个真实气云的点燃位置，最终有294个样本成功点燃。提取所有样本计算结果中的超压峰值，与等效可燃气云Q9的关系如图11所示。由于前述因素对爆炸后果的影响，在真实可燃气云爆炸仿真中会出现诸如两个压力峰值或燃料无法完全消耗的现象，通过仿真结果也能够观察到，团状可燃气云中部点燃时的爆炸超压峰值普遍较大，因此选取样本点的上界31个结果建立Q9和超压峰值的相关关系，偏于保守，如图13(a)所示。拟合结果为(R2＝0.96)：
Pmax＝3.749×(Q9)0.719 (7)
Q9与爆炸冲量的关系如图13(b)所示，对所有样本进行拟合，结果为(R2＝0.88)：
I＝1.624×(Q9)0.746 (8)
根据公式7绘制超压峰值的超越概率曲线，表示导致某个超压峰值的最大概率，如图14(a)。可以看出，随着sp逐渐增大，超越概率曲线上升速度逐渐变缓。当管廊内对火源的控制能力很弱时(sp＝0.1)，超越概率曲线会趋近于一个确定的上界。当对点火因素能够有效控制时，可取sp＝0.01，否则，可以将sp保守地设定成一个较大值。按照相同的原理得到爆炸冲量的超越概率曲线如图14(b)所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
