長距離輸氣管道泄漏擴散研究進展

劉鍇，李又綠，余東亮，蔣毅，吳東容，徐濤龍，李永杰，蔣宏業

1.國家管網集團西南管道有限責任公司；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院

0 引言

近年來，隨著城鎮天然氣普及，國內天然氣需求量持續增長。由于管道運輸的獨特優勢，中國天然氣運輸99%是通過管道進行。但受自然災害、第三方破壞、管道疲勞等因素影響，輸氣管道氣體泄漏擴散事故時有發生。長距離天然氣輸送管道發生泄漏將會造成巨大的經濟損失，更嚴重的是天然氣泄漏可能引發爆炸事故，對附近的人員存在極大的安全威脅。因此，對長距離天然氣輸送管道泄漏擴散規律進行研究有重大的科研價值和實際意義。

國內外學者對埋地、地面及水下的天然氣管道泄漏擴散進行了大量的研究工作［1-4］。從早期的大型泄漏擴散實驗到近年來的泄漏擴散仿真模擬分析，提出了一些經典理論計算模型，主要通過計算流體力學軟件研究了不同因素影響下天然氣的泄漏和擴散特性，針對不同環境工況提出不同應急處理措施，取得了較多的研究成果。在數據庫CNKI、EV Compendex、ScienceDirect、OnePetro 中，對“天然氣泄漏”“輸氣管道泄漏”“氣體泄漏擴散”“氣體擴散模型”等關鍵詞進行檢索，得到大量關于天然氣泄漏擴散方面的研究成果。早期主要從實驗和理論方面開展天然氣泄漏擴散模型的研究，近年來隨著深度學習方法及計算機應用數學的發展，數值模擬逐漸成為天然氣泄漏擴散的主要研究手段之一。

相較于實驗研究和理論計算，利用計算機軟件能夠更好地模擬大規模管道的泄漏情況，具有低成本、計算快和完整數據支持等特點。數值模擬軟件中，FLUENT 功能較全，包含多種數學模型和物理分析方法［5-18］，在天然氣泄漏擴散領域應用較廣。目前對管道的泄漏擴散數值模擬研究［19-31］主要集中在埋地、地面和水下3 種敷設工況，涵蓋泄漏參數、土壤特性、風速、大氣環境、地形、障礙物、熱載荷、基坑填筑、建筑物等多種因素對輸氣管道泄漏擴散的影響。

通過文獻調研，重點針對地面管道泄漏擴散和埋地管道泄漏擴散，總結國內外在理論計算、實驗及數值模擬等方面的研究成果，提出有待進一步研究的關鍵技術問題，為今后在該領域的進一步深入研究提供參考。

1 地面輸氣管道泄漏擴散研究

1.1 不同參數對泄漏氣體傳播規律影響

針對泄漏氣體的傳播規律，已有研究基本從泄漏速率、擴散范圍和失效后果3 個方面開展不同參數的影響分析，以此形成了天然氣管道泄漏分析的一般過程，如圖1所示。

圖1 天然氣管道泄漏分析過程

國外早在二十世紀七八十年代便開展了天然氣管道泄漏擴散計算模型研究，提出了高斯煙團和煙羽模型［32］、BM 模型［33］、Sutton 模型［34］、FEM3 模型［35］、箱模型［36］、淺層模型［37］、板塊模型［38］等，每種模型都具有一定的局限性。其中，高斯模型和Sutton 模型應用較為廣泛，二者適用于相同壓力且相對速度較低的兩種氣體的擴散過程，但均未考慮天然氣管道泄漏所特有的初始噴射和重力作用對擴散的影響。表1 對比了常見氣體泄漏擴散模型的優缺點。需要指出的是，表1 中的泄漏擴散模型僅適用于氣體的地面泄漏，而針對埋地管道地下泄漏過程的研究及相應描述，目前尚未有較合理的理論模型能夠快速解決實際工程問題。

