Numerical study of the impact of wildfire on natural gas facilities

Wildfires pose a significant threat to energy infrastructure, particularly natural gas (NG) pipelines that are often built through areas prone to wildfires. The intense thermal radiation and convective heat from a wildfire can compromise pipeline integrity, leading to material failure. This thesis investigates the thermal impact of wildfire-induced radiation on aboveground pipelines through a combined analytical and numerical approach. The analytical phase employs the solid flame model and a two-dimensional view factor calculation to estimate the distributed heat flux on the pipe surface. The incident heat flux is then used to determine the time to failure (TTF) using established empirical correlations from the literature. In parallel, three-dimensional transient Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are performed in ANSYS Fluent using the Discrete Ordinates (DO) radiation model and the k–omega SST turbulence model to capture the coupled effects of radiation, convection, and conduction. Results indicate that the pipeline wall reaches its critical temperature of 693 K (420 °C), the threshold for material degradation, after 11 minutes of exposure under a radiative flux of 110 kW/m². The analytical TTF correlation predicts a similar failure time of 9 minutes, showing close agreement (within 20%). The study further estimates safety distances between vegetation and pipelines, identifying the minimum distance required to prevent structural failure during wildfire exposure. The findings emphasize that even moderate increases in separation distance significantly enhance thermal safety. Overall, this research provides a framework for evaluating fire-induced risks in natural gas facilities and contributes to the development of design and mitigation strategies for energy infrastructure in wildfire-prone regions.

Gli incendi boschivi rappresentano una minaccia significativa per le infrastrutture energetiche, in particolare per le condotte di gas naturale (NG), che spesso attraversano aree soggette a incendi. L’intensa radiazione termica e il calore convettivo generati dall’incendio possono compromettere l’integrità delle pipeline, portando a potenziali cedimenti del materiale. Questa tesi investiga l’impatto termico della radiazione indotta da incendi boschivi su condotte fuori terra attraverso un approccio combinato analitico e numerico. La fase analitica utilizza il solid flame model e il calcolo bidimensionale dei fattori di vista per stimare il flusso di calore distribuito sulla superficie della tubazione. Il flusso termico incidente viene quindi impiegato per determinare il time to failure (TTF) mediante correlazioni empiriche consolidate presenti in letteratura. Parallelamente, vengono eseguite simulazioni transitorie tridimensionali di fluidodinamica computazionale (CFD) in ANSYS Fluent, utilizzando il modello di radiazione Discrete Ordinates (DO) e il modello di turbolenza k-omega SST, al fine di catturare gli effetti accoppiati di radiazione, convezione e conduzione. I risultati indicano che la parete della pipeline raggiunge la temperatura critica di 693 K (420 °C), soglia di degradazione del materiale, dopo 11 minuti di esposizione a un flusso radiativo di 110 kW/m². La correlazione analitica del TTF prevede un tempo di cedimento simile, pari a 9 minuti, mostrando un buon accordo (entro il 20%). Lo studio stima inoltre le distanze di sicurezza tra la vegetazione e le condotte, identificando la distanza minima necessaria a prevenire il cedimento strutturale durante l’esposizione a un incendio boschivo. I risultati evidenziano che anche aumenti moderati della distanza di separazione migliorano significativamente la sicurezza termica. Nel complesso, questa ricerca fornisce un quadro metodologico per la valutazione dei rischi indotti dagli incendi nelle infrastrutture del gas naturale e contribuisce allo sviluppo di strategie di progettazione e mitigazione per infrastrutture energetiche situate in regioni soggette a incendi boschivi.