埋地高含硫天然气管道泄漏扩散数值研究

付吉强 ，熊新强，李延宗，魏春日，王庆芸

（1. 中国石油工程设计有限责任公司华北分公司, 河北 任丘 062552； 2. 中国石化炼油销售有限公司, 上海 200000）

埋地长输天然气管道常用材质为X或L系列的直缝或螺旋焊钢制管材，尽管在铺设施工过程中会采用减缓或防止管道被侵蚀和变质的措施，但由于复杂的土壤环境以及输送介质的腐蚀性，会改变管道结构，减少管道的使用年限，甚至发生管道穿孔泄漏，更严重会引发管道大面积的开裂泄漏、爆管、系统停输等重大事故。

在天然气藏中，硫化氢含量超过 5%时被称为高含硫天然气，输送高含硫天然气埋地管道在发生穿孔泄漏甚至开裂时，不仅会形成燃烧爆炸危险区遇明火燃烧或爆炸，还会形成高浓度中毒危险区威胁人的生命，引起重大人员伤亡及财产损失，故研究输送高含硫天然气埋地管道泄漏扩散数值模拟对实际工程具有很大的价值[1-4]。本文系统研究了埋地高含硫输气管道穿孔泄漏过程，基于组分传输理论建立了气体在土壤多孔介质内扩散的控制方程，并分析了有风条件下对埋地管道泄漏后天然气扩散规律的影响，计算结果可为进一步研究危险气体扩散机理提供一定的理论基础。

1 埋地长输天然气管道非稳定泄漏数学模型

长输天然气管道泄漏埋地与架空情况下不同，土壤属于多孔介质，管道埋在土壤下泄漏后，天然气会渗入到多孔介质中，同时作用在孔隙阻力和毛管压力下，降低了气体湍动能，所以天然气在土壤表面以下进入大气的过程表现为扩散过程[5]。

1.1 土壤多孔介质内扩气体非稳定扩散控制方程

1）组分输运守恒方程

式中：iY─介质的质量分数；r─密度kg/m3；u ─速度矢量，m/s；Dim─为混合物中介质的扩散系数。

2）动量守恒方程

式中：μ─流体动力粘度，Pa•s；

p─流体微元压力，Pa；

u，v─速度u在x，y方向的分量，m/s；

k─多孔介质的渗透率，m2；

C2─惯性损失系数。

3）能量守恒定律

h─当前温度下的焓，J/kg。

K方程（湍流脉动动能方程[6]）

e方程（湍流动能耗散方程）

其中：Gb─浮力引起的湍动能的产生项；

GK─平均速度梯度引起的湍动能的产生项；

YM─可压缩湍流中脉动扩张贡献，模型中C1e=1.44，C3e=1;

Cm=0.09为经验常数。

2 数值模拟及结果分析

以某埋地管道为例，土壤物性为孔隙度0.267，密度1 680 kg/m，比热2 150，导热系数1.75。假设管径0.61 m，管长5 000 m，上游起点压力3.5 MPa，下游终点压力3.35 MPa，外界环境平均温度16 ℃，天然气初始温度和大气温度相同，硫化氢含量为20 mg/L，天然气年均输送量20×108 m3，泄漏口直径0.01m。模拟泄漏发生在该管道中央，区域为100 m×100 m。本文研究埋地长输天然气管道泄漏扩散，是基于管道穿孔后，立即截断两端气源，并且在10 s后管内气压与外界大气压平衡的非稳定泄漏过程。