表1 不同氣體泄漏擴散模型特點［39］

1.2 研究地面管道泄漏擴散規律的方法

1.2.1 理論研究

國內外學者針對天然氣管道泄漏模型進行了一系列研究。Cremers［40］提出了管道泄漏模型與小孔泄漏模型的概念。Montiel 等［41］在此基礎上提出了大孔泄漏模型的概念，并認為孔口泄漏狀態根據管內壓力和環境壓力的比值可以分為臨界流和非臨界流兩種狀態?；舸河碌龋?2］認為當管道較長、壓力差較大時，氣體在出口處的流速可以接近聲速達到臨界流。王大慶等［43］在已有研究基礎上推導得到了氣體泄漏的亞臨界流與臨界流的方程，同時確定了不同泄漏孔徑的泄漏強度。黃小美等［44］和馮文興等［45］在已有模型的推導原理之上，確定了適用于所有泄漏孔徑的泄漏量計算模型。

隨著模型計算的不斷發展，Moloudi 等［46］將泄漏管道分為穿孔和全斷裂兩類模型，引入一維瞬態可壓縮氣體管道破裂流動的無量綱方程，結合歐拉方程，推導出了一種計算氣體釋放速率和釋放質量的新方法，發現了相對壓力、相對孔徑和摩擦力對氣體釋放速率的影響較大。而實際工程中，實際泄漏口面積不易獲取，吳起等［47］針對此情況對天然氣小孔泄漏速率的經驗公式進行了改進，從而以實際泄漏事故中最容易獲得的參數進行泄漏速計算。

國內外學者普遍認可歐洲輸氣管道事故數據組織的建議，將泄漏孔徑d≤20 mm 的管道泄漏定義為小孔泄漏，滿足d=D的泄漏定義為斷裂泄漏，泄漏孔徑在上述兩者之間的定義為大孔泄漏。在已建立的基礎模型之上，學者們又對模型進行了修正。李又綠等［48］提出管道泄漏時需要考慮射流、膨脹，擴散時需要考慮重力、風速，同時考慮可建立更加符合實際的天然氣管道泄漏擴散模型。張文艷等［49］提出了泄漏氣體在風速作用下偏移量的計算公式，并建立了三維空間內位移量計算模型。朱彥凝等［50］對高斯煙團、煙羽模型進行了修正，討論了不同泄漏速度、泄漏流量和泄漏濃度對擴散區域的影響。秦政先［51］在前人研究基礎上把實驗和理論相結合，提出了氣體擴散的半經驗半理論計算公式。這些理論修正模型的提出，消除了不穩定影響因素的影響，使泄漏模型在實際應用中更加可靠。

1.2.2 實驗研究

實驗研究方面，學者根據相似原理搭建氣體管道泄漏系統提出氣體擴散模型，驗證有關公式的正確性和適用性。但目前來說，由于實驗實現難度系數大、因素眾多難以控制的問題，大多數學者設計的實驗是研究單一因素對泄漏速率的影響，且各學者的研究相對獨立，通過實驗所得泄漏量計算模型一般只針對特定情形有效，不具備普適性。

Botros 等［52］建立了由不銹鋼膨脹管組成的試驗臺，測量高壓管道破裂后混合氣體的流動參數和減壓波速，并捕獲壓力溫度變化曲線。發現此方法適用于預測有擴展裂紋的管道的減壓波速。張瓊雅［53］為了檢驗數值模擬的合理性，利用相似性原理開展了天然氣管道泄漏孔徑尺寸與氣體泄漏速度關系的實驗測量，并利用流量計、煙氣分析儀等設備記錄泄漏量及泄漏天然氣濃度。付建民等［54］通過實驗研究，發現泄漏氣體在孔口截面中心處的流速最大，矩形方孔比等面積的圓孔的泄漏速率大，管道的裂紋方向不太影響泄漏速率，矩形孔口比其他形狀孔口容易發生臨界流。Palocz 等［55］通過實驗研究，提出了一個涉及地下氣體擴散的輸氣管道泄漏擴散的模型。

