埋地高压天然气集输管道泄漏对环境影响分析

张卫兵 李长庆 王新华 屈波

（1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司；2.中国石油天然气股份有限公司规划总院）

埋地管道具有受地形地物限制因素少、安全密封、不占地上空间、能较长期稳定运行等优点，因此，成为石油工业中最重要的油气集输手段之一。但是，随着管道运行时间的增长，以及不可避免地受运行磨损、环境腐蚀、自身缺陷、周边地理条件和气候变化等因素的影响，使埋地油气管道时刻面临着泄漏的风险［1］。

本文以油气田高压埋地天然气集输管道为研究对象，举例分析泄漏事故发生时的情景及对周边环境的影响。由于高压天然气集输管道内介质压力极高，当埋地高压管道发生泄漏时，天然气从泄漏口高速喷出，形成快速膨胀射流，瞬时高压气体膨胀会对周围环境产生破坏，甚至造成人员伤亡。鉴于研究危险可燃性气体泄漏扩散实验尚有较大难度，且费用高不易开展，因此，基于数值法开展相关研究是经济可行的［2-8］。本文采用计算流体软件 Fluent分析高压埋地天然气集输管道泄漏对周围环境的影响，从而为处理天然气集输管道的泄漏事故提供依据，并且，可以指导高压管道的设计方案和防护。

1 数值计算方法

1.1 问题描述及物理模型

当埋地高压集输管道的管壁破损后，高压气体瞬间泄漏，其分析计算模型见图1。

图1 天然气集输管道泄漏模型

图1中：H——管道埋深，m；1φ——高压管道直径，cm，本例中取32.5cm；2φ——泄漏口直径，cm；θ——泄漏口平面垂直方向与集输管道垂直方向的夹角，°。高压天然气通过泄漏口向外喷射，首先通过土壤层，然后逐渐扩散到周围环境中，表现为高压射流在空气中的高速膨胀。

分别模拟埋深2.0m、3.5m，泄漏口直径5cm、15cm，破口方向0°、45°，模拟区域范围为240m×300m时，高压集输管道天然气泄漏对周围环境的影响。由于天然气喷射特性主要与管内压力、温度及泄漏口尺寸有关，与集输管道的直径关系不大，因此，本文未考虑集输管道管径的影响。采用Fluent前处理软件Gambit建立物理模型，计算网格采用区域分块，全部六面体结构化网格，对冲击波聚集和参数变化剧烈区域进行了网格加密，既提高了计算域网格质量，同时，网格数目又可以大幅度减小。计算区域分为大气层和土壤层2部分。

1.2 控制方程

高压天然气从集输管中喷射出，是一种压力梯度大、速度高，并有冲击波，流动非常复杂的湍流流动。Fluent软件中的 Realizable k-ε模型，在求解平面射流、圆孔射流和高压力梯度、分离速度等条件下的涉及旋转、边界层的问题时，具有较高的精度［9］。因此，在模拟计算时，采用 Realizable k-ε湍流流动传输模型。数值模拟过程中采用的控制方程式为：

连续性方程：

动量方程：

Realizable k-ε湍流模型：

能量方程：

2 数值模拟的结果与分析

应用Fluent软件对高压集输管道泄漏进行模拟仿真。管道泄漏口采用压力入口边界条件，入口压力设为42.0MPa；环境外围采用压力出口边界条件，环境压力为0.1MPa；土壤层采用多孔介质模型，孔隙度为0.27，密度为2 000kg/m3，比热容为1 600J/（kg·K），导热系数为 1.412W/（m·K）［10，11］；环境风速为0，天然气和环境温度均为300K。天然气和周围空气设置为理想气体，由于集输管道天然气中甲烷含量高于90%，为简化模型，模拟中假设集输管道泄漏的为纯甲烷气体，同时，不考虑周围环境中水分的凝结放热［12，13］。得到不同埋深（H=2.0m、3.5m）、不同泄漏口直径（2φ=5cm、15cm）和不同泄漏角（θ=0°、45°）时，泄漏口周围环境流场的速度和环境温度分布情况。

2.1 泄漏角为0°时周围环境流场的速度分布

当泄漏角θ=0°，不同埋深和泄漏口大小时，周围环境流场的速度分布情况详见图2。

图2 周围环境流场的速度分布(θ=0°)

由图2可知，气流从泄漏口流出后向四周高速流动，流速高达420m/s，影响范围较大，水平方向可达约100m，高度方向可达约300m。速度呈对称分布，中心区域的速度最大，逐渐向两侧减小。随着泄漏口尺寸的增加、埋深的减少，高速气流的区域逐渐增大。在高度方向为 100～150m、水平方向大于100m的区域，大泄漏口（2φ=15cm）且小埋深（H=2.0m）时，气流速度高达 140m/s，而小泄漏口（2φ=5cm）且大埋深（H=3.5m）时，气流速度降至约40m/s。

