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摘要：本文基于数值模拟计算对埋地管道天然气泄漏和空间扩散特性进行了研究。结果表明：泄露孔径ϕ≥30 mm，燃气压力P≥0.05 MPa时，地面存在危险区域;燃气泄漏速率在20 s内可以稳定，拟合公式为Qv = k·P0.9·ϕ1.5，燃气向地面的扩散速率符合类似规律;环境风速2m/s即可显著减少甚至消除地面危险区域，对于部分泄漏工况风速大于6m/s时可降低下游浅层土壤的燃气浓度;泄漏角度低于90°时，土壤层内的泄漏偏向区域的燃气浓度高于反方向，当泄漏角度降低至45°时地面燃气浓度显著降低。泄漏速率未受泄漏角度影响。

关键词：天然气，埋地管道，泄漏，扩散，数值模拟

1前言

天然气作为一种清洁、高效的化石燃料，在社会生产和生活中都得到了广泛应用。2020年，天然气占据了全球一次能源消费总量的24.7%[1]。近年来，我国天然气消费量持续上升，2020年消费量相当于41832万吨标准煤，同比增长6.9%，占据了能源消费总量的8.4%，同比增加0.4%[2， 3]。因此，我国天然气管道建设也进入了高速发展期，2020年新建天然气管道约4984公里，是2019年新建公里数的2倍以上[4， 5]。目前已初步完成“全国一张网”的建设目标。

天然气中甲烷占85%左右，在空气中的爆炸极限接近甲烷（5-15%），其泄漏会造成较大的生命和财产损失[6]。2020年，我国室内外燃气事故共发生548起，共造成147人死亡，670人受伤[7]。2021年，湖北十堰菜市场的天然气管道泄漏引发的爆炸导致26人死亡，138人受伤。此外，天然气泄漏还会对全球气候产生一定影响，其中甲烷的100年全球增温潜势是二氧化碳的25倍[8]。燃气管道泄露主要原因包括：①焊缝泄漏，如沙子未清理干净进入热熔焊缝等[9];②管道腐蚀，如电化学腐蚀、电偶腐蚀等[10];③施工破坏，如未按规范施工等;④维护不周，如巡线人员巡查不到位等[11]。

天然气管道泄漏过程中的气体扩散是事故分析的关键之一。计算流体力学（CFD）数值模拟计算较实验可以获得更为全面的数据分析，前人已针对埋地燃气管道泄漏展开了大量模拟研究。王向阳等[12]计算了燃气管道泄漏在土壤中的扩散特性，分析了燃气压力、土壤孔隙率和泄漏孔尺寸等的影响特性。常欢等[13]计算得出天然气在土壤中的扩散速度为粉质沙土>壤土>黏土。近年来，部分学者开始将大气与土壤耦合，相比单独模拟土壤更为接近真实情况。罗宗林等[14-16]计算得到了管道压力和土壤种类对泄漏的燃气在土壤和大气中的扩散特性。罗涛等[17]进行了类似的研究。张俊[18]进一步考虑了地面建筑对燃气泄漏扩散的影响。针对复杂的管道变量和参数以及外部环境变量和参数，前人研究数据仍显不足。

针对某项目工程，本文基于CFD数值模拟，研究了埋地管道泄漏导致的天然气在土壤层和空气层中的扩散特性，分析了管道压力、泄露孔径、泄露角度等内部条件以及环境风速等外部条件对气体稳态和非稳态扩散特性的影响。本文计算结果可以为天然气管道泄漏事故应急处理及其风险评估，乃至泄漏监测预警提供理论依据。

2数值模拟模型的建立

2.1模型假设和简化

将土壤简化为各向同性的多孔介质，并且在泄漏发生前充满空气，不考虑其中的水分。将泄漏孔简化为圆孔，位于土壤层底部，该底部简化为气体无法通过的壁面。将泄露孔在管道上的角度简化为土壤底部圆孔压力的角度。将天然气简化为甲烷。

2.2简化后的物理模型

对埋地管道泄露场景进行三维建模，物理模型如图1所示。计算区域包括大气侧和土壤侧，其中大气侧的体积为4 m长×4 m宽×4 m高，土壤侧的体积为4 m长×4 m宽×1.4 m高。天然气管道泄漏口位于土壤侧底部的入口，因此泄露口上部的土壤层高度为1.4 m。区域和边界条件及其参数如表1所示。

