压力管道的泄露模式及其特征.docx

压力管道泄漏模式及其特征调研报告

专　　业：
安全工程
年级班级：
安全 0701
姓　　名：
王成硕
学号：
200733003

压力管道泄漏模式及其特征
压力管道发生泄漏扩散是输气管道事故危害的根本原因，因此建立输气管道泄露扩散的合理模型是正确评估输气管道事故损失后果的关键技术之一。
国内外对压力管道泄漏后的扩散过程的研究还不够深入，尚未建立起完全适用于压力管道泄漏扩散的理论模型。压力管道主要是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管道设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。压力管道发生泄漏，将会造成难以估量的损失，因此必须予以研究。在研究有关气体扩散过程的理论模型中，被广泛采用的高斯模型和Sutton模型是适用于相同压力的两种气体且两种气体间的相对速度较低的条件下的扩散过程的理论模型，二者都没有考虑天然气管道泄漏所特有的初始喷射和重力作用对扩散的影响。国内学者对高斯模型和Sutton模型进行了修正，提出了板块模型，考虑了重力、浮力和初始速度对扩散的影响，但没有考虑高压气体喷射后的膨胀过程。另外，有学者用重气模型分析了重气团重气效应的行为过程，考虑了气团的初始密度、泄漏模式、风速、大气稳定度、温度等因素的影响，但主要是针对完成喷射膨胀后的气体的扩散过程模型，没有考虑喷射膨胀过程。下面我们对压力管道泄露过程进行一下分析。
管道泄露过程分析
众所周知，引起管道输送介质大量意外流失的原因不外乎是管道泄漏和管道破裂两种情况。根据大量的管道事故分析报告的统计结果克制，导致管道泄漏的因素主要有内腐蚀、外腐蚀、施工损伤、焊接缺陷、接头缺陷和第三方破坏等；导致管道破裂的因素主要有第三方破坏、超压、焊接缺陷和腐蚀等。有时，单一因素即可引起油气、天然气等管道的事故，但在多数情况下，管道事故还是有多种因素联合作用造成的。
天然气等压力管道泄漏过程实际上是射流与膨胀两个过程的耦合。泄漏时的射流过程实质上是孔口喷出的流体与周围空气进行动量、质量和热量的交换，通常在孔口形成湍流自由射流，沿射流轴线整个射流对的动量保持不变。流体泄漏膨胀过程是一个绝热膨胀过程，由于其孔径较小，所以又可看作是一个平壁圆孔口。因此，输气管道内的流体泄漏的膨胀过程是一个在平壁圆孔口上的绝热膨胀过程，其膨胀形状可模拟为半圆球状。绝热膨胀过程可视为一个定熵过程。
泄漏模型
一、 小孔泄漏模型
小孔泄漏模型适用于穿孔泄漏的情形，穿孔泄漏是指管道或设备由于腐蚀等原因形成小孔，燃气从小孔泄漏。常见的穿孔直径在10mm以下，对于穿孔直径在20mm以下的泄漏可以使用该模型。小孔泄漏一般是长时间持续稳定泄漏且具有泄漏点多、不易察觉、潜在危险大的特点。
对于小孔泄漏模型，按照其泄漏燃气相态的不同，可分为气体流泄漏、液体流泄漏和气液两相流泄漏3种形式。
①气体流泄露强度
较普遍的气态燃气泄露强度的计算是按照伯努利方程推导所得，气体从孔口泄漏的强度与其流动状态有关。因此，要确定泄漏时气体流动属于声速流动（临界流）还是亚声速流动（次临界流），可以用临界压力比来判断：
β=P0Pc=2k+1kk-1
式中 β——临界压力比
P0——环境绝对压力，Pa;
Pc——泄漏口燃气的临界压力，Pa；
K——燃气等熵指数；
燃气等熵指数k是温度的函数，理想气体的k可近似当作定值，对于双原子气体取1.4，多原子气体取1.29，单原子气体取1.66。
当P0P1>β时，燃气在泄漏口处属于亚音速流动，燃起的泄漏强度为：
qm=CgAp1kMZRT1∙kk-1P0P12k1-P0P1k-1k
当P0P1≤β时，燃气在泄漏口处属于音速流动，燃气的泄漏强度为：
qm=CgAp1kMZRT1∙2k+1k+1k-1
式中 qm——泄漏强度，kg/s
Cg——气体泄漏系数
A ——泄漏口面积，m2
P1——容器内燃气的绝对压力，Pa
M——燃气的摩尔质量，kg/mol
Z——压缩因子
R——摩尔气体常数，取8.314J/(mol·K)
T1——容器内的燃气温度，K
气体泄漏系数与泄漏口的形状有关，泄漏口为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90，由内腐蚀形成的渐缩小孔取0.90~1.00，由外腐蚀或外力冲击形成的渐扩孔取0.60~0.90。压缩因子可以根据燃气的对比压力和对比温度查燃气压缩系数图得到，当压力小于1.6MPa时，常温燃气可近似认为是理想气体，取Z=1.
