建筑群外埋地燃氣管道泄漏的風險性評估

趙峰

摘要：筑群外埋地燃氣管道存在著一定的泄漏風險，可以使用Gambit2.4建立三維模型，使用CFD軟件Fluent14.0對不同溫度和濕度下的燃氣連續泄漏擴散情況進行了模擬，并對比了不同溫度和濕度下的燃氣擴散的影響、濃度和規律。結果顯示，泄漏出的燃氣會在土壤中快速擴散，使地表上方的濃度值達到了爆炸下限和上限。透出地表的燃氣在建筑物之間由迎風側和背風側形成兩個不同濃度的擴散區。而且建筑物表面的預警濃度的高度也會受溫度和濕度的影響。根據這些結果可以評估建筑群外賣地燃氣管道泄漏的風險，以此為依據對群眾進行疏散。

關鍵詞：筑群；燃氣管道；泄漏；風險評估

燃氣是居民重要的生產和生活能源。管道是燃氣的運輸工具，一般深埋于人口密集的建筑群下。受多種外界因素的影響，燃氣管道會發生泄漏事故，不僅會造成一定的經濟損失，甚至會危機群眾的生命。因此，要嚴密檢測燃氣泄漏的濃度，掌握其擴散的規律及相應的風險規避措施。國外有關燃氣泄漏擴散的研究以數值模擬為主，例如Steven R建立了CFD模型，進行了仿真模擬。研究表明，燃氣會在泄漏口形成氣體云，而且會在風速的影響下發生水平方向上的擴散，而且受地形和建筑物的影響，燃氣的濃度會升高。張甫仁對地表外部天然氣的連續泄漏擴散進行了模擬，隨不同溫度和濕度作用下的濃度分布進行了探究，結果表明濕度的增加會抑制濃度的擴散。

當前的多數研究集中于泄漏口在大氣中的情況，但忽視了溫度、濕度和土壤對擴散的影響，對發生泄漏時的實際情況沒有做出真正地表現。本文對埋地管道泄漏的各種影響因素進行了考慮，建立了物理模型，使燃氣管道泄漏的影響因素更加貼近實際，期望能夠為燃氣管道的泄漏事故的排查、突發事件的應急等提供理論依據。

一、物理模型的建立

1.物理模型的假設

燃氣管道的泄漏較為復雜，本研究對其進行了簡化，進行了一些假設：燃氣管道泄漏為單孔泄漏，為小孔模型；連續泄漏，保持速率不變；燃氣在空氣中和其他氣體成分不會發生化學反應；空氣中的水蒸氣與燃氣的動量交換忽略不計。

2.物理模型的建立

本研究建立了包含建筑群的埋地燃氣管道的空間模型，實際空間尺寸為30X30X30m的立方體區域，內部有8棟樓房，其中六棟的此存都為6x3x16.8m，中間兩棟為8x4x14m。泄漏口在邊側建筑和中間，與建筑物外延的水平距離為3m，泄漏口距地面1.3m。

3.有關參數設置

管道中的燃氣主要由甲烷、丙烷和丁烷等組成，本研究以甲烷作為燃氣的主要成分進行研究，設其體積分數為98.6%，管道為A類輸氣管道，運輸壓力為0.25MPa，溫度為20℃。甲烷的爆炸限為5%～15%，預警的下限為1%，本研究設定三個臨界值進行風險評估。

4.邊界條件設置

經計算，管道孔直徑為50.8mm，泄漏速率為368.65m/s。設左避面是風速入口，《蒲福氏風級表》顯示距地面高度為10m的風度為3m/s，隨高度的升高，風速也會發生變化，大氣壓力也會發生變化。土壤層四周為壓力出口，其密度為1530kg/m3，導熱系數為1.51w/（m，k），土壤平均顆粒的直徑為0.5mm。建筑群和土壤層下表面都應考慮在內，在非一般泄漏中，時間步長為1s，為了提高研究的準確性，將各參數的精度精確到0.001.

