长距离输气管道泄漏扩散研究进展

刘锴，李又绿，余东亮，蒋毅，吴东容，徐涛龙，李永杰，蒋宏业

1.国家管网集团西南管道有限责任公司；2.西南石油大学石油与天然气工程学院

0 引言

近年来，随着城镇天然气普及，国内天然气需求量持续增长。由于管道运输的独特优势，中国天然气运输99%是通过管道进行。但受自然灾害、第三方破坏、管道疲劳等因素影响，输气管道气体泄漏扩散事故时有发生。长距离天然气输送管道发生泄漏将会造成巨大的经济损失，更严重的是天然气泄漏可能引发爆炸事故，对附近的人员存在极大的安全威胁。因此，对长距离天然气输送管道泄漏扩散规律进行研究有重大的科研价值和实际意义。

国内外学者对埋地、地面及水下的天然气管道泄漏扩散进行了大量的研究工作［1-4］。从早期的大型泄漏扩散实验到近年来的泄漏扩散仿真模拟分析，提出了一些经典理论计算模型，主要通过计算流体力学软件研究了不同因素影响下天然气的泄漏和扩散特性，针对不同环境工况提出不同应急处理措施，取得了较多的研究成果。在数据库CNKI、EV Compendex、ScienceDirect、OnePetro 中，对“天然气泄漏”“输气管道泄漏”“气体泄漏扩散”“气体扩散模型”等关键词进行检索，得到大量关于天然气泄漏扩散方面的研究成果。早期主要从实验和理论方面开展天然气泄漏扩散模型的研究，近年来随着深度学习方法及计算机应用数学的发展，数值模拟逐渐成为天然气泄漏扩散的主要研究手段之一。

相较于实验研究和理论计算，利用计算机软件能够更好地模拟大规模管道的泄漏情况，具有低成本、计算快和完整数据支持等特点。数值模拟软件中，FLUENT 功能较全，包含多种数学模型和物理分析方法［5-18］，在天然气泄漏扩散领域应用较广。目前对管道的泄漏扩散数值模拟研究［19-31］主要集中在埋地、地面和水下3 种敷设工况，涵盖泄漏参数、土壤特性、风速、大气环境、地形、障碍物、热载荷、基坑填筑、建筑物等多种因素对输气管道泄漏扩散的影响。

通过文献调研，重点针对地面管道泄漏扩散和埋地管道泄漏扩散，总结国内外在理论计算、实验及数值模拟等方面的研究成果，提出有待进一步研究的关键技术问题，为今后在该领域的进一步深入研究提供参考。

1 地面输气管道泄漏扩散研究

1.1 不同参数对泄漏气体传播规律影响

针对泄漏气体的传播规律，已有研究基本从泄漏速率、扩散范围和失效后果3 个方面开展不同参数的影响分析，以此形成了天然气管道泄漏分析的一般过程，如图1所示。

图1 天然气管道泄漏分析过程

国外早在二十世纪七八十年代便开展了天然气管道泄漏扩散计算模型研究，提出了高斯烟团和烟羽模型［32］、BM 模型［33］、Sutton 模型［34］、FEM3 模型［35］、箱模型［36］、浅层模型［37］、板块模型［38］等，每种模型都具有一定的局限性。其中，高斯模型和Sutton 模型应用较为广泛，二者适用于相同压力且相对速度较低的两种气体的扩散过程，但均未考虑天然气管道泄漏所特有的初始喷射和重力作用对扩散的影响。表1 对比了常见气体泄漏扩散模型的优缺点。需要指出的是，表1 中的泄漏扩散模型仅适用于气体的地面泄漏，而针对埋地管道地下泄漏过程的研究及相应描述，目前尚未有较合理的理论模型能够快速解决实际工程问题。

