劉 瑤， 榮廣新， 左 熠， 譚松玲， 孫永佳，李 偉， 趙 釗， 孫 恒， 左麗麗

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京100035；2.中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京102249；3.中國石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；4.中國石油大學(xué)(北京)城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249)

1 概述

燃?xì)夤艿览匣?、腐蝕、自然災(zāi)害等因素導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，從而引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，給城市設(shè)施及人民財(cái)產(chǎn)造成巨大的破壞，因此如何快速有效地對(duì)燃?xì)夤艿佬孤c(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)和精準(zhǔn)定位，對(duì)確保安全供氣、促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展具有重要意義[1-3]。

李勝國等[4]提出基于示蹤技術(shù)的燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ粰z測(cè)方法，并分析四氫噻吩、SF6、氫氣、氦氣等示蹤氣體在管道泄漏檢測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)，通過實(shí)踐驗(yàn)證示蹤氣體定位技術(shù)的有效性和準(zhǔn)確性。趙釗等[5]利用氫氣作為示蹤劑對(duì)城市埋地管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，驗(yàn)證示蹤劑(氫氣)在城市埋地管道泄漏檢測(cè)中的可行性和適用性。王耕宇[6]提出在燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)時(shí)，需考慮示蹤劑(丙烷和四氫噻吩)理化性質(zhì)特點(diǎn)以及管道內(nèi)壁、燃?xì)饫淠骸⒐艿乐車寥缹?duì)示蹤劑吸附性等影響。

多數(shù)示蹤劑在實(shí)際應(yīng)用中都存在不足，如四氫噻吩，對(duì)于埋地較深的燃?xì)夤艿?，由于土層的吸附作用，四氫噻吩泄漏擴(kuò)散不明顯，燃?xì)庑孤┎灰妆患皶r(shí)發(fā)現(xiàn)；氫氣受限于一些特殊的位置環(huán)境，如燃?xì)夤艿栏浇嬖诩託湔荆瑫?huì)對(duì)泄漏檢測(cè)產(chǎn)生干擾。本文采用氖氣作為示蹤劑，由于自然環(huán)境中不含氖氣，一旦檢測(cè)到環(huán)境中存在該氣體，即可判定管道泄漏。

針對(duì)目前埋地燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)和定位困難問題，本文在建立三維物理模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，分別對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖哪蕷饧幼⑦^程和泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行CFD模擬。通過分析模擬結(jié)果，研究得到不同氖氣加注方式下的氖氣分布規(guī)律及燃?xì)庑孤U(kuò)散規(guī)律，為埋地燃?xì)夤艿佬孤c(diǎn)探測(cè)定位提供理論指導(dǎo)。

2 模型建立

2.1 物理模型

本文建立2個(gè)物理模型，分別是氖氣作為示蹤劑的加注模型(簡(jiǎn)稱氖氣加注模型)和埋地燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散模型(簡(jiǎn)稱泄漏擴(kuò)散模型)。

① 氖氣加注模型

氖氣加注模型見圖1。管道均為鋼管，參數(shù)見表1。氖氣加注口距離天然氣入口0.5 m，加注口為圓筒形，高0.2 m，直徑為50 mm。距離管道末段末端0.2 m處有高0.08 m的管道，管道最上端為泄漏孔，泄漏孔為圓形，直徑5 mm。 進(jìn)氣段、中間段-1和中間段-2為地上部分。

圖1 氖氣加注模型

表1 氖氣加注模型管道參數(shù)

② 泄漏擴(kuò)散模型

泄漏擴(kuò)散模型見圖2。燃?xì)夤艿罏镈114.3×6.02的鋼管。管道上土壤從下到上分別為50 cm厚細(xì)砂、30 cm厚三合土、30 cm厚無機(jī)料、20 cm厚混凝土路面或草地，管道周圍和下層為黏土，其中下層黏土厚50 cm?？諝鈱雍?.5 m。泄漏孔位于管道中點(diǎn)的管頂，泄漏孔為圓形，直徑為50 mm，泄漏方向?yàn)樨Q直向上。由于對(duì)稱性，取1/2進(jìn)行模擬。

圖2 泄漏擴(kuò)散模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

埋地燃?xì)夤艿佬孤┖螅車寥赖膫髻|(zhì)問題需要滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程以及多孔介質(zhì)模型[7]。

2.3 初始條件和邊界條件

① 氣體、管道物性參數(shù)

氣體、管道物性參數(shù)見表2。

表2 氣體、管道物性參數(shù)