2.2 泄漏角为0°时周围环境流场的温度分布

当θ=0°，不同埋深和泄漏口大小时，泄漏口周围环境的温度分布情况详见图3。

由图3可知，高速气流从泄漏口喷出后，在周围环境中膨胀，温度降低。随着泄漏口尺寸的增加、埋深的减少，低温区域的范围增大，最低温度降低至约200K，会对人员、设备和环境产生较大损害。在泄漏口上方约50m处形成一较高的温度区，随着高度的增加温度开始下降，且呈对称分布，中心区域温度较低，逐渐向两侧增加，在水平方向50m以后温度又升高至约300K。

图3 周围环境流场的温度分布(θ=0°)

2.3 泄漏角为45°时周围环境流场的速度变化

当θ=45°，不同埋深和泄漏口大小时，泄漏口周围环境的速度分布情况详见图4。速度图例与图2一致。

图4 周围环境流场的速度分布（θ=45°）

由图4可知，气流经泄漏口高速向外界流动，速度高达400m/s。由于泄漏口方向θ=45°，速度分布的对称性被破坏，在泄漏口方向出现高速区域，在泄漏口方向的两侧流速逐渐降低，且泄漏口方向的背侧速度降低较快。随着泄漏口尺寸的增加、埋深的减少，高速气流的区域逐渐增大。在高度方向100～150m、泄漏口的前侧水平方向大于120m的区域，大泄漏口（2φ=15cm）且小埋深（H=2.0m）时，气流速度高达120m/s，而小泄漏口（2φ=5cm）且大埋深（H=3.5m）时，气流速度降至约60m/s。

2.4 泄漏角为45°时周围环境流场的温度分布

当θ=45°，不同埋深和泄漏口大小时，泄漏口周围环境的温度分布情况详见图5。温度图例与图3一致。

图5 周围环境流场的温度分布（θ=45°）

由图5可知，高速气流的膨胀，可使周围环境温度降至约200K。由于泄漏口的方向θ=45°，温度分布的对称性被破坏，在泄漏口方向出现低温区域，随着泄漏口尺寸的增加、埋深的减少，低温区域的范围增大。在泄漏口方向的两侧温度逐渐升高，且泄漏口方向的前侧温度升高较快。在 100～150m的高度上，泄漏口方向背侧50m的水平方向上，温度升至290～300K；泄漏口方向前侧100m的水平方向上，温度升至290～300K。

2.5 模拟结果分析

在θ=0°且埋深H=3.5m的情况下，当水平距离大于150m时，气流速度可降至小于10m/s，环境温度约为 300K；对于θ=45°且埋深H=3.5m的情况，主要考虑泄漏口方向前侧的速度和温度情况，当水平距离大于 150m时，气流速度可降至小于40m/s，环境温度约为 300K。若继续增大埋深，在泄漏角θ=0°或θ=45°的条件下，当水平距离大于150m时，气流速度和环境温度均不会对人员和设备造成伤害。因此，当泄漏压力为42.0MPa时，安全距离设定为150m，安全埋深为大于3.5m。

分别模拟当天然气管道内压力为 30.0MPa和54.0MPa时，天然气泄漏对周围环境的影响。根据模拟结果，发现当管内天然气的压力不同时，引起周围环境中速度场和温度场的变化非常相似，并且，随着天然气泄漏压力的升高，高速流在水平和高度方向的影响范围扩大，速度的波动范围增加，低温区域也呈现扩大的趋势，即，随着泄漏压力的增大，对周围环境的影响增大，危险区域的范围扩大。因此，为了防止灾害的发生，随着管内压力的增加，应该增大集输管道的埋深，并适当地增大安全距离。根据模拟计算结果，得到不同压力下的安全距离和安全埋深，具体见表1。

表1 不同压力下的安全距离和安全埋深

3 结论及建议

由于高压集输管道内气体压力极高，当发生泄漏时，在泄漏口附近较大范围内（水平及高度方向），存在高流速和低温区，对附近人员、设备财产会产生巨大影响。

通过分析不同管道埋深、不同泄漏口尺寸、不同泄漏口方向和不同泄漏压力情况下，发生泄漏后温度和速度分布情况可知，在水平和高度方向100m范围内，天然气泄漏会产生较大影响，而且，管道埋深越浅、泄漏口尺寸越大、泄漏压力越大，影响越大。因此，建议在设计及施工铺设高压集输管道时，应考虑发生泄漏时对周围环境的影响，适当增大管道埋深及安全距离。

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