埋地高含硫天然氣管道泄漏擴散數值研究

付吉強 ，熊新強，李延宗，魏春日，王慶蕓

（1. 中國石油工程設計有限責任公司華北分公司, 河北 任丘 062552； 2. 中國石化煉油銷售有限公司, 上海 200000）

埋地長輸天然氣管道常用材質為X或L系列的直縫或螺旋焊鋼制管材，盡管在鋪設施工過程中會采用減緩或防止管道被侵蝕和變質的措施，但由于復雜的土壤環境以及輸送介質的腐蝕性，會改變管道結構，減少管道的使用年限，甚至發生管道穿孔泄漏，更嚴重會引發管道大面積的開裂泄漏、爆管、系統停輸等重大事故。

在天然氣藏中，硫化氫含量超過 5%時被稱為高含硫天然氣，輸送高含硫天然氣埋地管道在發生穿孔泄漏甚至開裂時，不僅會形成燃燒爆炸危險區遇明火燃燒或爆炸，還會形成高濃度中毒危險區威脅人的生命，引起重大人員傷亡及財產損失，故研究輸送高含硫天然氣埋地管道泄漏擴散數值模擬對實際工程具有很大的價值[1-4]。本文系統研究了埋地高含硫輸氣管道穿孔泄漏過程，基于組分傳輸理論建立了氣體在土壤多孔介質內擴散的控制方程，并分析了有風條件下對埋地管道泄漏后天然氣擴散規律的影響，計算結果可為進一步研究危險氣體擴散機理提供一定的理論基礎。

1 埋地長輸天然氣管道非穩定泄漏數學模型

長輸天然氣管道泄漏埋地與架空情況下不同，土壤屬于多孔介質，管道埋在土壤下泄漏后，天然氣會滲入到多孔介質中，同時作用在孔隙阻力和毛管壓力下，降低了氣體湍動能，所以天然氣在土壤表面以下進入大氣的過程表現為擴散過程[5]。

1.1 土壤多孔介質內擴氣體非穩定擴散控制方程

1）組分輸運守恒方程

式中：iY─介質的質量分數；r─密度kg/m3；u ─速度矢量，m/s；Dim─為混合物中介質的擴散系數。

2）動量守恒方程

式中：μ─流體動力粘度，Pa?s；

p─流體微元壓力，Pa；

u，v─速度u在x，y方向的分量，m/s；

k─多孔介質的滲透率，m2；

C2─慣性損失系數。

3）能量守恒定律

h─當前溫度下的焓，J/kg。

K方程（湍流脈動動能方程[6]）

e方程（湍流動能耗散方程）

其中：Gb─浮力引起的湍動能的產生項；

GK─平均速度梯度引起的湍動能的產生項；

YM─可壓縮湍流中脈動擴張貢獻，模型中C1e=1.44，C3e=1;

Cm=0.09為經驗常數。

2 數值模擬及結果分析

以某埋地管道為例，土壤物性為孔隙度0.267，密度1 680 kg/m，比熱2 150，導熱系數1.75。假設管徑0.61 m，管長5 000 m，上游起點壓力3.5 MPa，下游終點壓力3.35 MPa，外界環境平均溫度16 ℃，天然氣初始溫度和大氣溫度相同，硫化氫含量為20 mg/L，天然氣年均輸送量20×108 m3，泄漏口直徑0.01m。模擬泄漏發生在該管道中央，區域為100 m×100 m。本文研究埋地長輸天然氣管道泄漏擴散，是基于管道穿孔后，立即截斷兩端氣源，并且在10 s后管內氣壓與外界大氣壓平衡的非穩定泄漏過程。

