野火对埋地天然气管道潜在影响的评估

作者： Dylan Bernard¹, Clément Chanut¹, Vincent Blanchetiere², Frédéric Heymes¹ 所属机构： ¹IMT Mines Alès, 风险科学实验室（Laboratoire des Sciences des Risques），法国阿莱斯；²GRTgaz, 能源研究与创新中心（Research and Innovation Center for Energy），法国新城拉加雷讷 发表信息： 本文发表于《Chemical Engineering Transactions》第116卷，页码439-444，于2025年在意大利博洛尼亚举行的第18届国际过程工业损失预防与安全促进研讨会（Loss Prevention 2025）上发表，DOI为10.3303/CET25116074。

研究背景与目的

随着全球气候变化，野火（wildfires）的发生频率和强度日益增加，对自然生态系统和关键基础设施均构成了严重威胁。在法国，天然气网络包含了超过37,600公里的埋地管道，其中一部分穿越了易发生野火的森林区域。尽管已有大量研究关注于荒地-城市交界域（wildland-urban interface）的安全距离问题，以保护房屋和人员安全，但对于野火如何影响天然气设施，特别是埋地管道或地上结构的研究却相对匮乏。因此，本研究旨在评估野火产生的入射热通量（incident heat flux）对管道上方土壤的热效应及其导致的土壤温度分布（soil temperature distribution）变化，以验证现有管道埋设标准在面对此类极端热威胁时的有效性。根据法国标准，管道埋深（ground depth）至少为0.8米，目前新标准已提升至1.2米，管线上方地表设有维护带（maintenance strips），其中植被会被定期清除，以防止植物根系破坏并为管线定位提供视觉检查。本研究的一个关键前提是，维护带得到了妥善维护。

研究方法与详细流程

本研究采用了一种简化的、基于几何和材料假设的保守方法，以快速评估土壤对野火的热响应，其整体流程可分为热通量表征和土壤热传递求解两个主要阶段。

第一阶段：地表入射热通量的表征 研究首先对作用于管线正上方地表的热通量进行量化。评估野火的热辐射是此领域的普遍做法，通常对流加热（convective heating）主要影响火势蔓延，而非对结构物的冲击。鉴于本研究假设存在清理良好的维护带，目标物被火焰吞没的可能性极低，因此研究遵循学界共识，即此时热辐射是主要的热量传递方式，不再考虑对流加热。

为了计算入射热通量，研究采用了固体火焰模型（solid flame model）。该模型将可见火焰理想化为一个简单的几何体（通常是长方体），并从其表面发出热辐射。其中，火焰的表面发射功率（surface emissive power）E，通过公式E = ε·σ·Tf⁴计算得出。在保守估计下，本研究选取了极端参数：火焰有效发射率（effective emissivity）ε为1（即黑体假设），火焰温度（flame temperature）Tf为927°C，这代表了高强度的树冠火（crown fire）。随后，利用公式Q = τ·F·E计算到达目标物的单位面积辐射热通量。为最大化风险评估，空气的透射率（transmissivity）τ设为1。视角系数（view factor）F是计算的核心，它代表了从一个表面发出的辐射被另一表面拦截的比例。本研究通过Hamilton和Morgan的公式（引述自Mudan于1987年的文献）计算视角系数，该配置将受热面视为位于火焰前锋中心正前方的一个微元面，此处是入射热通量最大的理论点。

研究进行了参数化分析（parametric study），将火焰前锋长度（flame length）定为40米，宽度（flame front width）为100米，主要考察火焰前锋与管道上方地表之间的距离D和火焰前锋倾斜角度（flame front tilt）θ对入射热通量的影响。结果显示，在短距离内，倾斜角度是主要影响因素，角度越小，热通量越大。根据维护带宽度计算，倾斜角度不可能达到极小的45度，但在此假设下，单侧火焰前锋可产生111 kW/m²的入射热通量，考虑到管道两侧均有火焰，总入射热通量最高可达222 kW/m²，此数值被作为后续分析中的最坏情况（worst-case conditions）输入数据。

第二阶段：土壤热传递模型的建立与求解 此阶段的目标是模拟上述极端热通量如何在地下传导，以评估管道处的温度变化。研究采用了一个保守的简化模型——一维瞬态热传导方程（transient heat equation）：∂T(z,t)/∂t = α·∂²T(z,t)/∂z²，其中α为土壤的热扩散率（thermal diffusivity），z为深度。初始条件假设从地表到地下1米深处，温度均为30°C，这一数值是基于波兰夏季实测数据的保守外推，代表了法国旱季的较为极端的地表温度。上边界条件采用Neumann边界条件（Neumann’s boundary condition），即 -λ·∂T(0,t)/∂t = Q，其中λ为土壤的热导率（thermal conductivity），Q为地表吸收的热通量，同时考虑了土壤的吸收率，其发射率（emissivity）设定为0.97，接近黑体。

