基于氖气示踪剂的埋地燃气管道泄漏扩散研究

刘 瑶， 荣广新， 左 熠， 谭松玲， 孙永佳，李 伟， 赵 钊， 孙 恒， 左丽丽

(1.北京市燃气集团有限责任公司，北京100035；
2.中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京102249；
3.中国石油大学(北京)石油工程教育部重点实验室，北京102249；
4.中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室，北京102249)

燃气管道老化、腐蚀、自然灾害等因素导致燃气泄漏，从而引发火灾、爆炸等事故，给城市设施及人民财产造成巨大的破坏，因此如何快速有效地对燃气管道泄漏点进行检测和精准定位，对确保安全供气、促进社会和谐发展具有重要意义[1-3]。

李胜国等[4]提出基于示踪技术的燃气管道泄漏定位检测方法，并分析四氢噻吩、SF6、氢气、氦气等示踪气体在管道泄漏检测中的优缺点，通过实践验证示踪气体定位技术的有效性和准确性。赵钊等[5]利用氢气作为示踪剂对城市埋地管道进行泄漏检测，验证示踪剂(氢气)在城市埋地管道泄漏检测中的可行性和适用性。王耕宇[6]提出在燃气管道泄漏检测时，需考虑示踪剂(丙烷和四氢噻吩)理化性质特点以及管道内壁、燃气冷凝液、管道周围土壤对示踪剂吸附性等影响。

多数示踪剂在实际应用中都存在不足，如四氢噻吩，对于埋地较深的燃气管道，由于土层的吸附作用，四氢噻吩泄漏扩散不明显，燃气泄漏不易被及时发现；
氢气受限于一些特殊的位置环境，如燃气管道附近存在加氢站，会对泄漏检测产生干扰。本文采用氖气作为示踪剂，由于自然环境中不含氖气，一旦检测到环境中存在该气体，即可判定管道泄漏。

针对目前埋地燃气管道泄漏检测和定位困难问题，本文在建立三维物理模型并进行网格划分的基础上，分别对埋地燃气管道的氖气加注过程和泄漏扩散过程进行CFD模拟。通过分析模拟结果，研究得到不同氖气加注方式下的氖气分布规律及燃气泄漏扩散规律，为埋地燃气管道泄漏点探测定位提供理论指导。

2.1 物理模型

本文建立2个物理模型，分别是氖气作为示踪剂的加注模型(简称氖气加注模型)和埋地燃气管道泄漏扩散模型(简称泄漏扩散模型)。

① 氖气加注模型

氖气加注模型见图1。管道均为钢管，参数见表1。氖气加注口距离天然气入口0.5 m，加注口为圆筒形，高0.2 m，直径为50 mm。距离管道末段末端0.2 m处有高0.08 m的管道，管道最上端为泄漏孔，泄漏孔为圆形，直径5 mm。

进气段、中间段-1和中间段-2为地上部分。

图1 氖气加注模型

表1 氖气加注模型管道参数

② 泄漏扩散模型

泄漏扩散模型见图2。燃气管道为D114.3×6.02的钢管。管道上土壤从下到上分别为50 cm厚细砂、30 cm厚三合土、30 cm厚无机料、20 cm厚混凝土路面或草地，管道周围和下层为黏土，其中下层黏土厚50 cm。空气层厚1.5 m。泄漏孔位于管道中点的管顶，泄漏孔为圆形，直径为50 mm，泄漏方向为竖直向上。由于对称性，取1/2进行模拟。

图2 泄漏扩散模型

2.2 数学模型

埋地燃气管道泄漏后，周围土壤的传质问题需要满足质量守恒方程、动量守恒方程、理想气体状态方程以及多孔介质模型[7]。

2.3 初始条件和边界条件

① 气体、管道物性参数

气体、管道物性参数见表2。

表2 气体、管道物性参数

② 氖气加注模型

模拟不考虑温度变化，将环境、所有介质、管道壁面温度均设为300 K。环境压力为0.1 MPa。管道初始时充满天然气，初始压力均为0.15 MPa，后续过程中不再通入天然气。设置加注口为质量流量入口，氖气加注质量流量为0.001 kg/s，压力为0.2 MPa。设置泄漏孔为压力出口。

③ 泄漏扩散模型

为简化模型，做以下假设：模拟不考虑温度变化，将环境、所有介质、管道壁面温度均设为300 K。因为泄漏量较小，所以假设泄漏过程中管内条件稳定不变。土壤作为一种多孔介质，内部疏松多孔[8]。假设土壤热物性均匀，是连续性介质[9]；
将天然气小孔泄漏过程看作等熵流动过程[10]；
在天然气泄漏之前，土壤孔隙中的流体仅为空气，设置天然气为纯甲烷，泄漏之前氖气已加注均匀，管道内氖气与天然气体积分数各占50%，泄漏压力为0.15 MPa。设置土壤为多孔介质，不同土壤参数见表3。

表3 不同土壤参数

2.4 数值求解算法及网格划分

在使用Fluent软件进行求解设置时，针对建立的数学模型和边界条件，采用有限体积法对其进行离散求解。由于天然气在土壤中的扩散过程是瞬时非稳态过程，故选择PISO算法实现压力速度的耦合进行求解。为提高计算的收敛性，采用体积力分数计算处理压力插值，基于多重网格方法对代数方程组求解。