2.1 數值模擬及結果分析

2.2.1 無風情況

分別給出了埋地長輸天然氣管道在無風情況下穿孔非穩定泄漏過程中甲烷爆炸及硫化氫中毒濃度云圖見圖1-2。分析可知：當天然氣管道敷設于地下，在管道發生泄漏的初始階段，泄漏的天然氣會滲入到土壤中，同時作用在孔隙阻力和毛管壓力下，降低了氣體湍動能，基于土壤為多孔介質，泄露的天然氣會通過土壤空隙不斷快速的涌向地表，進入大氣后開始膨脹，且受地表張力作用，導致位于泄漏口周圍的地表在短時間內會聚集大量的高濃燃氣，泄漏初期由于管內外壓力梯度較大，導致地表燃氣不斷流動，加之空氣浮力的作用，使云團上升速度加快，在空中形成一個相對的高濃度區域。隨著天然氣不斷地泄漏，致使管內外壓力梯度下降較快，泄漏口處天然氣泄漏速度減慢，泄漏量增長緩慢，當管道內壓降低至外界環境壓力時，停止泄漏。由數值模擬數據得出，發生泄漏10 s后，管道內壓降至環境壓力，泄漏基本停止，泄漏到土壤多孔介質中的天然氣仍在緩慢擴散，但湍動能較小，在地表無風條件下，泄漏天然氣擴散速度較慢且高濃度集中，使爆炸和中毒濃度危險區主要在泄漏口周圍。

圖1 不同時刻大氣中硫化氫中毒濃度云圖Fig.1 Different time the atmospheric concentration of hydrogen sulfide poisoning in the cloud

圖2 不同時刻大氣中甲烷中毒濃度云圖Fig.2 Different time the atmospheric concentration of methane sulfide poisoning in the cloud

2.2.2 地表風速5 m/s情況

在埋地長輸天然氣管道上地表風速5m/s時，管道發生穿孔非穩定泄漏過程甲烷爆炸及硫化氫中毒濃度云圖分別見圖3和圖4。與圖1-2相結合分析可知：有風條件下甲烷和硫化氫的擴散規律差異較大，泄漏初期地表附近的高濃甲烷和硫化氫范圍大于無風情況，且受風向的影響，在下風向甲烷及硫化氫濃度較高并形成渦旋，渦旋逐漸擴大且上移，在脫離地表高濃區后會形成兩個獨立云團，泄漏發生25 s，爆炸及中毒極限危險區只在泄漏口附近，其它區域均為安全區且可以采取緊急救援措施。

圖3 不同時刻大氣中硫化氫中毒濃度云圖Fig.3 Different time the atmospheric concentration of hydrogen sulfide poisoning in the cloud

圖4 不同時刻大氣中甲烷中毒濃度云圖Fig.4 Different time the atmospheric concentration of methane sulfide poisoning in the cloud

3 結 論

（1）利用CFD軟件對高含硫埋地天然氣管道穿孔非穩定泄漏過程進行數值模擬，給出了爆炸極限及中毒范圍，計算結果符合擴散理論，驗證了所建立的泄漏模型是正確的。

（2）埋地天然氣管道穿孔非穩定泄漏過程中有風條件下甲烷和硫化氫的擴散規律差異較大，泄漏初期地表附近的高濃甲烷和硫化氫范圍大于無風情況，且受風向的影響，在下風向甲烷及硫化氫濃度較高并形成渦旋，渦旋逐漸擴大且上移，在脫離地表高濃區后會形成兩個獨立云團，泄漏發生 25s，爆炸及中毒極限危險區只在泄漏口附近，其它區域均為安全區且可以采取緊急救援措施。

（3）當埋地天然氣管道輸送多組分天然氣并發生穿孔泄漏后，如果考慮地形因素，在重力影響下，重組分天然氣會下沉進而出現分層現象；輸送高含硫天然氣發生穿孔泄漏后，高濃度硫化氫會集聚在低洼區域，形成中毒危險區。

［1］于洪喜，李振林，張建，等. 高含硫天然氣集輸管道泄漏擴散數值模擬[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2008，32（2）：119-122.

［2］唐保金，田貫三，張增剛，等. 埋地燃氣管道泄漏擴散模型[J]. 煤氣與熱力，2009，29（5）：1-5.

［3］李又綠，姚安林，李永杰. 燃氣管道泄漏擴散模型研究[J]. 天然氣工業，2004，24(8)：102-104.

［4］周波，張國樞. 有害物質泄漏擴散的數值模擬[J]. 工業安全與環保，2005，31（10）：42-44.

［5］陳云濤，陳保東，杜明俊，等. 埋地輸氣管道穿孔泄漏擴散濃度的數值模擬[J]. 石油工程建設，2010，36（4）：1-3.