西三线闽粤支干线天然气长输管道泄漏模拟分析

张衡，刘庆新，曹海涛，吕洪丹，徐郧，谢学斌

西三线闽粤支干线天然气长输管道泄漏模拟分析

张衡，刘庆新，曹海涛，吕洪丹，徐郧，谢学斌

（中油管道建设工程有限公司，河北 廊坊 065000）

西三线闽粤支干线（广州-潮州）工程，一标段线路全长122.364 km，材质X70M，管径813 mm，设计压力10 MPa, 包含广州分输清管站、河源分输清管站、途径阀室5个；隧道穿越3处。管线路由地势起伏较大多以中低山、沟谷敷设为主。施工完毕后，上述环境因素对管道运行的安全性带来了极大的挑战，特别是石方段，极容易造成管道上部和下部的穿孔泄漏。针对现场实际天然气管道的穿孔泄漏问题，采用有限容积法，建立天然气管道在不同位置上泄漏的CFD仿真模型，分别对天然气管道上部、下部发生泄漏扩散情况进行数值模拟。研究结果表明，上部泄漏比下部泄漏的气体更容易扩散，并且横向风险半径也比其大50 m至60 m。应用数值方法模拟管道泄漏问题，为预测天然气泄漏危险范围提供检测依据。

天然气管道； 管道穿孔； 泄漏扩散； 数值模拟

天然气运输除了液化后用专业油轮或汽车运输，最常采用的方式就是管道输送[1]。但是近年来由于输送材质本身的问题，埋地后的管道腐蚀的问题和第三方外因影响的问题，埋地天然气管道频繁发生泄漏事故。天然气的主要成分为甲烷，当甲烷的体积分数占到空气的10%时左右时，必然会导致明火爆炸[2-4]，对人们生活环境的安全存在潜在的危害。基于以上原因，对天然气长输管道进行泄漏模拟及安全研究是十分必要的。

世界关于长输天然气管道输送研究中，发达国家对管道泄漏的研究开展的比较早，对泄漏量的计算及其泄漏模型的分析、模型中天然气浓度的计算有着较深刻的科研成果，模拟在不同输送工况下，不同外界条件影响下的问题，如重气扩散问题、Sutton效应问题、高斯定理问题等[5]。

近年来，天然气管道的保障能力是天然气行业发展的基石。目前，我国已初步形成“横跨东西、纵贯南北、联通境外”的态势。我国已建成西气东输管道一、二、三线，陕京系统、涩宁兰、中贵、中缅、川气东送、秦沈、哈沈等多条大口径的长输天然气管道，以及用于大区域资源调配的中贵联络线和冀宁联络线两大跨省联络线工程[6]。已经形成了“西气东输、海气登陆、就近供应”三大供应格局。

对埋地天然气管道进行相关研究也显得尤为突出，如通过建立三维空间内的位移量计算地理沉降对天然气管道泄漏的影响，利用CFD模型研究了不同温度对高压天然气管道泄漏的影响，利用FLUENT软件研究了障碍物对天然管道泄漏扩散的影响[7]。

以上主要是研究地理沉降，温度，障碍物等因素对天然气管道泄漏的影响，而很少对埋地管道泄漏位置问题进行分析。本文利用FLUENT模拟软件，对埋地天然气管道顶部和管道底部发生泄漏问题时，作出对应部位危险范围的研究，分析得出了泄漏部位的不同，天然气扩算的规律也不尽相同，为预测天然气泄漏危险范围提供有利的检测依据[8]。

1 天然气管道流体模型

1.1 天然气管道流体数学模型

天然气管道泄漏属于流体泄漏模型，所以该过程符合流体动力学原理，可确立质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，涉及的方程式如下[9]。

（1）流体动力学方程

u—天然气三维空间（表示、、）速度，m/s。

（2）流体动量守恒方程

式中：—天然气的气体密度，kg/m3；

u—天然气三维空间（表示、、）速度，m/s；

—天然气泄漏时间，s；

—天然气的速度矢量，m/s；

—天然气体积微元压力，Pa；

—天然气动力黏度，Ns/m2；

—天然气微元加速度矢量, m/s2。

（3）流体能量守恒方程

式中：—天然气流体的总能量，J；

h—天然气气体组份（表示各组分）的焓，J/kg；

k—天然气导热系数；

J—天然气各组份物质的量扩散矢量，mol（m2·s）；

S—天然气体积热源矢量，kgJ/（m3·s）。

1.2 天然气泄漏的气体控制方程

式中：G—平均速度梯度引起的湍流动能产生项；

G—浮力引起的湍流动能产生项；

Y—可压缩湍流中脉动扩张贡献；

，s—与方程的湍流普朗克常数；

1=1.44、2=1.92、3=0.09、= 0.084 5，以上为经验系数。

图1 天然气管道泄漏模型图

1.3 天然气管道泄漏模型的边界条件

西三线闽粤支干线天然气长输管道，管道直径Ø为0.813 m，管顶埋深为1.2 m，泄漏口半径为0.002 5 mm，天然气输送管道压力为10 MPa，管内温度为300 K，其中天然气含量为96%，气体杂质含量为4%。环境温度为285 K，压力为101.325 kPa，环境空气速度为1.5 m/s。泄漏模拟区域为泄漏口为中点的500 m×500 m平面范围，天然气泄漏模型及区域图如图1所示，底部管道为泄漏气体入口，图面左部空气入口，顶部为压力释放出口，右部也为压力释放出口，埋地管道上方土层为边界面。

