張衛(wèi)兵 李長(zhǎng)慶 王新華 屈波

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

埋地管道具有受地形地物限制因素少、安全密封、不占地上空間、能較長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，因此，成為石油工業(yè)中最重要的油氣集輸手段之一。但是，隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，以及不可避免地受運(yùn)行磨損、環(huán)境腐蝕、自身缺陷、周邊地理?xiàng)l件和氣候變化等因素的影響，使埋地油氣管道時(shí)刻面臨著泄漏的風(fēng)險(xiǎn)［1］。

本文以油氣田高壓埋地天然氣集輸管道為研究對(duì)象，舉例分析泄漏事故發(fā)生時(shí)的情景及對(duì)周邊環(huán)境的影響。由于高壓天然氣集輸管道內(nèi)介質(zhì)壓力極高，當(dāng)埋地高壓管道發(fā)生泄漏時(shí)，天然氣從泄漏口高速噴出，形成快速膨脹射流，瞬時(shí)高壓氣體膨脹會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生破壞，甚至造成人員傷亡。鑒于研究危險(xiǎn)可燃性氣體泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)尚有較大難度，且費(fèi)用高不易開展，因此，基于數(shù)值法開展相關(guān)研究是經(jīng)濟(jì)可行的［2-8］。本文采用計(jì)算流體軟件 Fluent分析高壓埋地天然氣集輸管道泄漏對(duì)周圍環(huán)境的影響，從而為處理天然氣集輸管道的泄漏事故提供依據(jù)，并且，可以指導(dǎo)高壓管道的設(shè)計(jì)方案和防護(hù)。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 問題描述及物理模型

當(dāng)埋地高壓集輸管道的管壁破損后，高壓氣體瞬間泄漏，其分析計(jì)算模型見圖1。

圖1 天然氣集輸管道泄漏模型

圖1中：H——管道埋深，m；1φ——高壓管道直徑，cm，本例中取32.5cm；2φ——泄漏口直徑，cm；θ——泄漏口平面垂直方向與集輸管道垂直方向的夾角，°。高壓天然氣通過泄漏口向外噴射，首先通過土壤層，然后逐漸擴(kuò)散到周圍環(huán)境中，表現(xiàn)為高壓射流在空氣中的高速膨脹。

分別模擬埋深2.0m、3.5m，泄漏口直徑5cm、15cm，破口方向0°、45°，模擬區(qū)域范圍為240m×300m時(shí)，高壓集輸管道天然氣泄漏對(duì)周圍環(huán)境的影響。由于天然氣噴射特性主要與管內(nèi)壓力、溫度及泄漏口尺寸有關(guān)，與集輸管道的直徑關(guān)系不大，因此，本文未考慮集輸管道管徑的影響。采用Fluent前處理軟件Gambit建立物理模型，計(jì)算網(wǎng)格采用區(qū)域分塊，全部六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)沖擊波聚集和參數(shù)變化劇烈區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，既提高了計(jì)算域網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)，網(wǎng)格數(shù)目又可以大幅度減小。計(jì)算區(qū)域分為大氣層和土壤層2部分。

1.2 控制方程

高壓天然氣從集輸管中噴射出，是一種壓力梯度大、速度高，并有沖擊波，流動(dòng)非常復(fù)雜的湍流流動(dòng)。Fluent軟件中的 Realizable k-ε模型，在求解平面射流、圓孔射流和高壓力梯度、分離速度等條件下的涉及旋轉(zhuǎn)、邊界層的問題時(shí)，具有較高的精度［9］。因此，在模擬計(jì)算時(shí)，采用 Realizable k-ε湍流流動(dòng)傳輸模型。數(shù)值模擬過程中采用的控制方程式為：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