2.3 网格划分

由于物理模型的几何结构规则，适合使用六面体对其进行结构化网格划分。一方面相比非结构化网格可以减少网格数量，节约计算资源;另一方面可以提高收敛性。基于4种网格数量（71万、81万、93万、127万、146万）的模拟计算，认为网格数大于等于127万时，天然气质量分数平均相对误差低于5%，因此使用127万网格进行计算。

2.4湍流模型

选用RNGk-ε模型求解湍流，该模型比标准k-ε模型更适合管道泄漏时天然气在土壤层中的射流情况。

其中，Gk表示由于平均速度梯度产生的湍流动能;Gb为浮力产生的湍流动能;YM表示可压缩湍流中的脉动膨胀对总耗散率的贡献;αk和αε分别是k和ε的逆有效普朗特数，Sk和Sε是用户定义的源项。

3结果与讨论

3.1 压力与孔径对燃气泄漏和扩散的影响

0.4MPa燃气压力和不同孔径条件下泄漏燃气在土壤层、空气层和地面的浓度分布情况如图2所示。因为天然气的爆炸下限约为空气中5%浓度，所以选择0.05的甲烷体积分数作为图例的浓度下限，以表示危险区域。对于100 mm的大孔泄漏事故，甲烷浓度随着垂直距离向上的增加而增加，土壤中和地面上半径4m内的燃气浓度均超过爆炸极限。罗涛等[17]将燃气在地面的较高浓度堆积称为“液池现象”。对于10 mm的小孔泄露孔事故，土壤中存在危险区域，但是地面和空气中已无危险区域。对于5mm的小孔泄漏事故，土壤中的危险区域进一步缩小为围绕泄漏口的类球形区域。综合所有计算工况的燃气浓度分布得到，泄露孔径ϕ≤10 mm，燃气压力P≤0.4 MPa的泄漏情况下，地面无危险区域;泄露孔径ϕ≥30 mm，燃气压力P≥0.05 MPa的泄漏情况下，地面存在危险区域。夏宝军[19]等的试验研究同样表明，当管道埋深较深（0.6-0.9 m）时，燃气在土壤中水平方向扩散速度较大，大部分燃气在土壤内进行水平扩散，使得泄漏燃气在土壤中的影响范围增大，降低了空气中的燃气体积分数。这与图2中气体在土壤中的横向扩散情况优于向空气中的纵向扩散的结果一致。

0.4 MPa燃气在不同泄漏孔径中的泄漏速率随时间变化如图4所示。所有孔径均在1s内达到最大泄漏速率的90%以上，并且随后略降低，然后重新升至略高于初始泄漏速率的水平。对于孔径100 mm、50 mm、30 mm、10 mm、5 mm、2mm的不同工况，泄漏速率稳定（相对稳定工况的相对偏差小于1%）的时间分别为20s、13s、11s、1s、12s、10s。由此可见，燃气泄漏速率可以在短时间内达到最大值且基本保持稳定。

图5为稳态条件下不同燃气压力和泄露孔径对应的燃气泄漏速率及其拟合分析，截距为0条件下的线性相关系数如表2所示。对于不同孔径的泄漏情况，燃气泄漏速率（Qv，Nm3/s）与燃气压力（P，MPa）的0.9次方值的线性相关系数最大，即Qv与P0.9线性相关。对于不同压力的泄漏情况，燃气泄漏速率与孔径（ϕ，mm）的1.5次方值的线性相关系数最大，即Qv与ϕ1.5线性相关。由此，计算得到1.4 m土壤厚度下的燃气泄漏速率可通过下式获得，其中k取1×10-4。该种拟合方法对于泄露孔径30-100 mm的泄漏速率预测准确度高，但是对泄漏孔径2-10 mm的泄漏速率预测准确度较低，这是因为其泄漏速率小，绝对偏差量虽然小，但是相对偏差量较大。

计算结果表明，燃气从小孔泄漏出后，约40%在土壤中横向扩散，约60%穿过地面纵向扩散进入大气侧。采用与燃气泄漏速率相同的数据处理方法，分析了燃气向地面扩散速率（Q’v，Nm3/s）与燃气压力（P，MPa）以及泄漏孔径（ϕ，mm）的关系，结果如图6所示。对于不同孔径的情况，Q’v与P0.9线性相关;对于不同压力的情况，Q’v与ϕ1.5线性相关。由此，计算得到1.4 m土壤厚度下的燃气向地面的扩散速率可通过下式获得，其中k’取6×10-5。

