一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法，属于油气管道安全技术领域。其包括以下步骤：根据天然气长输管道爆炸碎片抛射过程分析，确定天然气长输管道爆炸碎片投射的二维轨迹方程；根据压缩天然气绝热膨胀过程计算碎片投射初速度；根据历史事故数据统计结果，定义碎片数量、碎片飞行阻力系数、碎片发射角等随机参数概率分布类型；采用蒙特卡洛方法随机抽样产生计算参数，计算碎片投射距离，达到最大抽样后，分析碎片的落点范围分布规律，确定爆炸碎片影响范围。本专利所述天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法，具有实现速度快、计算量小的特点，优于实验和数值仿真方法，有助于合理评估天然气长输管道失效影响范围。效影响范围。效影响范围。

【技术实现步骤摘要】
一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法


[0001]本专利技术属于天然气长输管道安全
，涉及一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法。

技术介绍

[0002]管道是石油和天然气的主要运输方式。长距离天然气输送管线作为国家的能源大动脉，有力地保障了国民经济的发展。随着国家管网公司的成立以及中俄东线天然气管道等长距离管线的建成和投产，油气管线在经济发展和人民生活中的作用将更加凸显。
[0003]随着油气消费量的不断增加，天然气长输管道向长运距、大管径和高压力方向发展。同时，天然气长输管道也时常由于第三方开挖、腐蚀、地质灾害等原因发生失效事故，造成大量的天然气泄漏，严重威胁管道周边人民群众的生命安全。碎片抛射是长输天然气管道重要的失效后果。天然气长输管道失效时，高压天然气蕴含的强大压缩能量在管道破裂瞬间释放，造成管道断裂成多个碎片并从爆炸地点飞出，飞出的碎片有击中管道周边的设备或人员的风险，并且可能引发连锁事故。2009年美国佛洛里达州就发生过收费公路上的2人因天然气管道爆炸飞溅的碎片而受伤的案例。所以在天然气长输管道向高钢级、大管径发展的趋势下开发一种便捷高效的爆炸碎片影响范围评价方法对于合理评估管道失效的安全距离，降低管道失效事故损失有重要意义。
[0004]目前，确定天然气管道失效后果影响范围的方法主要有基于实验的方法、数值模拟方法和基于历史数据统计的方法。若采用实验方法研究长输天然气管道爆炸碎片影响范围将面临着实验成本高的问题，而数值模拟方法在建模过程中则难以处理影响碎片投射各参数存在的随机性问题，造成最终模拟结果难以契合实际情况。
[0005]以上分析表明，在天然气长输管道安全
急需一种便捷高效、成本低廉的爆炸碎片影响范围评价方法，以合理界定长输天然气管道失效的碎片后果危害范围，降低失效事故损失。
[0006]因此，本专利技术提出了一种结合历史数据统计和蒙特卡洛模拟的天然气长输管道爆炸碎片影响范围计算方法。通过对天然气长输管道爆炸碎片抛射过程的分析，确定了碎片抛射运动的轨迹方程，随后基于天然气绝热膨胀做功效应计算碎片抛射初速度。基于对事故数据的统计确定了管道爆炸时产生碎片数量、发射角、碎片面积、阻力系数等参数的分布特征。随后采用蒙特卡洛法模拟各个参数随机组合下碎片的飞行轨迹，统计碎片投射距离的分布特征，最终获取爆炸碎片的击中概率最高区域作为长输天然气管道爆炸碎片影响范围。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种基于历史数据统计和蒙特卡洛模拟的长输天然气管道爆炸碎片影响范围计算方法。基于历史数据统计得出影响天然气长输管道失效碎片投射的参数的概率密度函数，随后采用蒙特卡洛方法对各个参数进行随机抽样以处理碎片投射过程中参
数的随机性问题，计算参数随机组合下碎片的投射距离，达到最大抽样后得出碎片投射距离的数值特征，确定碎片的影响范围。
[0008]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0009]上述的一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的预测方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1，根据天然气长输管道爆炸碎片抛射过程分析，确定天然气长输管道爆炸碎片投射的二维轨迹方程；
[0011]步骤2，根据压缩天然气绝热膨胀过程计算碎片投射初速度；
[0012]步骤3，根据历史事故数据统计结果，定义碎片数量、碎片飞行阻力系数、碎片发射角等随机参数概率分布类型；
[0013]步骤4，采用蒙特卡洛方法随机抽样产生计算参数，计算碎片投射距离，达到最大抽样后，分析碎片的落点范围分布规律，确定爆炸碎片影响范围。
[0014]步骤1中，天然气长输管道爆炸碎片在飞行过程中受到重力、空气阻力的共同作用，其抛射运动二维轨迹方程如表1所示。
