海底输气管道气体泄漏扩散模拟及影响因素研究

石一丁 葛天明 张足峰

劳氏瑞安咨询(北京)有限公司

海底管道是海上油气田开发与油气生产过程中油气输送的主要方式之一。按照输送介质可以划分为海底输油管道、海底输气管道、海底油气混输管道和海底输水管道[1]。根据输送介质的特点，海底输气管道的主要危害是火灾爆炸，会对临近的船舶及平台设施等造成危害[2]。由于海面上不设置可燃气体探头，一旦发生海底输气管道泄漏，则无法判断可燃气体云团的具体范围。在进行现场应急处置时，如果无法掌握可燃气体云团的分布范围和危险区域，就无法准确划定警戒区域，防止第三方船舶误入可燃气体云团，从而会对船舶及人员产生伤害，也可能使应急抢险人员处于危险环境。因此，研究海底输气管道泄漏后在海面上形成可燃气云的扩散规律及影响距离可以为现场抢险、应急响应等提供重要的判据，具有实际的工程意义。

输气管道的海底泄漏可以分为3个阶段，分别为初始泄漏阶段、气体在水中扩散阶段和气体在海面上的扩散阶段[3]。如果遇到外部点火源，还会发生火灾爆炸。关于海底输气管道海底泄漏的这几个阶段，国外相关研究较早，例如关于海底管道泄漏事故的统计分析，开发了一些事故统计数据库[4-5]。国内近些年也在海底管道失效分析和统计方面开展了相关工作[6-9]。国外关于气体在水中扩散的理论、实验研究及工程应用方面开展工作较早[10-11]，国内近些年在海底输气管道的水中扩散模拟方面也开展了一些工作[12-16]。目前，在气体水中扩散领域，工业界应用较多的为Fanneløp羽流模型[7]，原因是该模型简单省时，具有足够的分析精度，比较适合工程应用。而关于气体到达海面后的扩散、火灾及爆炸等后果，主要分析方法为经验公式计算或者采用三维计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)软件进行模拟[17-18]。国内也有人采用CFD技术开展了相关工作[19-21]。海底输气管道水下泄漏后,气体云团在海面的扩散会受到泄漏孔径、泄漏水深以及外部风速等影响，而现场应急响应也会面临诸多实际的环境条件。因此，研究以上关键因素对海底输气管道泄漏扩散的影响十分重要。

本研究以某海底输气管道为例，通过模拟不同泄漏孔径、泄漏水深以及风速条件下的泄漏扩散过程，分析以上因素对可燃气体云团扩散的影响作用，归纳一种通用的分析方法，为现场应急响应提供参考。

1 计算模型及模拟场景

1.1 泄漏计算

应用CFD软件OLGA进行泄漏瞬态模拟计算。OLGA是专业瞬态多相流CFD模拟软件，可以精确地模拟和分析流体真实动力学过程。根据OGP关于海底管道泄漏的划分推荐值[5]，泄漏计算选择两种泄漏孔径：700 mm和50 mm，分别为大型泄漏和中型泄漏的代表性泄漏孔径。管道入口和出口表压分别为18.7 MPa和6.9 MPa，假设输送介质为100%(体积分数)甲烷。

1.2 气体水中扩散

应用Fanneløp羽流模型，计算海底输气管道发生泄漏后气体在水中的扩散。主要计算结果是水中气体羽流到达海面后的溢出区域(释放面)平均直径及相应的气体垂直流速变化，作为下一步CFD模拟工作的输入。气体水中扩散受泄漏速率和泄漏点水深的影响，鉴于国内海底输气管道的水深分布特点，选择50 m和100 m两种代表性泄漏水深进行研究。

1.3 气体到达海面后的扩散模拟

采用3维CFD软件KFX对气体扩散进行模拟。KFX是用于气体扩散和火灾模拟的三维瞬态CFD软件，可以进行封闭或开放空间的重质和轻质气体的扩散模拟[22]。该软件已经通过大量不同类型和尺度实验结果的验证，得到工业领域的广泛接受[23]。

根据气体水中扩散计算得到的气体羽流到达海面后的气体释放面尺寸，进行计算域的设定和网格划分。设定不同的风速作为外部环境条件，模拟气体云团扩散过程，并提取气云体积随时间的变化及影响距离。根据分析需要，扩散模拟场景信息见表 1。

表1 海底输气管道泄漏扩散模拟场景场景编号泄漏水深/m泄漏孔径/mm风速/(m·s-1)12341005070050700501、3、5、7、9、11、13、15、20

2 结果与讨论

2.1 泄漏模拟结果

泄漏孔径为700 mm和50 mm条件下的泄漏速率随时间变化曲线见图1和图 2。700 mm孔径泄漏的初始泄漏速率很大，但下降速度很快，200 s后下降速度变缓。50 mm孔径泄漏发生后初始泄漏速率约为62 kg/s，虽然随时间有所下降，但下降幅度不大。泄漏计算结果将用于气体水中扩散模型的输入，计算气体在水中的扩散。