土壤参数的选择同样基于最坏情况。研究假设土壤为均质固体，不考虑水分和空气（它们会因蒸发等过程吸收热量，降低升温速率），并选取了热物理性质较为不利的沙壤土（sandy loam）参数，其热扩散率为1.8×10⁻⁶ m²/s，热导率为3.72 W/(m·°C)，这些数值代表了一种导热能力相对较好的土壤，会加速热量向管道传递。方程通过有限元法（finite element method）在MATLAB中进行数值离散和求解。

主要研究结果与逻辑推演

参数化分析的结果清晰地表明，在维护带存在的前提下，即使火焰几何尺寸巨大，地表接收到的热通量对距离D的变化不敏感，而对火焰倾覆角度θ高度敏感。当θ为90度时，入射热通量约为55 kW/m²；而当θ减小到45度时，热通量急剧上升至110 kW/m²。通过将最极端情况（总入射热通量222 kW/m²）输入土壤传热模型，研究得到了关键的温度分布剖面图。即使在此最坏工况下持续暴露，管道深处的土壤温度依然远低于临界值。

数据显示，埋地管道最低法定深度0.8米处的土壤温度，即便在持续4小时的222 kW/m²热流冲击下也几乎未受影响，保持在初始的30°C左右。管道结构的临界温度（critical temperature）约为425°C，通过模型预测，该温度在火灾开始4小时后仅到达地下0.4米深处，火灾15分钟后仅到达0.06米深处。若要使得0.8米深处的温度达到管道临界温度，需连续暴露于该极端火势下12至13小时。另一个更敏感的指标是管道防腐涂层（anti-corrosion coating），其临界温度被设定为60°C。模拟显示，在4小时的持续暴露下，该温度仅能达到0.6米深处，需要大约7小时的连续暴露，0.8米深处才能达到此临界温度。这些结果定量地证明，0.8米厚的土壤层，即使其热物理性质较差，也能提供极其有效的热绝缘屏障（thermal insulation），足以保护管道及其防腐涂层免受野火的热损伤。

研究结论、价值与意义

本研究的结论是，在维护带得到妥善维护、清理植被的情况下，目前0.8米的管道埋深标准为地下天然气设施抵御野火导致的严重热损伤提供了显著且有效的保护，其在荒地火灾多发区的持续有效性得到了理论上的验证。这一结论的科学价值在于，它通过一个尽管简化但却极其保守的联合模型，量化了土壤作为热屏障的有效性，为“埋深足够安全”这一工程判断提供了坚实的理论计算依据。其应用价值则直接体现在对工业标准和风险管理的支持上，证实了在遵守现有维护规程的前提下，无需因日益严峻的野火威胁而大幅修改管道的埋深标准，这为天然气运营商和监管机构提供了决策信心。

研究亮点与局限性

本文的研究亮点在于：其一，它针对一个日益严峻但研究不足的实际问题——野火对关键能源基础设施的威胁，提供了一种快速、保守的评估框架；其二，研究通过将固体火焰模型与一维土壤传热模型耦合，并采用一系列最坏的极端假设（如黑体火焰、高温树冠火、无水分蒸发的均质高导热土壤），进行了一种极具鲁棒性的安全论证；其三，研究得出的安全阈值为后续更复杂的研究明确了方向。

同时，作者对研究的局限性和未来工作进行了深入探讨。作者明确指出，固体火焰模型在野火应用中易于高估结果；一维均质土壤模型忽略了水分蒸发吸热、空气隔热等更复杂的物理现实，同样导致了对土壤温度分布结果的过高估计。因此，真实情况将比此最坏情景描述的要安全得多。未来的研究将分为几个方向展开：一是利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）工具如火灾动力学模拟器（Fire Dynamics Simulator, FDS）来更精确地评估野火的发射热通量，并用于直接暴露于地表的地上设施研究；二是采用考虑非均质性的更真实的土壤模型，并进行二维热传导求解；三是开展实验，获取埋地管道和地上设施在火灾下的实测数据，以验证数值模拟；四是考虑探讨泥炭地等“可燃”土壤的长期燃烧（数天或数月）这一特殊且极端的情况。这些后续研究计划为整个风险图景的完善提供了清晰的路线图。