實驗研究不僅可以作為理論研究的基礎，還可以為數值模擬計算提供驗證基礎。

1.2.3 數值模擬研究

CFD（計算流體力學）模擬被應用于氣體擴散過程的研究。黃雪馳等［56］通過CFD 模擬，將地面輸氣管道泄漏模擬分為2 步，先是環境風場的穩態模擬，后是管道泄漏擴散的瞬態模擬。管道氣體的泄漏速率不同一般是由管道自身參數變化引起的，相關學者分別從管道泄漏孔形狀、泄漏口大小和泄漏壓力等參數變化分析天然氣的泄漏特征，詳細內容如表2所示。

表2 不同的管道參數對泄漏影響的研究

管道泄漏氣體的擴散形式和擴散范圍往往受到外界環境因素制約，較多學者從環境濕度和溫度、風場風速、障礙物、地形、熱載荷等方面分析天然氣泄漏后的擴散特征，詳細內容如表3所示。

表3 不同的外界因素對擴散影響的研究

1.3 地面管道研究進展

地面長輸管道泄漏擴散的理論模型已經十分成熟，大量的數值模擬都是基于相關理論模型開展的。但由于外部環境條件的復雜性，使得理論模型的準確性和普適性有所欠缺。想要獲得更加精確的結果必須結合實際工況對模型進行修正。通過實驗開展，對現有理論模型展開修正，得到更加符合工程實際的泄漏擴散模型，從而指導數值模擬過程。多年來，針對各影響因素展開大量的研究，得到的基本判斷是：（1）相對于溫度和大氣濕度，風速對天然氣泄漏擴散影響最大。環境風速越大，天然氣擴散距離越遠，危險爆炸范圍增大后減??；（2）環境中空氣濕度增大，垂直方向上天然氣擴散速率降低，但水平方向天然氣擴散速率增大；（3）障礙物的存在使得天然氣擴散行為變得更加復雜，建筑物的阻擋作用使得天然氣沿建筑迎風面向上流動，天然氣擴散高度更高；（4）泄漏孔徑、泄漏壓力與天然氣泄漏量、天然氣擴散范圍呈正相關的關系；（5）天然氣管道泄漏孔形狀越接近于圓形，天然氣泄漏速度越大。

上述模擬研究基本將管輸介質假設為純甲烷，沒有考慮除甲烷外其余氣體組分。計算結果與真實情況存在偏差?，F場實驗得出的數據相較數值模擬和理論分析得出的數據更為準確。但已有的實驗研究缺乏部分外界因素耦合對氣體泄漏擴散的影響，外界影響因素主要包括大氣濕度、風向變化等。

2 埋地輸氣管道泄漏擴散研究

2.1 研究埋地管道泄漏擴散規律的方法

由于地下管道的泄漏受到土壤孔隙率和土壤自身的阻礙等作用，在建立氣體泄漏擴散計算模型時需要考慮土壤含水率、埋深等因素影響，從而使埋地管道的泄漏研究問題變得更為復雜。目前，針對埋地管道的泄漏研究，大部分學者仍假設在一種理想狀態下。

2.1.1 理論研究

唐保金等［81］假設土壤含水率為0，根據量綱分析求解了泄漏氣體在土壤中的一維擴散方程，基于埋地管道泄漏到土壤中的擴散原理，推導出適用于泄漏孔為圓形的泄漏量計算式。但尚未考慮沿水平方向上的泄漏擴散和泄漏過程中因流動遷移對擴散濃度的影響。張鵬等［82］建立了三維穩態擴散數學模型，并運用無量綱分析法求解，證實了菲克定律和達西定律都可用于描述土壤多孔介質中氣體的擴散過程。劉武等［83］、顏力等［84］基于流體力學方程、伯努利方程和絕熱方程，對管道破裂的非穩態泄漏量數學模型進行推導，得出管道泄漏量的計算公式和氣體泄漏過程的速度計算公式。周忠欣等［85］結合實驗數據對比了使用等溫模型和等熵模型計算泄漏量的不同，在基于三維菲克定律之上得到了埋地管道泄漏天然氣濃度分布規律。熊兆洪等［86］通過改進經驗公式，結合高速非達西滲流理論，參考實驗數據，得出了用于埋地的高速非達西滲流系數經驗公式和土壤變形壓力修正公式?；谝陨涎芯?，李雪潔等［87］在把達西定律引入模型過程中，考慮氣體壓縮特性的滲透速度，最終得到埋地管道泄漏地表流量計算公式，建立了既可以用于地表的又可以用于埋地的管道泄漏擴散模型。