表1 不同气体泄漏扩散模型特点［39］

1.2 研究地面管道泄漏扩散规律的方法

1.2.1 理论研究

国内外学者针对天然气管道泄漏模型进行了一系列研究。Cremers［40］提出了管道泄漏模型与小孔泄漏模型的概念。Montiel 等［41］在此基础上提出了大孔泄漏模型的概念，并认为孔口泄漏状态根据管内压力和环境压力的比值可以分为临界流和非临界流两种状态。霍春勇等［42］认为当管道较长、压力差较大时，气体在出口处的流速可以接近声速达到临界流。王大庆等［43］在已有研究基础上推导得到了气体泄漏的亚临界流与临界流的方程，同时确定了不同泄漏孔径的泄漏强度。黄小美等［44］和冯文兴等［45］在已有模型的推导原理之上，确定了适用于所有泄漏孔径的泄漏量计算模型。

随着模型计算的不断发展，Moloudi 等［46］将泄漏管道分为穿孔和全断裂两类模型，引入一维瞬态可压缩气体管道破裂流动的无量纲方程，结合欧拉方程，推导出了一种计算气体释放速率和释放质量的新方法，发现了相对压力、相对孔径和摩擦力对气体释放速率的影响较大。而实际工程中，实际泄漏口面积不易获取，吴起等［47］针对此情况对天然气小孔泄漏速率的经验公式进行了改进，从而以实际泄漏事故中最容易获得的参数进行泄漏速计算。

国内外学者普遍认可欧洲输气管道事故数据组织的建议，将泄漏孔径d≤20 mm 的管道泄漏定义为小孔泄漏，满足d=D的泄漏定义为断裂泄漏，泄漏孔径在上述两者之间的定义为大孔泄漏。在已建立的基础模型之上，学者们又对模型进行了修正。李又绿等［48］提出管道泄漏时需要考虑射流、膨胀，扩散时需要考虑重力、风速，同时考虑可建立更加符合实际的天然气管道泄漏扩散模型。张文艳等［49］提出了泄漏气体在风速作用下偏移量的计算公式，并建立了三维空间内位移量计算模型。朱彦凝等［50］对高斯烟团、烟羽模型进行了修正，讨论了不同泄漏速度、泄漏流量和泄漏浓度对扩散区域的影响。秦政先［51］在前人研究基础上把实验和理论相结合，提出了气体扩散的半经验半理论计算公式。这些理论修正模型的提出，消除了不稳定影响因素的影响，使泄漏模型在实际应用中更加可靠。

1.2.2 实验研究

实验研究方面，学者根据相似原理搭建气体管道泄漏系统提出气体扩散模型，验证有关公式的正确性和适用性。但目前来说，由于实验实现难度系数大、因素众多难以控制的问题，大多数学者设计的实验是研究单一因素对泄漏速率的影响，且各学者的研究相对独立，通过实验所得泄漏量计算模型一般只针对特定情形有效，不具备普适性。

Botros 等［52］建立了由不锈钢膨胀管组成的试验台，测量高压管道破裂后混合气体的流动参数和减压波速，并捕获压力温度变化曲线。发现此方法适用于预测有扩展裂纹的管道的减压波速。张琼雅［53］为了检验数值模拟的合理性，利用相似性原理开展了天然气管道泄漏孔径尺寸与气体泄漏速度关系的实验测量，并利用流量计、烟气分析仪等设备记录泄漏量及泄漏天然气浓度。付建民等［54］通过实验研究，发现泄漏气体在孔口截面中心处的流速最大，矩形方孔比等面积的圆孔的泄漏速率大，管道的裂纹方向不太影响泄漏速率，矩形孔口比其他形状孔口容易发生临界流。Palocz 等［55］通过实验研究，提出了一个涉及地下气体扩散的输气管道泄漏扩散的模型。