一般情况下，管道或压力容器中的燃气以气态储存，发生泄漏后的泄漏量可以按照气体流泄露强度模型进行计算。
② 液体流泄漏强度
燃气以加压液化或低温液化的形式储存在压力容器内，当发生泄漏时可认为燃气以液相流出，在通过孔口的同时可能急剧气化流出到大气中。假设在液面以下某一高度处发生泄漏，分别选取液面和泄漏孔口出流断面收缩处为截面列出伯努利能量方程，并整理可得液体流泄漏强度的计算公式：
qm=C1A2ρ1P2-P0+2gh
式中 C1——液体泄漏系数
ρ1——液体的密度，kg/m3
P2——容器内液体的绝对压力，Pa
g——重力加速度，取9.8m/s2
h——泄漏口之上的液体高度，m
液体泄漏系数与液体的雷诺数及泄漏口的形状有关。当雷诺数Re>100时，泄漏口为圆形孔取0.65，三角孔去0.60，长形孔去0.55；当雷诺数Re≤100时，对应上述形状泄漏口的泄漏系数分别取0.50、0.45、0.40；不明流态时泄漏系数取1。由上式可以看出，压力容器中液态燃气的泄漏强度取决于压力容器内外的压力差和泄漏口之上的液体高度。
当液化石油气、液化天然气等从压力容器液相空间中泄漏时，其泄漏量可使用液体流泄漏模型进行计算。
③ 气液两相流泄漏强度
对于过热液体的泄漏。在流过泄漏孔时会出现气、液两相流动，这种流动兼有气体泄漏和液体泄漏双重特点。均匀两相流泄漏的泄露强度可以按照下式计算：
qm=CdA2ρmPm-Pm,c
ρm=1Fvρg+1-Fvρ1
Fv=min1,cpT2-TbQL
式中 Cd——两相流泄漏系数
ρm——两相混合物的平均密度，kg/m3
Pm——两相混合物在容器内的绝对压力，Pa
Pm,c——两相混合物的临界压力，Pa，一般取0.55Pm
Fv——闪蒸率，即液体蒸发的质量占液体总质量的比例
ρg——液体蒸汽的密度，kg/m3
cp——两相混合物的比定压热容，J/（mol·K）
T2——液体的储存温度，K
Tb——液体在常压下的沸点，K
QL——液体的蒸发热，J/kg
当Fv≪1时，可认为泄漏的液体不会发生闪蒸，此时按照液体流泄露强度公式计算，泄漏出来的液体会在地面上蔓延，遇到防液堤而积聚成液池。当Fv>0.2时，可以认为不会形成液池。当Fv<0.1时，泄漏量按两相流泄漏强度公式计算。当Fv=1时，泄漏出来的液体发生完全闪蒸，此时按气体泄漏强度公式计算。
对于液化石油气、液化天然气等液体从压力容器气相空间中泄漏时，其泄漏量可使用气液两相流泄漏模型进行计算。
二、管道泄露模型
管道泄漏模型适用于开裂泄漏的情形。开裂泄漏的原因通常是由于外力干扰或超压破裂，属于大面积泄漏，泄漏口面积通常为管道截面积的80%~100%。开裂泄漏瞬时泄漏量大，导致管道或设备中的压力明显降低。这时，在泄漏口处的燃气压力和周围环境的压力相差不太大，可以运用动量守恒方程和能量守恒方程建立如下方程：
udu+dpρ+F=0
udu+dH=0
F=2μ2dLD
式中 u——气体泄漏时的速度，m/s
P——气体的绝对压力，Pa
ρ——气体的密度，kg/m3
F——摩擦力，N
H——气体的焓，J