綜上所述，大部分的理論研究均建立在一定的假設基礎之上，模型的準確性會受到假設條件和復雜的外部環境條件影響。雖然泄漏在多孔介質中運移理論模型豐富完善，但是需在土壤孔隙度、滲透率、土壤溫度等基本參數的基礎上，不斷引入更多新的影響運移擴散過程的變量，如土壤的非均質性、混合、吸附作用等，以期進一步完善泄漏在多孔介質中運移理論模型。在埋地管道泄漏滲流方面，還需要開展更深入的理論研究以適用于更為復雜的工況。

2.1.2 實驗研究

為了保證數值模擬和理論模型的準確性，一些重要參數往往需通過實驗方法獲取。對于泄漏氣體在土壤內部的擴散行為，Hideki 等［88］綜合考慮氣土組成、地面幾何邊界，通過全尺寸實驗對天然氣泄漏擴散進行了研究，得到地下氣體擴散范圍和濃度分布規律。Bonnaud 等［89］在執行管道安全評估過程中，開展了上百次小尺度不同參數條件的埋地管道泄漏實驗研究，指出了土壤中出現凍結對泄漏擴散的影響。孫立國等［90］、謝昱姝等［91］通過進一步研究，開展了中低壓埋地管道泄漏實驗，揭示了管道天然氣在土壤中的對流擴散基本特性，得到了其濃度場空間分布和變化規律，與Hideki 的結論一致，驗證了達西定律的準確性。全尺寸的實驗對于實驗變量的控制較為困難，更多的國內學者基于相似性原理和量綱分析設計縮小的實驗，能夠有效地降低成本和增加試驗工況。

夏軍寶等［92］做了9 種工況下中壓天然氣泄漏實驗。結果表明，天然氣擴散主要受泄漏口方向的影響，土壤中的天然氣濃度與泄漏時間的關系符合S 型曲線，泄漏管道埋得越深，泄漏出的天然氣在土壤中擴散的范圍越大。劉曉赫［93］進行了天然氣在圓管土壤柱中的滲流實驗和埋地管道泄漏天然氣在土壤中的擴散實驗，分析了土壤性質和滲流方向對滲流系數的影響；分析了泄漏流量、泄漏口開口方向、管道埋深、泄漏口對天然氣在土壤中的擴散規律和危害范圍的影響。夏軍寶等［92］在之前研究的基礎上，考慮中低壓環境土壤中的擴散，做了7種工況下低壓天然氣泄漏至密閉空腔的實驗。結果表明，如果空腔前有障礙物，天然氣濃度在空腔達到爆炸下限比無障礙物情況的時間延長，但比無障礙物情況處于爆炸極限范圍內的時間更長；泄漏點距離空腔越近，則泄漏量越大、越快達到爆炸極限。

綜上所述，學者開展實驗研究多涉及中低壓泄漏，對于較高壓力的天然氣泄漏實驗研究較少。高壓天然氣泄漏實驗研究不但需要大型壓力設備支撐，而且還存在更大的安全隱患，所以目前高壓天然氣管道泄漏擴散的研究大都通過數值模擬進行。

2.1.3 數值模擬研究

基于對埋地管道泄漏過程的數值模擬研究進行討論，管道泄漏過程滿足三大基本守恒方程、多組分輸運方程；土壤的物性參數影響氣體濃度分布，土壤視為多孔介質進行處理；甲烷泄漏質量流量需要應用流體動力學和工程熱力學理論分析計算。根據現有研究來看，對埋地管道氣體泄漏擴散的數值模擬研究主要集中在管道自身參數（泄漏孔徑、管道壓力、溫度、泄漏方向、泄漏位置）和土壤特性（種類、含水率、滲透性）等方面，研究方法從早期的二維模擬發展到三維模擬，使仿真結果進一步接近事實。