根据计算区域的几何结构特点，在物理模型基础上，利用Gambit进行网格划分。对氖气加注模型，以非结构化的三角形网格进行数值离散，并对氖气加注口和泄漏孔进行网格加密，总网格数为56 573。对泄漏扩散模型，以结构化的四边形网格离散泄漏孔、土壤层和空气层区域，并对泄漏孔进行网格加密。在保证计算精度的前提下，适当离散部分区域的网格密度，可以减少计算时间。因此对土壤和空气所在的计算区域，在轴向和径向以不同比例逐步增大网格尺寸。泄漏扩散模型的总网格数为81 876。对于非稳态计算过程，尝试以时间步长0.5、1、2 s分别进行数值计算，计算过程均能保持稳定，但收敛所需的迭代步数随之增多，计算结果相差不大。因此，兼顾计算精度和计算效率，以1 s步长进行非稳态计算。

3.1 氖气加注模拟分析

在对燃气管道进行氖气加注时，希望氖气能够在管道中均匀混合，因此分别采取连续加注、交替加注方式，以对比哪种方式可以使管道各段的氖气分布更均匀。连续加注是连续加注氖气720 s；
交替加注是加注氖气180 s、暂停60 s，这样交替进行4个周期，共960 s。根据理想气体状态方程和质量守恒方程等，计算得到2种加注方式全管段氖气平均质量分数理论计算值。模拟值与理论计算值对比见图3。

图3 2种加注方式全管段氖气平均质量分数模拟值与理论计算值对比

从图3可知，2种加注方式全管段氖气平均质量分数模拟值与理论计算值吻合良好，证明氖气加注数值模拟是收敛的，能够达到计算精度要求。连续加注、交替加注方式加注结束时刻各段管道轴心竖直平面的氖气质量分数分布云图分别见图4、5。

图4 连续加注方式加注结束时刻各段管道轴心竖直平面的氖气质量分数分布云图(软件截图)

图5 交替加注方式加注结束时刻各段管道轴心竖直平面的氖气质量分数分布云图(软件截图)

从图4、5可以看出，相比于连续加注，交替加注的氖气质量分数分布比较均匀，未出现连续加注时加注口附近有大量氖气堆积的情况；
总体来看，从进气段到末段，氖气质量分数分布逐渐降低，末端几乎为0。

3.2 泄漏扩散模拟分析

泄漏扩散模拟分为2种工况：有盖层、无盖层。有盖层指土壤表面有混凝土、沥青层等致密层，气体不易扩散到空气中；
无盖层指土壤表面是草地或沙地等，气体易扩散到空气中。模拟时，对于有盖层工况，设置与空气层接触的土壤为混凝土路面；
对于无盖层工况，设置与空气层接触的土壤是草地。

泄漏从0时刻开始，泄漏不同时刻过管道中心竖直平面的氖气质量分数分布云图见图6、7，对比了不同时刻有、无盖层工况氖气在土壤中的扩散过程。

图6 泄漏120 s、600 s、960 s时过管道中心竖直平面氖气质量分数分布云图(软件截图)

图7 泄漏1 200 s、1 500 s、1 800 s时过管道中心竖直平面氖气质量分数分布云图(软件截图)

分析图6、7可知，有盖层时，受盖层影响，泄漏气体沿着管道轴向不断扩散，影响范围不断扩大。无盖层时，泄漏气体可以向空气层扩散，因此泄漏影响范围较小，影响范围将逐渐趋于稳定，在泄漏点附近1.5 m范围内。有盖层和无盖层条件下，泄漏1 800 s时，距离地面不同深度水平面(简称不同深度水平面)的氖气质量分数分布见图8。

图8 有盖层和无盖层条件下，泄漏1 800 s时不同深度水平面的氖气质量分数分布(软件截图)

从图8可知，泄漏1 800 s后，有盖层工况氖气在不同深度水平面的扩散范围明显比无盖层工况大得多；
无盖层时，氖气质量分数在不同深度水平面的分布范围较为稳定，因为泄漏气体能扩散到空气中，向两侧扩散少；
而有盖层时，氖气在土壤中扩散较明显，且深度越靠近泄漏点，扩散范围越大；
泄漏点附近的质量分数梯度变化较为明显，以此可以缩小检测范围。

为定位泄漏点，一般需要在现场打孔取样，以确定土壤中的气体质量分数分布。图9为泄漏1 800 s时泄漏孔中心正上方不同深度时氖气质量分数沿管长方向的变化趋势，可为确定合理的打孔深度提供依据。

图9 不同深度氖气质量分数沿管长方向的变化趋势

从图9可以看出，氖气沿管长方向的质量分数分布接近高斯分布，质量分数峰值位于泄漏孔正上方处，随着两侧扩散距离的增加，质量分数逐渐降低且关于泄漏孔中心呈对称分布。深度为0.5 m的氖气质量分数明显高于深度为0.2 m；
在左右两侧距离泄漏孔0.5 m范围内，深度为0.5 m与深度为0.8 m氖气质量分数接近，超出该范围后，深度为0.5 m氖气质量分数高。因此，建议打孔深度为0.5 m，可以更迅速定位泄漏点。

① 相比于连续加注，交替加注的氖气质量分数分布更均匀。

② 有盖层时，泄漏气体沿着管道轴向不断扩散，影响范围不断扩大。无盖层时，泄漏影响范围较小且逐渐趋于稳定，为泄漏点附近1.5 m范围。

③ 有盖层工况氖气在不同深度水平面的扩散范围明显比无盖层时大得多。无盖层时，氖气质量分数在不同深度水平面的分布范围较为稳定；
有盖层时，氖气在土壤中扩散较明显，且水平面越靠近泄漏点，扩散范围越大。泄漏点附近的质量分数梯度变化较为明显，以此可以缩小检测范围。

④ 建议打孔深度为0.5 m，可以更迅速定位泄漏点。