μ——气体的动力黏度，Pa·s
L——泄漏点距起始端的距离，m
D——管道内径，m
假设在来气方向上距离管道泄漏点长度为L处设有调压装置或阀门，且认为沿程阻力系数不变，便得到管道泄露模型的泄漏强度计算公式：
qm=CpA2MZR∙kk-1∙T3-T4T4p42-T3p32
式中 Cp——管道泄漏系数，根据泄漏情况分别为Cg、C1和Cd
T3、T4——泄漏点处、泄漏点上游L处管道内的燃气温度，K
p3、p4——泄漏点处、泄漏点上游L处管道内的燃气绝对压力，Pa
燃气管道由于第三方破坏等原因造成的大面积断裂或全部断裂，此时发生的泄漏量可使用管道泄露模型进行计算。
扩散模型
一、高斯模型
国内外学者对气体扩散规律进行了大量研究，提出了很多扩散模型。其中中等密度的高斯扩散模型建立较早，试验数据充分，计算结果与试验值能较好吻合，因而最为常用。对于输气管线，管道发生破裂或穿孔时的泄漏扩散模式多位地面连续点源扩散。
高斯模型就是用高斯概率密度函数（正态分布曲线）精确地量化事物，将一个事物分解为若干的基于高斯概率密度函数（正态分布曲线）形成的模型。高斯模型的基本形式实在如下的假设条件下推导出来的：假定燃气在扩散的过程中没有沉降、化合、分解及地面吸收的发生；燃气连续均匀地排放；扩散空间的风速、大气稳定度都均匀、稳定；在水平和垂直方向上都服从正态分布。
高斯模型包括Gaussian烟羽模型和Gaussian烟团模型，其中烟羽模型适用于连续点源的扩散，此时泄漏燃气相对密度小于或接近1；而烟团模型适用于短时间点源泄漏的扩散（即突发性瞬时泄漏或泄漏时间小于扩散时间的泄漏）。Gaussian轨迹烟云模型是对Gaussian模型的修正，主要用于复杂地形区域，并考虑了大气混合层及风速的影响。
Gaussian烟羽模型的数学表达式：
以泄漏点为原点，风向方向为x轴的空间坐标系中的某一点（x，y，z）处的质量浓度平均风速>1m/s时：

Gaussian烟团模型的数学表达式：
平均风速=0.5~1m/s时：

平均风速<0.5m/s时，假设气团围绕泄漏点浓度均匀分布，则距离泄漏点r处的燃气质量浓度为：
ρdr=qm2π32∙bb2r2+a2h2exp-b2r2+a2h22a2b2t2
式中 ρdr——距离泄漏点r处的燃气质量浓度，kg/m3
R——空间内任意一点到泄漏点的距离，m
a、b——扩散系数，m
t——静风持续时间，s，取3600的整数倍
h——泄漏点的高度，m
二、sutton模型
与高斯模型类似。二者适用于相同压力条件下的两种气体且两种气体间的相对速度较低的条件下的扩散过程的理论模型。二者都没有考虑天然气管道泄漏所特有的初始喷射和重力作用对扩散的影响，且二者扩散参数均以多次大规模扩散实验统计而得出。
三、重气扩散模型
液化石油气密度比空气密度大，属于重气。该类气体泄漏时在重力的作用下会下沉，这时使用高斯模型计算的结果会使泄漏燃气扩散速度偏大，泄漏源附近的浓度偏小。为了解决这个问题，可以进入最早有Van Ulden提出，并由Manju Mohan等发展的箱式模型。箱式模型分为两个阶段：泄漏后的重气扩散阶段和重气效应消失后的被动气体扩散阶段。