3.2 环境风速对燃气泄漏和扩散的影响

图7表示了0.4 MPa燃气压力和100 mm泄漏孔径条件下，不同风速对泄漏燃气在土壤层、空气层和地面的浓度分布的影响。在2 m/s的低风速条件下，空气层和土壤层的燃气浓度均发生了显著的变化。地面上方的“液池”在风的作用下（风向由左向右），向下游移动。同时，上游地面无“液池”覆盖，土壤层的泄漏燃气更易受浓度差驱动，从上游扩散至空气中，而在下游土壤中产生堆积，导致土壤内下游区域的燃气浓度较上游更高[20]。相应的，地面的下游区域出现了较无风条件浓度更高的“液池”。然而，对于8 m/s的高风速条件，地面上方的液池基本被吹散，土壤层的泄漏燃气更易下游扩散至空气中，而在上游土壤中产生堆积。通过压力分析，主要原因是高风速导致下游地面处压力低，气体更易从下游地面扩散。高风速降低了整个地面的燃气浓度，甚至上游部分区域由危险区域变为安全区域。当风速从2m/s增加至4 m/s时（图省略），地面燃气浓度全面降低，但仍未危险区域;当风速进一步增加至10 m/s时（图省略），地面安全区域面积扩大。

图8为0.4 MPa燃气压力条件下不同环境风速和泄漏孔径对应的危险区域即气体爆炸下限（浓度5%）的轮廓线。环境风速2 m/s即可显著降低空气中的危险区域高度，尤其是上游区域。泄露孔径30 mm的情况下，8m/s及以上的风速不仅仅解除了地面的所有危险区域，而且降低了土壤层的危险区域高度。因此，环境风可以有效降低燃气泄漏的地上危险，但是地下仍然存在危险区域。由此认为，燃气泄漏报警如果仅布置在地面以上区域，而忽略土壤区域，则可能在风力大于4级风力的天气中无法针对泄漏进行报警。环境风速对泄漏速率基本无影响。

3.3泄漏角度对燃气泄漏和扩散的影响

对泄漏角度90°、60°、45°和30°的情况进行计算，结果表明孔径小于50mm的泄漏情况下，泄漏角度对燃气泄漏速率无影响。图9表示了泄漏孔径100 mm和燃气压力0.4 MPa条件下泄漏角度对燃气扩散的影响。60°的泄漏对地面及以上的甲烷浓度分布无显著影响，但是土壤层中泄漏方向的燃气浓度更高。夏军宝等[19]的埋管泄漏试验也表明泄漏口方向对泄漏燃气扩散的方向具有较大影响。当泄漏角度进一步降低至45°时，角度对地面燃气浓度分布产生了显著的影响。地面以上危险区域的高度显著降低，且地面的燃气浓度也显著降低，但是仍然高于爆炸下限，属于危险区域。此外，泄漏角度对燃气泄漏量基本无影响。

4 结论

本文结合燃气压力、泄漏孔径、环境风速、泄漏角度等因素对埋地管道天然气泄漏进行了稳态和非稳态CFD数值模拟计算，分析了天然气泄漏和扩散特性，结论如下：

（1）泄露孔径≤10 mm，燃气压力≤0.4 MPa时，地面无危险区域;泄露孔径≥30 mm，燃气压力≥0.05 MPa时，地面存在危险区域。燃气泄漏速率在20 s以内可以稳定，拟合公式为Qv = k·P0.9·ϕ1.5，其中k取1×10-4。约60%的燃气扩散至地面，其扩散速率与压力、孔径的关系与泄漏速率一致。

（2）环境风速2m/s即可显著减少甚至消除地面危险区域，而且风速大于6m/s时可以降低下游浅层土壤的燃气浓度，因此燃气泄漏传感器更适合布置在地下。

（3）泄漏孔径小于等于50 mm时，土壤阻力导致泄漏角度对泄漏流速无影响。泄露孔径100 mm、燃气压力0.4 MPa条件下，泄漏角度低于90°导致土壤层内的泄漏偏向区域的燃气浓度高于反方向，当泄漏角度降低至45°及以下时地面燃气浓度显著降低。泄漏速率未受泄漏角度影响。

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