实验研究不仅可以作为理论研究的基础，还可以为数值模拟计算提供验证基础。

1.2.3 数值模拟研究

CFD（计算流体力学）模拟被应用于气体扩散过程的研究。黄雪驰等［56］通过CFD 模拟，将地面输气管道泄漏模拟分为2 步，先是环境风场的稳态模拟，后是管道泄漏扩散的瞬态模拟。管道气体的泄漏速率不同一般是由管道自身参数变化引起的，相关学者分别从管道泄漏孔形状、泄漏口大小和泄漏压力等参数变化分析天然气的泄漏特征，详细内容如表2所示。

表2 不同的管道参数对泄漏影响的研究

管道泄漏气体的扩散形式和扩散范围往往受到外界环境因素制约，较多学者从环境湿度和温度、风场风速、障碍物、地形、热载荷等方面分析天然气泄漏后的扩散特征，详细内容如表3所示。

表3 不同的外界因素对扩散影响的研究

1.3 地面管道研究进展

地面长输管道泄漏扩散的理论模型已经十分成熟，大量的数值模拟都是基于相关理论模型开展的。但由于外部环境条件的复杂性，使得理论模型的准确性和普适性有所欠缺。想要获得更加精确的结果必须结合实际工况对模型进行修正。通过实验开展，对现有理论模型展开修正，得到更加符合工程实际的泄漏扩散模型，从而指导数值模拟过程。多年来，针对各影响因素展开大量的研究，得到的基本判断是：（1）相对于温度和大气湿度，风速对天然气泄漏扩散影响最大。环境风速越大，天然气扩散距离越远，危险爆炸范围增大后减小；（2）环境中空气湿度增大，垂直方向上天然气扩散速率降低，但水平方向天然气扩散速率增大；（3）障碍物的存在使得天然气扩散行为变得更加复杂，建筑物的阻挡作用使得天然气沿建筑迎风面向上流动，天然气扩散高度更高；（4）泄漏孔径、泄漏压力与天然气泄漏量、天然气扩散范围呈正相关的关系；（5）天然气管道泄漏孔形状越接近于圆形，天然气泄漏速度越大。

上述模拟研究基本将管输介质假设为纯甲烷，没有考虑除甲烷外其余气体组分。计算结果与真实情况存在偏差。现场实验得出的数据相较数值模拟和理论分析得出的数据更为准确。但已有的实验研究缺乏部分外界因素耦合对气体泄漏扩散的影响，外界影响因素主要包括大气湿度、风向变化等。

2 埋地输气管道泄漏扩散研究

2.1 研究埋地管道泄漏扩散规律的方法

由于地下管道的泄漏受到土壤孔隙率和土壤自身的阻碍等作用，在建立气体泄漏扩散计算模型时需要考虑土壤含水率、埋深等因素影响，从而使埋地管道的泄漏研究问题变得更为复杂。目前，针对埋地管道的泄漏研究，大部分学者仍假设在一种理想状态下。

2.1.1 理论研究

唐保金等［81］假设土壤含水率为0，根据量纲分析求解了泄漏气体在土壤中的一维扩散方程，基于埋地管道泄漏到土壤中的扩散原理，推导出适用于泄漏孔为圆形的泄漏量计算式。但尚未考虑沿水平方向上的泄漏扩散和泄漏过程中因流动迁移对扩散浓度的影响。张鹏等［82］建立了三维稳态扩散数学模型，并运用无量纲分析法求解，证实了菲克定律和达西定律都可用于描述土壤多孔介质中气体的扩散过程。刘武等［83］、颜力等［84］基于流体力学方程、伯努利方程和绝热方程，对管道破裂的非稳态泄漏量数学模型进行推导，得出管道泄漏量的计算公式和气体泄漏过程的速度计算公式。周忠欣等［85］结合实验数据对比了使用等温模型和等熵模型计算泄漏量的不同，在基于三维菲克定律之上得到了埋地管道泄漏天然气浓度分布规律。熊兆洪等［86］通过改进经验公式，结合高速非达西渗流理论，参考实验数据，得出了用于埋地的高速非达西渗流系数经验公式和土壤变形压力修正公式。基于以上研究，李雪洁等［87］在把达西定律引入模型过程中，考虑气体压缩特性的渗透速度，最终得到埋地管道泄漏地表流量计算公式，建立了既可以用于地表的又可以用于埋地的管道泄漏扩散模型。