2.2 气体水中扩散计算结果

根据Fanneløp羽流模型，计算气体在水中的扩散。采用瞬态泄漏速率作为输入，泄漏水深分别为100 m和50 m。计算时将气体释放面划分为5个同心圆，中心圆和4个同心圆环内气体的质量流量占总质量流量的百分比分别为20%、40%、60%、80%和95%。由于水下气体扩散的特点以及泄漏速率随时间的变化，各同心圆半径会随时间发生变化(以泄漏孔径700 mm为例，见图 3～图 4)。考虑到后期CFD模拟的可行性，计算出各泄漏工况下5个同心圆半径在分析时间内的平均值(见表 2)，以及各同心圆单位面积的气体垂直流速的瞬态变化(以泄漏孔径700 mm为例，见图 5～图 6)。

表2 各泄漏工况条件下海面气体释放面平均半径泄漏孔径/mm泄漏位置水深/m气体释放面平均半径/m20%40%60%80%95%7005011.416.822.429.741.110020.830.740.553.573.950506.410.213.618.626.210012.118.524.733.646.9

计算结果表明，泄漏速率和泄漏点水深对释放面的半径均产生明显影响。泄漏速率越大，释放面半径越大。相同泄漏孔径条件下，泄漏点水深越大，释放面的半径越大。泄漏发生后，释放面的半径在短时间内迅速增大，随着泄漏速率的减小，释放面半径逐渐缩小。气体从海底到达水面的时间同样受泄漏速率和泄漏点水深影响，泄漏速率越大，气体到达海面所需时间越短，水深越深，气体到达海面所需的时间越长。释放面气体垂直流速受泄漏速率和水深的影响，泄漏速率越大，气体垂直流速越大，水深越深，气体垂直流速越小。

2.3 气体在海面扩散模拟结果

对于泄漏水深50 m，泄漏孔径为700 mm的工况，各风速条件下甲烷浓度处于可燃浓度下限(lower flammability limit，LFL)(5%)和可燃浓度上限(upper flammability limit，UFL)(15%)之间的可燃气体云团体积随时间的变化见图 7。模拟结果表明，气体到达海面后，可燃气体云团体积可以在数十秒内到达峰值，随后由于风的稀释作用，可燃气体云团体积逐渐减小，继续缓慢降低至某一水平后，可燃气体云团体积变化幅度变小。可以判断，当泄漏速率变化较小时，气云体积将趋于稳定，这一阶段可称之为阶段性稳态。

对于泄漏水深50 m、泄漏孔径为50 mm的工况，各风速条件下甲烷浓度处于LFL和UFL之间的可燃气云体积随时间的变化见图 8。可燃气云体积随时间的变化规律与700 mm泄漏孔径工况相似，只是气云体积相对较小。泄漏水深100 m、泄漏孔径为700 mm和50 mm的工况下，气云扩散规律与泄漏水深50 m工况相似。

风速会影响气体在空气中的扩散过程。一方面，风速增大，可以加速气体与空气的混合，将高于UFL浓度的气体稀释至UFL浓度以下，从而形成较大的气体云团；另一方面，风速增大也会加快稀释可燃气体，如果初始可燃气体浓度较低，可导致可燃气云体积减小。以泄漏点水深50 m、泄漏孔径为700 mm的泄漏工况为例，列举气体扩散到达阶段稳态时，气体浓度分布等值面图的竖直剖面图(xz面)和距离海面5 m高度水平剖面图(xy面)，具体见图 9～图10。根据气体浓度的分布可以估算危险距离。

2.4 水深及风速对气体云团扩散的影响

图11为泄漏水深50 m，泄漏孔径700 mm时，各风速条件下处于LFL与UFL浓度之间的气云体积峰值和气体到达海面后第3 min的可燃气体云团体积。可燃气体云团体积峰值随风速升高先增大后减小，在风速为7 m/s时最大。气体到达海面后第3 min的可燃气体云团体积随风速升高先增大而后减小，在风速5 m/s时最大。说明风速较大时，有利于气体的扩散，容易形成较大的可燃气体云团，而随着风速进一步增大，加大了气体稀释作用，可燃气体云团体积缩小。对于700 mm孔径泄漏，中等风速时可燃气体云团体积相对较大，点火风险更高。

图12为泄漏水深50 m，泄漏孔径50 mm时，各风速条件下LFL与UFL浓度之间的可燃气体云团体积峰值和气体到达海面后第3 min的可燃气体云团体积。可燃气体云团体积随风速升高而减小，在风速5～15 m/s之间，可燃气体云团体积与风速具有近似线性关系。由于50 mm孔径泄漏的泄漏速率相对较低，高浓度气体分布较少，风对云团的稀释作用较强。因此，对于50 m水深的50 mm孔径泄漏，可燃气体云团体积随风速增大而减小，点火风险降低，低风速是相对不利的风速条件。