② 氖氣加注模型

模擬不考慮溫度變化，將環(huán)境、所有介質(zhì)、管道壁面溫度均設(shè)為300 K。環(huán)境壓力為0.1 MPa。管道初始時(shí)充滿天然氣，初始?jí)毫鶠?.15 MPa，后續(xù)過程中不再通入天然氣。設(shè)置加注口為質(zhì)量流量入口，氖氣加注質(zhì)量流量為0.001 kg/s，壓力為0.2 MPa。設(shè)置泄漏孔為壓力出口。

③ 泄漏擴(kuò)散模型

為簡(jiǎn)化模型，做以下假設(shè)：模擬不考慮溫度變化，將環(huán)境、所有介質(zhì)、管道壁面溫度均設(shè)為300 K。因?yàn)樾孤┝枯^小，所以假設(shè)泄漏過程中管內(nèi)條件穩(wěn)定不變。土壤作為一種多孔介質(zhì)，內(nèi)部疏松多孔[8]。假設(shè)土壤熱物性均勻，是連續(xù)性介質(zhì)[9]；將天然氣小孔泄漏過程看作等熵流動(dòng)過程[10]；在天然氣泄漏之前，土壤孔隙中的流體僅為空氣，設(shè)置天然氣為純甲烷，泄漏之前氖氣已加注均勻，管道內(nèi)氖氣與天然氣體積分?jǐn)?shù)各占50%，泄漏壓力為0.15 MPa。設(shè)置土壤為多孔介質(zhì)，不同土壤參數(shù)見表3。

表3 不同土壤參數(shù)

2.4 數(shù)值求解算法及網(wǎng)格劃分

在使用Fluent軟件進(jìn)行求解設(shè)置時(shí)，針對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型和邊界條件，采用有限體積法對(duì)其進(jìn)行離散求解。由于天然氣在土壤中的擴(kuò)散過程是瞬時(shí)非穩(wěn)態(tài)過程，故選擇PISO算法實(shí)現(xiàn)壓力速度的耦合進(jìn)行求解。為提高計(jì)算的收斂性，采用體積力分?jǐn)?shù)計(jì)算處理壓力插值，基于多重網(wǎng)格方法對(duì)代數(shù)方程組求解。

根據(jù)計(jì)算區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在物理模型基礎(chǔ)上，利用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)氖氣加注模型，以非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值離散，并對(duì)氖氣加注口和泄漏孔進(jìn)行網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格數(shù)為56 573。對(duì)泄漏擴(kuò)散模型，以結(jié)構(gòu)化的四邊形網(wǎng)格離散泄漏孔、土壤層和空氣層區(qū)域，并對(duì)泄漏孔進(jìn)行網(wǎng)格加密。在保證計(jì)算精度的前提下，適當(dāng)離散部分區(qū)域的網(wǎng)格密度，可以減少計(jì)算時(shí)間。因此對(duì)土壤和空氣所在的計(jì)算區(qū)域，在軸向和徑向以不同比例逐步增大網(wǎng)格尺寸。泄漏擴(kuò)散模型的總網(wǎng)格數(shù)為81 876。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)計(jì)算過程，嘗試以時(shí)間步長(zhǎng)0.5、1、2 s分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算過程均能保持穩(wěn)定，但收斂所需的迭代步數(shù)隨之增多，計(jì)算結(jié)果相差不大。因此，兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，以1 s步長(zhǎng)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。

3 結(jié)果分析

3.1 氖氣加注模擬分析

在對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行氖氣加注時(shí)，希望氖氣能夠在管道中均勻混合，因此分別采取連續(xù)加注、交替加注方式，以對(duì)比哪種方式可以使管道各段的氖氣分布更均勻。連續(xù)加注是連續(xù)加注氖氣720 s；交替加注是加注氖氣180 s、暫停60 s，這樣交替進(jìn)行4個(gè)周期，共960 s。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒方程等，計(jì)算得到2種加注方式全管段氖氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)理論計(jì)算值。模擬值與理論計(jì)算值對(duì)比見圖3。

圖3 2種加注方式全管段氖氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬值與理論計(jì)算值對(duì)比

從圖3可知，2種加注方式全管段氖氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬值與理論計(jì)算值吻合良好，證明氖氣加注數(shù)值模擬是收斂的，能夠達(dá)到計(jì)算精度要求。連續(xù)加注、交替加注方式加注結(jié)束時(shí)刻各段管道軸心豎直平面的氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖分別見圖4、5。

圖4 連續(xù)加注方式加注結(jié)束時(shí)刻各段管道軸心豎直平面的氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖(軟件截圖)

圖5 交替加注方式加注結(jié)束時(shí)刻各段管道軸心豎直平面的氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖(軟件截圖)