2 数值模拟及结果分析

通过FLUENT进行气体湍流模拟得到了管道顶部、底部泄漏天然气的浓度图。以及在管道泄漏20s时天然气气体扩散范围。

图2 管道顶部泄漏20s时天然气气体浓度图

图3 管道底部泄漏20s时天然气气体浓度图

由图2，管道顶部发生泄漏时，天然气气体通过土层向上喷出，并且是高速气体气流，天然气与空气融合时，受到环境空气的阻碍，天然气动量随着气体流动而逐级递减，空气阻力对天然气扩散的影响也逐渐增大，天然气流体将随空气的下风口运动。

由图3，管道底部发生泄漏时，天然气气体向地下喷喷出，受管底土层的阻碍，气体向管道两侧扩散，当气体通过土层接触到地面空气时，天然气受环境空气的阻碍，泄漏的天然气在沿顺风向扩散的范围远大于沿逆风向扩散范围。

图4 管道顶部、底部泄漏时甲烷爆炸临界点对比图

从图4得出：在埋地管道上方，管顶发生天然气泄漏的危险区域比管底泄漏的范围大，并且运算得出的数值解果显示危险范围大40 m左右。而从埋地管道的纵向分析，管顶泄漏危险区域比管底泄漏的范围小，数值结果显示，大约小50~60 m，并且管道下部泄漏的天然气积聚在地面附近不易扩散，从施工安全的角度分析，下部泄漏比上部泄漏危险系数更大。

3 结 论

埋地天然气管道穿孔泄漏的初期为气体高速射流模型，管道顶部泄漏时，危险区域主要分布在泄漏口上方的半空中，并且在高空处受风的影响，危险区域向下游扩散。当管道底部发生泄漏时，气体先向下喷出，再慢慢渗透出地面，最后聚集在地面表层，并且底部泄漏在管道水平面上的可能发生爆炸的范围要比管顶泄漏的爆炸范围大50~ 60 m。主要是天然气在地面表层扩散时，气体的扩散系数比较小，然而危险系数要比上部泄漏大得多。因此，在管道泄漏风险预测时，应以管道下部穿孔泄漏时的天然气危险范围作为检测依据。

［1］Tahmasebi Neda, Ahmadi Akram, Zamani Peyman, Salehimanesh Farzaneh. Phonological Abilities in Persian Speaking Preschool Children with Stuttering and Fluent Peers［J］., 2019, 10（5）: 77-78．

［2］Guglielmo Lomonaco, Walter Borreani, Maurizio Bruzzone, Davide Chersola, Gabriele.Initial thermal-hydraulic assessment by OpenFOAM and FLUENT of a subcritical irradiation facility［J］., 2018, 6（12）: 56-58．

［3］Daniele Martelli, Nicola Forgione, Gianluca Barone, Ivan di Piazza. Coupled simulations of the NACIE facility using RELAP5 and ANSYS FLUENT codes［J］., 2017, 6（3）: 88-92．

［4］张宗杰, 孙启敬, 熊长征, 项中超, 惠海军，等. 天然气管道相互依赖性风险分析方法［J］. 油气储运, 2019, 8（10）: 30-34.

［5］夏琦函. 长输高压天然气管道高后果区的识别及风险管理［J］.中国石油和化工标准与质量, 2019, 6（2）: 58-62．

［6］李又绿, 姚安林, 李永杰. 天然气管道泄漏扩散模型的研究［J］.天然气工业, 2004, 24（8）: 102-104．

［7］徐川, 李万莉, 刘翠伟, 杜培恩. CFD模拟障碍物条件下甲烷扩散的有效性研究［J］. 油气田地面工程, 2019, 6（5）: 15-21．

［8］程淑娟. 天然气管道小孔泄漏扩散规律研究［D］. 西南石油大学, 2014, 6（4） 81-84．

［9］董刚, 唐维维, 杜春, 等. 高压管道天然气泄漏扩散过程的数值模拟［J］. 中国安全生产科学技术, 2009, 5（6）: 11-15．

［10］张转连, 王英杰, 于少平, 侍吉清, 杨栋. 水煤气管道穿孔泄漏原因分析［J］. 石油化工设备, 201, 7（8）: 51-53．

Simulation Analysis on Natural Gas Pipeline Leakage of Fujian to Guangdong Branch Line in the West-to-East Gas Pipeline Ⅲ

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（China Petroleum Pipeline Construction Engineering Co., Ltd., Hebei Langfang 065000, China）

In Fujian to Guangdong branch line of the west-to-east gas pipeline Ⅲ,the length of Guangzhou to Chaozhou line is 122.364km, the material is X70M, the pipe diameter is 813mm, the design pressure is 10MPa,including Guangzhou & Heyuan pigging stations,5 valves & 3 tunnels in the way. The pipeline line is mainly laid in mountains and valleys. After the completion of the construction, the above mentioned environmental factors have brought great challenges to the safety of the pipeline operation, especially the stone section, which is very easy to cause perforation and leakage of the upper and lower part of the pipeline. Aiming at the problem , CFD simulation models of natural gas pipeline leakage at different positions were established by using finite volume method, and the leakage and diffusion at the upper and lower parts of natural gas pipelines were numerically simulated, respectively. The results show that the upper leakage is easier to diffuse than the lower leakage, and its transverse risk radius is also larger 50~60m.The application of numerical method in simulating the problem of gas leakage from pipeline perforation can provide the test basis for predicting the danger range of natural gas leakage.

natural gas pipeline; pipe perforation; leakage and diffusion; numerical simulation

2019-12-04

张衡（1986-），男，黑龙江省哈尔滨市人，中级职称，硕士学位，毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向：油气管道失效后果与风险评估

TE88

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1004-0935（2020）03-0261-03