埋地输气管道穿孔泄漏扩散浓度的数值模拟

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1、第36卷第4期★★★★v★石油工程建设陈云涛，陈保东，杜明俊，李庆杰(辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001)摘要：基于有限容积法，建立输气管道泄漏扩散模型。以天然气管道为例分析了管道穿#Lift漏的原因，并进行数值模拟。得出了不同时刻模拟区域内天然气云团的扩散特性．给出了不同时刻爆炸浓度范围结果表明：埋地天然气管道泄漏后。随着扩散时间的增加，近地面附近区域受气体危险浓度作用时间较长，影响程度较大该成果为管道安全抢修提供理论指导，也说明应用数值方法模拟埋地燃气管道泄漏扩散规律是

2、可行的关键词：输气管道；泄漏；扩散浓度：数值模拟中图分类号：TE973文献标识码：A文章编号：1001—2206(2010)04—0001—030引言大，计算时采用标准的K—双方程传输模型。埋地管道具有受地形地物限制因素少、安全密1．1物质传输模型[61封、能长期稳定运行等优点．因此成为石油工业中最湍流脉动动能方程(K方程)：重要的油气输运手段。随着管龄的增长，以及受不可避免的运行磨损、腐蚀、缺陷、地理条件和气候变化p+PUit=÷+十)』等]J+¨G一+等因素的影响．使管道泄漏事故频繁发生。管

3、道腐蚀Gb-ps—y(1)穿孑L是天然气管道泄漏最常见的情况之一f11．原因在湍流动能耗散方程(￡方程)：于管道外部常使用多孑L易吸水的保温材料．致使水分P鲁+肌鲁=毒+)鲁]。}·与钢管进行长期电化学作用．表面出现锈蚀：加之天然气成分中含有少量的硫化氢和水蒸气．造成管道内(Gk+c3eGb)一CP专一(2)羊￥￥￥￥壁化学腐蚀。长期的内外腐蚀使管壁变薄．不能承=CP(3)受管内的高压作用而出现穿孔泄漏天然气属于极具危险的可燃性气体．主要成分为甲烷．当空气中式中￡——时间：的甲烷达到一定浓度并遇

4、到明火．就会引发爆炸一，——空间位置；旦发生爆炸事故，不仅对周围人员、建筑和环境带来——湍流动能：危害．同时对国民经济造成巨大的损失。目前关于输，“——时均速度；气管道泄漏扩散数学模型的研究多适用于地表架空p——流体密度；管道。对于埋地管道泄漏扩散问题的研究还很少。￡——湍流耗散率：鉴于研究危险可燃性气体泄漏扩散实验尚有较大难——流体黏度；度．从安全角度考虑．通过数值方法开展相关的研广__湍流黏度；究工作是可行的本文采用FLUENT软件模拟了G——平均速度梯度引起的湍流动能产生项；埋地输气管道穿

5、孑L泄漏扩散浓度和爆炸范围．为管道G浮力引起的湍流动能产生项；抢修人员的安全施工提供了一定的理论依据。y广一可压缩湍流中脉动扩张贡献；l泄漏扩散控制方程，分别为K方程和方程的湍流由于管内气体压力高．在泄漏LI处传输速度较Prandtl数：2石油工程建设2010年8月C，。，C3，C_一经验常数，分别取张力作用．导致极短时间内泄漏口附近地面聚集大1．44，1．92，1，0．09。量的高浓燃气(见图2(a))。起初管内外压力梯度1．2物质扩散模型阎大．地表燃气高速流动，且受空气浮力作用，致使组分运移

6、方程：云团快速上升，在空中形成一个高浓区(见图2(b))。此时高浓区仍有地面燃气供给，加之燃气与(pYi)+V·(PvY)=一+5(4)空气存在较大浓度差．云团继续上升并迅速扩散式中yr一第i种物质的质量分数；(见图2(c))。随着泄漏时间的延长，管内外压力l，——速度矢量：梯度降低很快．导致泄漏速度和泄漏量明显减小．S广用户定义的第i种物质的速率；当管内压力等于环境压力时，泄漏停止——湍流中第i种物质的质量扩散速率。由模拟的数据可知：36s后管道泄漏口速度已=一(pm+)】，(5)很小，泄漏几

7、乎停止(见图2(d))。只有土壤介质容纳的少量燃气正缓慢向地表扩散．由于这些气体式中sc一湍流施密特数。湍能已很小．扩散速度慢．导致地面附近长时间处一混合物中第i种物质的扩散系数。于爆炸浓度范围，由图2(e)2(i)可知．高浓2问题的描述及数值模拟区中心位置主要集中在地表以上145～175ITI之间．2．1问题的描述此时的动力来源主要是空气的浮力基于重力的存以某输气管道为例．管道外径1000mm．泄在．中心位置可能还会继续下降。由于没有地面燃漏管段长300m，埋深1．2m，泄漏口半径5cm。气的

8、供给，云团主要表现为扩散过程，且影响面积管道上层覆土为多孑L介质．其孔隙度0．267．密不断增大。扩散形态相似．呈椭球面分布不同时度2650kgm，比热容1600J／(kg·K)，导热系数刻高浓区的浓度变化不同，表现为：初始变化快．1．512W／(m·K)；模拟区域范围300m×300rn，管道时间越长．浓度变化越慢．主要原因在于中心浓度泄漏口采用压力人口边界．环境外围采用压力出口边与周围混合气体浓度梯度越来越小。根据图2(i)界：环境压力Q1MPa．泄漏口及管内气体初始压力的模拟数据：燃气扩散