許多學者采用CFD 模擬方法模擬埋地輸氣管道泄漏擴散過程，埋地輸氣管道的多數研究針對地下泄漏擴散和地上擴散2 個過程，一般認為氣體是穩態流體。也有一些學者開始探索埋地到地面的擴散耦合模型，如葉巖等［94］建立CFD 模型，通過氣體的擴散通量來對土地和空氣進行耦合，比較其他模型，模擬條件下地上泄漏擴散的距離和泄漏擴散的高度均有較大區別。不同參數對埋地天然氣管道泄漏擴散影響的研究如表4所示。

表4 不同參數對地下泄漏擴散的影響的研究

2.2 埋地管道研究進展

目前管道泄漏的研究主要集中在泄漏擴散模型和影響因素的討論、管道泄漏的數值模擬和實驗研究，以及少量土壤與大氣耦合影響擴散的探討。大多數學者都利用CFD 方法對泄漏進行研究。但是由于地下管道的泄漏受到土壤孔隙率和土壤自身的阻礙等作用，建立氣體泄漏擴散計算模型變得更為復雜。實際工程中，管道泄漏工況及環境條件的復雜性使得模擬計算結果存在一定誤差，因此，需要開展大量的實驗對結果進行驗證。綜合上述埋地輸氣管道泄漏擴散研究，可以得出一些主要因素對天然氣泄漏擴散的影響規律。（1）隨著管道泄漏口增大，土壤中氣體的滲透深度增大、泄漏量增大，使得危險范圍增大，泄漏口大小和擴散范圍成正相關。（2）泄漏前期，位于管道正上方的泄漏口最危險；泄漏后期，位于管道正下方的泄漏口最危險。（3）地面存在障礙物會阻礙天然氣擴散，使得天然氣危險范圍增大。（4）氣體的擴散距離受泄漏量與土壤孔隙率影響，泄漏量越大、土壤孔隙率越大，氣體擴散距離越遠。（5）土壤含水率越大，氣體擴散速度越慢。

目前針對埋地輸氣管道泄漏擴散的研究，忽略了泄漏氣體沖擊作用導致的土壤物性參數改變。已有的研究建立的物理模型對于土壤和大氣耦合的計算模型研究較少，未來工作中需要進一步的關注、研究，便于更貼近工程實際。

3 結論

從實驗研究、理論計算及數值模擬3 個方面，介紹了埋地及地面的長距離輸氣管道泄漏擴散過程的相關研究成果。對不同管道泄漏擴散未來研究方向進行展望：

（1）埋地管道現有泄漏擴散模型的研究對土壤性質做了簡化處理，在土壤慣性阻力系數、筑土方式不同的情況下，橫向和縱向擴散都會產生極大值。未來工作中，可通過X 射線斷層掃描成像法構建真實土壤的多孔結構，使所得結果更貼近于工程實際。

（2）埋地管道泄漏氣體對土壤的沖擊形成的空腔區對氣體擴散的影響是未來工作中需要關注的問題，可以通過流固耦合的方法探究泄漏氣體甲烷造成的空腔區對甲烷擴散行為的影響。

（3）開展天然氣管道泄漏擴散數值模擬大多基于穩態泄漏條件的假設，管道泄漏過程是非穩態過程，未來數值模擬研究當中可考慮上層土壤重量對下層土壤的影響，并提出分層土壤每層都有不同的紋理、坡度、孔隙率及含水量，研究非穩態條件下管道泄漏的三維模型數值模擬。

（4）管道泄漏擴散的影響因素考慮不全面，模擬結果的準確性有待考證。忽略了環境溫度、濕度、氣象條件、土壤分層、多點泄漏疊加影響等多方面因素的共同影響，未來研究應盡可能充分考慮各因素的影響，探究出更符合實際的泄漏擴散規律。

（5）對長輸管道泄漏量計算，應重點關注解決瞬態管道射流、多泄漏位置對管道內流體流動狀態的影響等問題，從而得到對不同泄漏孔口位置、形狀及外部環境影響下的有效泄漏擴散模型。