综上所述，大部分的理论研究均建立在一定的假设基础之上，模型的准确性会受到假设条件和复杂的外部环境条件影响。虽然泄漏在多孔介质中运移理论模型丰富完善，但是需在土壤孔隙度、渗透率、土壤温度等基本参数的基础上，不断引入更多新的影响运移扩散过程的变量，如土壤的非均质性、混合、吸附作用等，以期进一步完善泄漏在多孔介质中运移理论模型。在埋地管道泄漏渗流方面，还需要开展更深入的理论研究以适用于更为复杂的工况。

2.1.2 实验研究

为了保证数值模拟和理论模型的准确性，一些重要参数往往需通过实验方法获取。对于泄漏气体在土壤内部的扩散行为，Hideki 等［88］综合考虑气土组成、地面几何边界，通过全尺寸实验对天然气泄漏扩散进行了研究，得到地下气体扩散范围和浓度分布规律。Bonnaud 等［89］在执行管道安全评估过程中，开展了上百次小尺度不同参数条件的埋地管道泄漏实验研究，指出了土壤中出现冻结对泄漏扩散的影响。孙立国等［90］、谢昱姝等［91］通过进一步研究，开展了中低压埋地管道泄漏实验，揭示了管道天然气在土壤中的对流扩散基本特性，得到了其浓度场空间分布和变化规律，与Hideki 的结论一致，验证了达西定律的准确性。全尺寸的实验对于实验变量的控制较为困难，更多的国内学者基于相似性原理和量纲分析设计缩小的实验，能够有效地降低成本和增加试验工况。

夏军宝等［92］做了9 种工况下中压天然气泄漏实验。结果表明，天然气扩散主要受泄漏口方向的影响，土壤中的天然气浓度与泄漏时间的关系符合S 型曲线，泄漏管道埋得越深，泄漏出的天然气在土壤中扩散的范围越大。刘晓赫［93］进行了天然气在圆管土壤柱中的渗流实验和埋地管道泄漏天然气在土壤中的扩散实验，分析了土壤性质和渗流方向对渗流系数的影响；分析了泄漏流量、泄漏口开口方向、管道埋深、泄漏口对天然气在土壤中的扩散规律和危害范围的影响。夏军宝等［92］在之前研究的基础上，考虑中低压环境土壤中的扩散，做了7种工况下低压天然气泄漏至密闭空腔的实验。结果表明，如果空腔前有障碍物，天然气浓度在空腔达到爆炸下限比无障碍物情况的时间延长，但比无障碍物情况处于爆炸极限范围内的时间更长；泄漏点距离空腔越近，则泄漏量越大、越快达到爆炸极限。

综上所述，学者开展实验研究多涉及中低压泄漏，对于较高压力的天然气泄漏实验研究较少。高压天然气泄漏实验研究不但需要大型压力设备支撑，而且还存在更大的安全隐患，所以目前高压天然气管道泄漏扩散的研究大都通过数值模拟进行。

2.1.3 数值模拟研究

基于对埋地管道泄漏过程的数值模拟研究进行讨论，管道泄漏过程满足三大基本守恒方程、多组分输运方程；土壤的物性参数影响气体浓度分布，土壤视为多孔介质进行处理；甲烷泄漏质量流量需要应用流体动力学和工程热力学理论分析计算。根据现有研究来看，对埋地管道气体泄漏扩散的数值模拟研究主要集中在管道自身参数（泄漏孔径、管道压力、温度、泄漏方向、泄漏位置）和土壤特性（种类、含水率、渗透性）等方面，研究方法从早期的二维模拟发展到三维模拟，使仿真结果进一步接近事实。