Realizable k-ε湍流模型：

能量方程：

2 數(shù)值模擬的結(jié)果與分析

應(yīng)用Fluent軟件對(duì)高壓集輸管道泄漏進(jìn)行模擬仿真。管道泄漏口采用壓力入口邊界條件，入口壓力設(shè)為42.0MPa；環(huán)境外圍采用壓力出口邊界條件，環(huán)境壓力為0.1MPa；土壤層采用多孔介質(zhì)模型，孔隙度為0.27，密度為2 000kg/m3，比熱容為1 600J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為 1.412W/（m·K）［10，11］；環(huán)境風(fēng)速為0，天然氣和環(huán)境溫度均為300K。天然氣和周圍空氣設(shè)置為理想氣體，由于集輸管道天然氣中甲烷含量高于90%，為簡(jiǎn)化模型，模擬中假設(shè)集輸管道泄漏的為純甲烷氣體，同時(shí)，不考慮周圍環(huán)境中水分的凝結(jié)放熱［12，13］。得到不同埋深（H=2.0m、3.5m）、不同泄漏口直徑（2φ=5cm、15cm）和不同泄漏角（θ=0°、45°）時(shí)，泄漏口周圍環(huán)境流場(chǎng)的速度和環(huán)境溫度分布情況。

2.1 泄漏角為0°時(shí)周圍環(huán)境流場(chǎng)的速度分布

當(dāng)泄漏角θ=0°，不同埋深和泄漏口大小時(shí)，周圍環(huán)境流場(chǎng)的速度分布情況詳見圖2。

圖2 周圍環(huán)境流場(chǎng)的速度分布(θ=0°)

由圖2可知，氣流從泄漏口流出后向四周高速流動(dòng)，流速高達(dá)420m/s，影響范圍較大，水平方向可達(dá)約100m，高度方向可達(dá)約300m。速度呈對(duì)稱分布，中心區(qū)域的速度最大，逐漸向兩側(cè)減小。隨著泄漏口尺寸的增加、埋深的減少，高速氣流的區(qū)域逐漸增大。在高度方向?yàn)?100～150m、水平方向大于100m的區(qū)域，大泄漏口（2φ=15cm）且小埋深（H=2.0m）時(shí)，氣流速度高達(dá) 140m/s，而小泄漏口（2φ=5cm）且大埋深（H=3.5m）時(shí)，氣流速度降至約40m/s。

2.2 泄漏角為0°時(shí)周圍環(huán)境流場(chǎng)的溫度分布

當(dāng)θ=0°，不同埋深和泄漏口大小時(shí)，泄漏口周圍環(huán)境的溫度分布情況詳見圖3。

由圖3可知，高速氣流從泄漏口噴出后，在周圍環(huán)境中膨脹，溫度降低。隨著泄漏口尺寸的增加、埋深的減少，低溫區(qū)域的范圍增大，最低溫度降低至約200K，會(huì)對(duì)人員、設(shè)備和環(huán)境產(chǎn)生較大損害。在泄漏口上方約50m處形成一較高的溫度區(qū)，隨著高度的增加溫度開始下降，且呈對(duì)稱分布，中心區(qū)域溫度較低，逐漸向兩側(cè)增加，在水平方向50m以后溫度又升高至約300K。

圖3 周圍環(huán)境流場(chǎng)的溫度分布(θ=0°)

2.3 泄漏角為45°時(shí)周圍環(huán)境流場(chǎng)的速度變化

當(dāng)θ=45°，不同埋深和泄漏口大小時(shí)，泄漏口周圍環(huán)境的速度分布情況詳見圖4。速度圖例與圖2一致。

圖4 周圍環(huán)境流場(chǎng)的速度分布（θ=45°）

由圖4可知，氣流經(jīng)泄漏口高速向外界流動(dòng)，速度高達(dá)400m/s。由于泄漏口方向θ=45°，速度分布的對(duì)稱性被破壞，在泄漏口方向出現(xiàn)高速區(qū)域，在泄漏口方向的兩側(cè)流速逐漸降低，且泄漏口方向的背側(cè)速度降低較快。隨著泄漏口尺寸的增加、埋深的減少，高速氣流的區(qū)域逐漸增大。在高度方向100～150m、泄漏口的前側(cè)水平方向大于120m的區(qū)域，大泄漏口（2φ=15cm）且小埋深（H=2.0m）時(shí)，氣流速度高達(dá)120m/s，而小泄漏口（2φ=5cm）且大埋深（H=3.5m）時(shí)，氣流速度降至約60m/s。