图13与图14分别为泄漏水深100 m，泄漏孔径700 mm和50 mm时，各风速条件下处于LFL与UFL浓度之间的可燃气体云团体积峰值和气体到达海面后第3 min的可燃气体云团体积。可燃气体云团体积变化规律与水深50 m时类似。

图15～图16分别为不同水深条件下，700 mm和50 mm孔径泄漏可燃气体云团体积峰值的对比。对于700 mm孔径泄漏，在相同的风速条件下，泄漏水深100 m形成的可燃气体云团体积基本大于水深50 m。原因之一是100 m水深的泄漏在海面形成的气体释放面大于50 m水深。同时，气体浓度比较容易扩散至LFL和UFL浓度之间。而50 m水深泄漏在海面形成的释放面较小，气体浓度较高，不易稀释至UFL浓度。

对于50 mm孔径泄漏，在相同的风速条件下，泄漏水深100 m形成的可燃气体云团体积大于水深50 m工况，且可燃气体云团体积的差异随着风速的增大而降低。说明水下泄漏在海面形成的气体释放面起到了主要作用。在低风速时，具有更大气体释放面的泄漏会形成更大的可燃气体云团体积。但由于泄漏速率不高，当风速增大时，稀释作用增强。这种由于气体释放面差异导致的可燃气体云团体积差异开始减小，可燃气体云团体积主要取决于气体释放面的中央区域，该区域气体浓度较高，抵抗风稀释作用的能力较强。

2.5 可燃气体云团危险距离分析

海面上主要的外部点火源为路过的船舶。一旦可燃气体云团被路过的船舶点燃，会对船舶上人员产生危害。因此，确定各泄漏工况下的危险距离，可以作为现场警戒区域划分的输入，为应急响应提供帮助。由于船舶的高度有限，故提取可燃气体云团在距离海平面5 m高度所到达的范围作为危险距离的参考。危险距离定义为甲烷50%LFL和LFL浓度等值线边界距离海面气体释放面几何中心的距离。图17和图18分别为泄漏孔径700 mm和50 mm工况下，各泄漏水深和风速条件下的危险距离。

以上数据表明，对于泄漏孔径700 mm的情况，在风速小于20 m/s时，危险距离随风速增大而增大。相同风速下，泄漏水深为100 m时的危险距离大于泄漏水深为50 m的情况。

对于50 mm孔径泄漏，危险距离随风速的提高先增大后减小，直至降为0。风速低于5 m/s，泄漏水深为100 m时的危险距离大于泄漏水深为50 m的情况；风速大于5 m/s小于13 m/s，泄漏水深为100 m时的危险距离小于泄漏水深为50 m的情况。

在有些泄漏情况下，现场应急处置须对可燃气体云团采取点火措施。由于水下泄漏同时伴有气涌，计算得到的气体释放面直径能够间接反映气涌的范围，然后通过气体释放面直径和可燃气体云团影响范围的关系，能够大致判断现场气体云团可能的浓度分布，为现场精确点火提供帮助。

3 结论

通过对相同管道压力条件下，不同泄漏孔径、泄漏点水深以及风速条件下的海底输气管道泄漏扩散进行模拟，分析归纳得到了可燃气体云团在海面的扩散规律和影响距离。研究了以上3个因素对海底管道水下泄漏扩散产生影响的原因和特点：

(1)泄漏速率和泄漏点水深会影响海底管道泄漏后气体到达海面的气体释放面积和气体垂直流速，进而影响气云在海面的扩散。

(2)风对气体有稀释作用，一方面可以将气体稀释至低于LFL浓度，另一方面可以将高浓度的气体稀释至LFL和UFL浓度之间，其影响需要与原始气体浓度共同作用，从而决定气云体积。

(3)对于700 mm孔径泄漏，中等风速是不利风速，对于50 mm孔径泄漏，低风速是不利风速。

在进行海底输气管道定量风险评估时，气云扩散结果是泄漏后果的主要构成部分，需要考虑以上主要影响因素对气云扩散的影响，进行系统性的模拟计算，为定量风险评估提供输入。同时，相关过程结果也可以为现场应急处置方案提供丰富的参考信息。例如，海上警戒区域划分可将模拟结果作为参考，以防船舶误入所导致的伤害。

由于海底管道的特殊性，每条海底输气管道的工艺参数、运行情况及所处环境差异较大。该研究中的具体结果无法直接应用于其他海底输气管道，但可以按照该分析方法的思路和要点，考虑以上3个关键影响因素，根据各海底管道的实际工艺参数对于不同泄漏工况进行模拟计算，得到实际的风险分析结果。然后将分析结果与现场应急相结合，完善应急准备分析过程，制定更加有针对性的应急处置方案。