二、計算和結果

1.燃氣在土壤層中的擴散

地下燃氣管道發生泄漏后，在土壤的阻礙下，氣體的動能會受到較大的損失，不能夠沖破泄漏口上方的土壤。因此，燃氣會在土壤層中擴散，在逐漸上升到地面后才會向空氣擴散，土壤層中燃氣爆炸下限為5%，上限為15%，通過對比泄漏時間來對比燃氣在土壤層的擴散情況，以泄漏10s、20s、30s和60s為例，我們能夠發現，隨著泄漏時間得到持續增加，燃氣的在土壤層中的擴散范圍會逐漸擴大，其可能危險區域也在逐漸增加。當泄漏時間為10s時，泄漏口上方地表的燃氣濃度已經達到了5%，但還距15%還有一定的差距。與此同時，燃氣會在建筑物下方發生環繞，濃度逐漸升高。當泄漏時間為20s時，地表燃氣濃度達到了15%，有的甚至超過了15%，但此時建筑物下方土壤層中的燃氣濃度逐漸降低，達到爆炸下限的區域也逐漸縮小。從30s到60s，泄漏口處附近的危險區域逐漸增大，地表燃氣濃度也隨時間的延續而提高。

2.燃氣在大氣中的擴散

透過地面后的燃氣受風力的影響會進入大氣中開始擴散，其濃度會比土壤層中的燃氣濃度大為降低，其密度小于空氣的密度，而且會受溫度和濕度的影響，擴散后的濃度也會不同。因此，可選取1%作為風險評估的臨界值，選取夏季潮濕環境和秋季干燥環境兩種情況，在發生泄漏的120s后開展檢測，研究建筑群表面燃氣濃度的大小。

在夏季潮濕環境中，距離泄漏口較近的建筑物的燃氣濃度會隨著泄漏時間的持續，燃氣濃度會隨著高度的升高發生明顯的變化。對其他建筑物而言，也有一定的變化，但距泄漏口較遠，預警濃度的高度為0.9m，而且在50s后會被吹散。對于泄漏口處建筑物的背風側，浮生力是提高預警濃度的主要動力。在泄漏60s內燃氣會向高空擴散，在到達12.6m后變化逐漸穩定。距泄漏口較遠的建筑受風力的持續影響，尚未達到預警濃度值。在迎風側的建筑表面的預警濃度也會在20s內迅速上升，在風力和浮力的聯合作用下，預警濃度的高度為3.5m。

在秋季干燥的環境中，隨著時間的推進，燃氣的預警濃度也會發生一定的變化，但距泄漏口距離的不同，數值也會發生一定的變化。對背風側的建筑來說，在40s內受浮力作用的影響，燃氣濃度逐漸升高，在6.8m后逐漸穩定，但有建筑會在風力的持續作用下，不會達到預警值。迎風側的建筑在180s內的預警濃度會保持在3s左右。有的建筑雖然在迎風側，但距泄漏口較遠，隨著泄漏時間的推進，其表面的預警濃度會在5m后小時。

對比兩個季節環境的不同，我們發現，濕度降低30%后，距泄漏口較近的建筑預警濃度的高度下降了6m左右。處在背風側的建筑燃氣濃度已達不到預警值。迎風側的建筑在達到預警濃度所的穩定高度需要很短的時間。研究發現，濕度的增加，燃氣的粘度也會增加，而且其粘度不容易被稀釋。另外，濕度也會降低擴散速率，容易發生累計，進而危險性也隨之提高。隨著濕度的降低，燃氣的粘度也降低，受風速的影響，集聚在建筑物表面的燃氣被風吹散，燃氣迅速擴散，危險性較小。當溫度升高后，燃氣分子運動加劇，氣體擴散速度加快，同時也提高了熱浮生力的作用。

結語

本文使用了CFD軟件分析了溫度、濕度對燃氣在土壤和大氣中泄漏情況進行了模擬，研究結果如下：

第一，外埋地燃氣管道發生泄漏后燃氣首先在土壤層中擴散，并在附近的建筑物的地基處繞流形成高濃度區域，會在短時間內達到爆炸下限。隨著泄漏時間的推進，燃氣逐漸停止繞流，濃度下降，在泄漏口上方至地表的濃度呈階梯狀，會在地表上方的中心區域形成爆炸上限。

第二，燃氣進入地表后，在浮力的作用下會向高空擴散，風速會稀釋燃氣。隨著時間的推移，泄漏口上方地表出的燃氣會被吹散，向四周的建筑群擴散，當遇到兩側的建筑物時，迎風側和背風側的濃度也會不同，迎風側的濃度低，背風側的濃度高。

第三，燃氣在空氣中的影響因素主要包括溫度和濕度。濕度的升高會使燃氣的濃度提高，不利于其擴散，容易發生集聚。溫度的降低會使粘度也降低，風速對擴散得到影響明顯，集聚在建筑表面的燃氣會被風吹散。隨著溫度的升高，燃氣的分子運動加劇，熱浮生力也隨之提高。

以上結論期望能夠對建筑群外埋地燃氣管道泄漏的風險性評估提供一定的參考，有效做好風險應對工作，保障人民群眾的生命和財產安全。

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