2.4 泄漏角為45°時(shí)周圍環(huán)境流場(chǎng)的溫度分布

當(dāng)θ=45°，不同埋深和泄漏口大小時(shí)，泄漏口周圍環(huán)境的溫度分布情況詳見圖5。溫度圖例與圖3一致。

圖5 周圍環(huán)境流場(chǎng)的溫度分布（θ=45°）

由圖5可知，高速氣流的膨脹，可使周圍環(huán)境溫度降至約200K。由于泄漏口的方向θ=45°，溫度分布的對(duì)稱性被破壞，在泄漏口方向出現(xiàn)低溫區(qū)域，隨著泄漏口尺寸的增加、埋深的減少，低溫區(qū)域的范圍增大。在泄漏口方向的兩側(cè)溫度逐漸升高，且泄漏口方向的前側(cè)溫度升高較快。在 100～150m的高度上，泄漏口方向背側(cè)50m的水平方向上，溫度升至290～300K；泄漏口方向前側(cè)100m的水平方向上，溫度升至290～300K。

2.5 模擬結(jié)果分析

在θ=0°且埋深H=3.5m的情況下，當(dāng)水平距離大于150m時(shí)，氣流速度可降至小于10m/s，環(huán)境溫度約為 300K；對(duì)于θ=45°且埋深H=3.5m的情況，主要考慮泄漏口方向前側(cè)的速度和溫度情況，當(dāng)水平距離大于 150m時(shí)，氣流速度可降至小于40m/s，環(huán)境溫度約為 300K。若繼續(xù)增大埋深，在泄漏角θ=0°或θ=45°的條件下，當(dāng)水平距離大于150m時(shí)，氣流速度和環(huán)境溫度均不會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成傷害。因此，當(dāng)泄漏壓力為42.0MPa時(shí)，安全距離設(shè)定為150m，安全埋深為大于3.5m。

分別模擬當(dāng)天然氣管道內(nèi)壓力為 30.0MPa和54.0MPa時(shí)，天然氣泄漏對(duì)周圍環(huán)境的影響。根據(jù)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)管內(nèi)天然氣的壓力不同時(shí)，引起周圍環(huán)境中速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化非常相似，并且，隨著天然氣泄漏壓力的升高，高速流在水平和高度方向的影響范圍擴(kuò)大，速度的波動(dòng)范圍增加，低溫區(qū)域也呈現(xiàn)擴(kuò)大的趨勢(shì)，即，隨著泄漏壓力的增大，對(duì)周圍環(huán)境的影響增大，危險(xiǎn)區(qū)域的范圍擴(kuò)大。因此，為了防止災(zāi)害的發(fā)生，隨著管內(nèi)壓力的增加，應(yīng)該增大集輸管道的埋深，并適當(dāng)?shù)卦龃蟀踩嚯x。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，得到不同壓力下的安全距離和安全埋深，具體見表1。

表1 不同壓力下的安全距離和安全埋深

3 結(jié)論及建議

由于高壓集輸管道內(nèi)氣體壓力極高，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，在泄漏口附近較大范圍內(nèi)（水平及高度方向），存在高流速和低溫區(qū)，對(duì)附近人員、設(shè)備財(cái)產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生巨大影響。

通過分析不同管道埋深、不同泄漏口尺寸、不同泄漏口方向和不同泄漏壓力情況下，發(fā)生泄漏后溫度和速度分布情況可知，在水平和高度方向100m范圍內(nèi)，天然氣泄漏會(huì)產(chǎn)生較大影響，而且，管道埋深越淺、泄漏口尺寸越大、泄漏壓力越大，影響越大。因此，建議在設(shè)計(jì)及施工鋪設(shè)高壓集輸管道時(shí)，應(yīng)考慮發(fā)生泄漏時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的影響，適當(dāng)增大管道埋深及安全距離。

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