[0015]表1碎片的运动方程
[0016][0017]其中：其中：k为阻力系数；g为重力加速度，取9.8m/s2；v0为碎片抛射初速度，单位m/s；为碎片抛射角度，采用角度制单位。为碎片抛射角度，采用角度制单位。c＝2k/b。
[0018]步骤2中，根据压缩天然气绝热膨胀过程计算碎片抛射初速度，不考虑管道爆炸加速碎片过程重力和空气阻力，压缩天然气的膨胀做功用于加速碎片，并将天然气的膨胀过程看作是绝热膨胀过程，碎片抛射初速度按式(1)计算：
[0019][0020]式中P0为管道爆破压力，单位Pa；r0为管道半径，，单位m；δ为管道壁厚，单位m；ρ为碎片密度，单位kg/m3；n
f
为形状系数，天然气管道爆炸属于径向膨胀，取值为2；γ为多方指数，对于天然气取1.309；r
a
为压缩天然气膨胀至大气压力时的膨胀距离，单位m。
[0021]步骤3中，通过对18起产生碎片弹射的管道事故统计，得出碎片数量n的分布满足对数正态分布，其对数平均值为1.64，标准差为0.74。
[0022]碎片飞行阻力系数k的按照式(2)计算：
[0023][0024]按照(2)式计算碎片飞行阻力系数k需要确定迎风阻力系数C
D
和碎片面积A
D
两个随
机性参数，根据相关资料可知C
D
在[1.1，1.8]内均匀分布，假设所有碎片面积相等，则A
D
按照式(3)计算：
[0025][0026]则碎片质量可以按照式(4)计算：
[0027]m
P
＝ρA
D
δ (4)
[0028]式中D为管道直径，L为管道断裂部分的总长度，n为碎片数量。
[0029]经过对事故数据的统计，L在[8，16]之间均匀分布。
[0030]确定碎片发射角的分布范围时，由于管道位于地下，碎片的发射角度受到爆炸坑的限制，最小发射角与爆炸坑的几何关系如图2所示，其最小发射角按照式(5)计算：
[0031][0032]式中Dc为管道埋深，Wc为弹坑宽度。经过统计，弹坑宽度满足对数正态分布，对数平均值为2.24，标准差为0.54。
[0033]确定最小发射角后，碎片发射角在[90
°
]之间均匀分布。
[0034]步骤4中，通过编写程序实现蒙特卡洛模拟，其计算框图如图3所示。在达到最大抽样后，导出计算结果并统计其概率分布特征，分析碎片危害影响范围。
附图说明
[0035]图1是本专利技术所述的一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法流程图。
[0036]图2是本专利技术中提到的利用弹坑宽度和管道埋深计算碎片最小发射角的示意图。
[0037]图3是本专利技术基于蒙特卡洛模拟计算碎片抛射影响范围的流程图。
[0038]图4是本专利技术实例应用得出的爆炸碎片抛射距离概率累计分布图。
具体实施方式
[0039]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例中的附图，对本专利技术作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1，根据天然气长输管道爆炸碎片抛射过程分析，确定天然气长输管道爆炸碎片投射的二维轨迹方程；步骤2，根据压缩天然气绝热膨胀过程计算碎片投射初速度；步骤3，根据历史事故数据统计结果，定义碎片数量、碎片飞行阻力系数、碎片发射角等随机参数概率分布类型；步骤4，采用蒙特卡洛方法随机抽样产生计算参数，计算碎片投射距离，达到最大抽样后，分析碎片的落点范围分布规律，确定爆炸碎片影响范围。2.如权利要求1所述的一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法，其特征是，所述步骤1中根据天然气长输管道爆炸碎片抛射过程分析，得出的天然气长输管道爆炸碎片投射的二维轨迹方程如下：表1碎片的运动方程其中：k为阻力系数；g为重力加速度，取9.8m/s2；v0为碎片抛射初速度，单位m/s；为碎片抛射角度，采用角度制单位；片抛射角度，采用角度制单位；c＝2k/b。3.如权利要求1所述的一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法，其特征是，所述步骤2中根据压缩天然气绝热膨胀过程计算碎片投射初速度的方法为：式中P0为管道爆破压力，单位Pa；r0为管道半径，，单位m；δ为管道壁厚，单位m；ρ为碎片密度，单位kg/m3；n
f
为形状系数，天然气管道爆炸属于径向膨胀，取值为2；γ为多方指数，对于天然气取1.309；r
a
为压缩天然气膨胀至大气压力时的膨胀距离，单位m。4.如权利要求1所述的一种天然气长输管道爆炸碎片影响范围的计算方法，其特征是，所述步骤3中根据历史事故数据统...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴瑕，孙浩，沈定金，兰岚，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：