2.1 数值模拟及结果分析

2.2.1 无风情况

分别给出了埋地长输天然气管道在无风情况下穿孔非稳定泄漏过程中甲烷爆炸及硫化氢中毒浓度云图见图1-2。分析可知：当天然气管道敷设于地下，在管道发生泄漏的初始阶段，泄漏的天然气会渗入到土壤中，同时作用在孔隙阻力和毛管压力下，降低了气体湍动能，基于土壤为多孔介质，泄露的天然气会通过土壤空隙不断快速的涌向地表，进入大气后开始膨胀，且受地表张力作用，导致位于泄漏口周围的地表在短时间内会聚集大量的高浓燃气，泄漏初期由于管内外压力梯度较大，导致地表燃气不断流动，加之空气浮力的作用，使云团上升速度加快，在空中形成一个相对的高浓度区域。随着天然气不断地泄漏，致使管内外压力梯度下降较快，泄漏口处天然气泄漏速度减慢，泄漏量增长缓慢，当管道内压降低至外界环境压力时，停止泄漏。由数值模拟数据得出，发生泄漏10 s后，管道内压降至环境压力，泄漏基本停止，泄漏到土壤多孔介质中的天然气仍在缓慢扩散，但湍动能较小，在地表无风条件下，泄漏天然气扩散速度较慢且高浓度集中，使爆炸和中毒浓度危险区主要在泄漏口周围。

图1 不同时刻大气中硫化氢中毒浓度云图Fig.1 Different time the atmospheric concentration of hydrogen sulfide poisoning in the cloud

图2 不同时刻大气中甲烷中毒浓度云图Fig.2 Different time the atmospheric concentration of methane sulfide poisoning in the cloud

2.2.2 地表风速5 m/s情况

在埋地长输天然气管道上地表风速5m/s时，管道发生穿孔非稳定泄漏过程甲烷爆炸及硫化氢中毒浓度云图分别见图3和图4。与图1-2相结合分析可知：有风条件下甲烷和硫化氢的扩散规律差异较大，泄漏初期地表附近的高浓甲烷和硫化氢范围大于无风情况，且受风向的影响，在下风向甲烷及硫化氢浓度较高并形成涡旋，涡旋逐渐扩大且上移，在脱离地表高浓区后会形成两个独立云团，泄漏发生25 s，爆炸及中毒极限危险区只在泄漏口附近，其它区域均为安全区且可以采取紧急救援措施。

图3 不同时刻大气中硫化氢中毒浓度云图Fig.3 Different time the atmospheric concentration of hydrogen sulfide poisoning in the cloud

图4 不同时刻大气中甲烷中毒浓度云图Fig.4 Different time the atmospheric concentration of methane sulfide poisoning in the cloud

3 结 论

（1）利用CFD软件对高含硫埋地天然气管道穿孔非稳定泄漏过程进行数值模拟，给出了爆炸极限及中毒范围，计算结果符合扩散理论，验证了所建立的泄漏模型是正确的。

（2）埋地天然气管道穿孔非稳定泄漏过程中有风条件下甲烷和硫化氢的扩散规律差异较大，泄漏初期地表附近的高浓甲烷和硫化氢范围大于无风情况，且受风向的影响，在下风向甲烷及硫化氢浓度较高并形成涡旋，涡旋逐渐扩大且上移，在脱离地表高浓区后会形成两个独立云团，泄漏发生 25s，爆炸及中毒极限危险区只在泄漏口附近，其它区域均为安全区且可以采取紧急救援措施。

（3）当埋地天然气管道输送多组分天然气并发生穿孔泄漏后，如果考虑地形因素，在重力影响下，重组分天然气会下沉进而出现分层现象；输送高含硫天然气发生穿孔泄漏后，高浓度硫化氢会集聚在低洼区域，形成中毒危险区。

［1］于洪喜，李振林，张建，等. 高含硫天然气集输管道泄漏扩散数值模拟[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2008，32（2）：119-122.

［2］唐保金，田贯三，张增刚，等. 埋地燃气管道泄漏扩散模型[J]. 煤气与热力，2009，29（5）：1-5.

［3］李又绿，姚安林，李永杰. 燃气管道泄漏扩散模型研究[J]. 天然气工业，2004，24(8)：102-104.

［4］周波，张国枢. 有害物质泄漏扩散的数值模拟[J]. 工业安全与环保，2005，31（10）：42-44.

［5］陈云涛，陈保东，杜明俊，等. 埋地输气管道穿孔泄漏扩散浓度的数值模拟[J]. 石油工程建设，2010，36（4）：1-3.