重气泄漏后首先是重气扩散阶段。在这个阶段，重气团由于重力作用逐渐下沉并不断卷吸周围的空气，在卷吸空气的同时，气云受热，最终当重气团与空气的密度差<0.001kg/m3时，可认为气云转变成中性状态。
随着重气的继续扩散，气云所受的重力不再是影响扩散的主要因素，而大气湍流扩散逐渐占主要地位，这时便是被动气体扩散阶段，可以应用高斯模型计算泄漏燃气的扩散。
四、板块模型
Zemman在1982年提出了板块模型，将三维问题转化为一维问题，可以处理定常态泄防扩散和瞬时泄防扩散（非定常态）。研究人员提出了应用板块模型对气体扩散进行模拟，考虑了重力、浮力和初始速度对扩散的影响，但没有考虑高压气体喷射后的膨胀过程。板块模型是对泄漏扩散的气体沿下风向分为一个个板块，并假定同一板块内气体的性质（运动速度、密度、温度等）是均一的，通过对整个板块进行动量平衡、质量平衡、能量平衡的分析，列出其控制方程并进行求解，得到这些板块内均一的变量，（如平均速度、平均温度、平均浓度），然后假设气体板块的浓度分布服从高斯分布（应用湍流扩散的统计理论）。从而得到整个浓度场的分布。板块模型考虑了重力、浮力、初始速度对扩散的影响，相对于Gaussian模型和Sutton模型更为合理、全面。
五、国内研究模型
李又绿等通过分析高斯（Gaussian）模型、Sutton模型和重气模型等常见气体扩散数学模型在模拟天然气管道泄漏扩散过程中的局限性，结合天然气管道泄漏扩散过程的特殊性，在同时考虑输气管道孔口泄露过程的射流作用和膨胀效应，以及重力作用和水平风速对天然气扩散的影像效果的基础上，建立起了适合天然气管道泄露特点的扩散模型，编程模拟出天然气管道泄漏扩散过程，其扩散区域随时间逐渐增大，由于风的作用逐渐向顺风方向偏移，受浮升力的作用逐渐上浮，射流作用逐渐减弱，扩散作用逐渐增强。该模型从考虑因素的合理性和气体泄漏边界条件的选取上都更加符合天然气管道泄漏扩散过程的实际情况，此外还对新建模型的科学和理性和使用可靠性进行了算例模拟分析检验。该模型考虑因素合理，徐泽的边界条件更加符合实际，但没有考虑大气温度、大气压、风向、孔口形状（扁平射流模型）等因素的影响，需要进一步修正。
孟志鹏等在可爆性气体泄漏扩散是湍流场的数值模拟中，运用了基于k~ε湍流模型，对可爆性气体扩散进行了三维数值模拟，并用风洞试验对质量浓度场的数值模拟结果进行了验证，误差在20%左右。
研究结论
天然气管道泄漏及其扩散模拟研究是一项非常艰巨的任务，国内外众多学者对天然气管道稳态及瞬态泄露率的计算进行了一定的研究，但是所建立的模型任然存在一定的缺陷，天然气管道泄漏扩散的影响因素较多，对其进行扩散模拟非常的复杂。目前，国内外对于诸如天然气之类的轻气扩散模拟研究甚少。今后的研究重点应主要集中在较简单的气体扩散模型的建立以及三维计算模型和湍流统计、湍流模式理论的深入应用上。

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