许多学者采用CFD 模拟方法模拟埋地输气管道泄漏扩散过程，埋地输气管道的多数研究针对地下泄漏扩散和地上扩散2 个过程，一般认为气体是稳态流体。也有一些学者开始探索埋地到地面的扩散耦合模型，如叶岩等［94］建立CFD 模型，通过气体的扩散通量来对土地和空气进行耦合，比较其他模型，模拟条件下地上泄漏扩散的距离和泄漏扩散的高度均有较大区别。不同参数对埋地天然气管道泄漏扩散影响的研究如表4所示。

表4 不同参数对地下泄漏扩散的影响的研究

2.2 埋地管道研究进展

目前管道泄漏的研究主要集中在泄漏扩散模型和影响因素的讨论、管道泄漏的数值模拟和实验研究，以及少量土壤与大气耦合影响扩散的探讨。大多数学者都利用CFD 方法对泄漏进行研究。但是由于地下管道的泄漏受到土壤孔隙率和土壤自身的阻碍等作用，建立气体泄漏扩散计算模型变得更为复杂。实际工程中，管道泄漏工况及环境条件的复杂性使得模拟计算结果存在一定误差，因此，需要开展大量的实验对结果进行验证。综合上述埋地输气管道泄漏扩散研究，可以得出一些主要因素对天然气泄漏扩散的影响规律。（1）随着管道泄漏口增大，土壤中气体的渗透深度增大、泄漏量增大，使得危险范围增大，泄漏口大小和扩散范围成正相关。（2）泄漏前期，位于管道正上方的泄漏口最危险；泄漏后期，位于管道正下方的泄漏口最危险。（3）地面存在障碍物会阻碍天然气扩散，使得天然气危险范围增大。（4）气体的扩散距离受泄漏量与土壤孔隙率影响，泄漏量越大、土壤孔隙率越大，气体扩散距离越远。（5）土壤含水率越大，气体扩散速度越慢。

目前针对埋地输气管道泄漏扩散的研究，忽略了泄漏气体冲击作用导致的土壤物性参数改变。已有的研究建立的物理模型对于土壤和大气耦合的计算模型研究较少，未来工作中需要进一步的关注、研究，便于更贴近工程实际。

3 结论

从实验研究、理论计算及数值模拟3 个方面，介绍了埋地及地面的长距离输气管道泄漏扩散过程的相关研究成果。对不同管道泄漏扩散未来研究方向进行展望：

（1）埋地管道现有泄漏扩散模型的研究对土壤性质做了简化处理，在土壤惯性阻力系数、筑土方式不同的情况下，横向和纵向扩散都会产生极大值。未来工作中，可通过X 射线断层扫描成像法构建真实土壤的多孔结构，使所得结果更贴近于工程实际。

（2）埋地管道泄漏气体对土壤的冲击形成的空腔区对气体扩散的影响是未来工作中需要关注的问题，可以通过流固耦合的方法探究泄漏气体甲烷造成的空腔区对甲烷扩散行为的影响。

（3）开展天然气管道泄漏扩散数值模拟大多基于稳态泄漏条件的假设，管道泄漏过程是非稳态过程，未来数值模拟研究当中可考虑上层土壤重量对下层土壤的影响，并提出分层土壤每层都有不同的纹理、坡度、孔隙率及含水量，研究非稳态条件下管道泄漏的三维模型数值模拟。

（4）管道泄漏扩散的影响因素考虑不全面，模拟结果的准确性有待考证。忽略了环境温度、湿度、气象条件、土壤分层、多点泄漏叠加影响等多方面因素的共同影响，未来研究应尽可能充分考虑各因素的影响，探究出更符合实际的泄漏扩散规律。

（5）对长输管道泄漏量计算，应重点关注解决瞬态管道射流、多泄漏位置对管道内流体流动状态的影响等问题，从而得到对不同泄漏孔口位置、形状及外部环境影响下的有效泄漏扩散模型。