從圖4、5可以看出，相比于連續(xù)加注，交替加注的氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布比較均勻，未出現(xiàn)連續(xù)加注時(shí)加注口附近有大量氖氣堆積的情況；總體來看，從進(jìn)氣段到末段，氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布逐漸降低，末端幾乎為0。

3.2 泄漏擴(kuò)散模擬分析

泄漏擴(kuò)散模擬分為2種工況：有蓋層、無蓋層。有蓋層指土壤表面有混凝土、瀝青層等致密層，氣體不易擴(kuò)散到空氣中；無蓋層指土壤表面是草地或沙地等，氣體易擴(kuò)散到空氣中。模擬時(shí)，對(duì)于有蓋層工況，設(shè)置與空氣層接觸的土壤為混凝土路面；對(duì)于無蓋層工況，設(shè)置與空氣層接觸的土壤是草地。

泄漏從0時(shí)刻開始，泄漏不同時(shí)刻過管道中心豎直平面的氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖見圖6、7，對(duì)比了不同時(shí)刻有、無蓋層工況氖氣在土壤中的擴(kuò)散過程。

圖6 泄漏120 s、600 s、960 s時(shí)過管道中心豎直平面氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖(軟件截圖)

圖7 泄漏1 200 s、1 500 s、1 800 s時(shí)過管道中心豎直平面氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖(軟件截圖)

分析圖6、7可知，有蓋層時(shí)，受蓋層影響，泄漏氣體沿著管道軸向不斷擴(kuò)散，影響范圍不斷擴(kuò)大。無蓋層時(shí)，泄漏氣體可以向空氣層擴(kuò)散，因此泄漏影響范圍較小，影響范圍將逐漸趨于穩(wěn)定，在泄漏點(diǎn)附近1.5 m范圍內(nèi)。有蓋層和無蓋層條件下，泄漏1 800 s時(shí)，距離地面不同深度水平面(簡(jiǎn)稱不同深度水平面)的氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布見圖8。

圖8 有蓋層和無蓋層條件下，泄漏1 800 s時(shí)不同深度水平面的氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(軟件截圖)

從圖8可知，泄漏1 800 s后，有蓋層工況氖氣在不同深度水平面的擴(kuò)散范圍明顯比無蓋層工況大得多；無蓋層時(shí)，氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同深度水平面的分布范圍較為穩(wěn)定，因?yàn)樾孤怏w能擴(kuò)散到空氣中，向兩側(cè)擴(kuò)散少；而有蓋層時(shí)，氖氣在土壤中擴(kuò)散較明顯，且深度越靠近泄漏點(diǎn)，擴(kuò)散范圍越大；泄漏點(diǎn)附近的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度變化較為明顯，以此可以縮小檢測(cè)范圍。

為定位泄漏點(diǎn)，一般需要在現(xiàn)場(chǎng)打孔取樣，以確定土壤中的氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。圖9為泄漏1 800 s時(shí)泄漏孔中心正上方不同深度時(shí)氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿管長(zhǎng)方向的變化趨勢(shì)，可為確定合理的打孔深度提供依據(jù)。

圖9 不同深度氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿管長(zhǎng)方向的變化趨勢(shì)

從圖9可以看出，氖氣沿管長(zhǎng)方向的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布接近高斯分布，質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值位于泄漏孔正上方處，隨著兩側(cè)擴(kuò)散距離的增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低且關(guān)于泄漏孔中心呈對(duì)稱分布。深度為0.5 m的氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于深度為0.2 m；在左右兩側(cè)距離泄漏孔0.5 m范圍內(nèi)，深度為0.5 m與深度為0.8 m氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近，超出該范圍后，深度為0.5 m氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。因此，建議打孔深度為0.5 m，可以更迅速定位泄漏點(diǎn)。

4 結(jié)論

① 相比于連續(xù)加注，交替加注的氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布更均勻。

② 有蓋層時(shí)，泄漏氣體沿著管道軸向不斷擴(kuò)散，影響范圍不斷擴(kuò)大。無蓋層時(shí)，泄漏影響范圍較小且逐漸趨于穩(wěn)定，為泄漏點(diǎn)附近1.5 m范圍。

③ 有蓋層工況氖氣在不同深度水平面的擴(kuò)散范圍明顯比無蓋層時(shí)大得多。無蓋層時(shí)，氖氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同深度水平面的分布范圍較為穩(wěn)定；有蓋層時(shí)，氖氣在土壤中擴(kuò)散較明顯，且水平面越靠近泄漏點(diǎn)，擴(kuò)散范圍越大。泄漏點(diǎn)附近的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度變化較為明顯，以此可以縮小檢測(cè)范圍。

④ 建議打孔深度為0.5 m，可以更迅速定位泄漏點(diǎn)。