既有腐蝕天然氣管道泄漏安全評估與數(shù)值模擬

　　摘 要：既有腐蝕的天然氣管道會因腐蝕導(dǎo)致自身強(qiáng)度逐漸減少，并發(fā)生氣體的泄露。 使用 FLUENT 軟件研究了既有腐蝕管道的腐蝕情況，并對不同管道彎曲度、管內(nèi)氣體運(yùn)行速度和管徑對管道中心壓力的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，用于評價其安全性。 研究發(fā)現(xiàn)：多種因素會影響管道安全性，管道內(nèi)氣體運(yùn)行速度增加，管道安全性會下降。 另一方面，增加管徑則會增加安全性。 對比不同彎折情況的管道的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)管道在不彎折情況下安全度最高，隨著彎折程度增加，安全性會減少。

　　本文源自山西建筑2021-02-01《山西建筑》(旬刊)創(chuàng)刊于1975年，由山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳主管，山西省建筑科學(xué)研究院主辦，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，是山西省建設(shè)行業(yè)唯一的一份國家級刊物，山西省一級期刊。雜志社設(shè)有編輯部、廣告部、發(fā)行部和排版中心，共有采編40余人，主編1人，副主編3人，責(zé)任編輯6人，編輯30余人。

　　關(guān)鍵詞：FLUENT 數(shù)值模擬，既有腐蝕管道，安全性評估，泄漏

　　實際工程的天然氣在管道運(yùn)輸中，天然氣會長期與管道內(nèi)壁接觸。 由于運(yùn)輸中的天然氣包含諸如水，H2 S，CO2對鋼結(jié)構(gòu)的管道有腐蝕作用。 同時在氣體運(yùn)輸中，管道自身也會因溫度、運(yùn)輸速度、壓力等實際因素，在管道內(nèi)壁發(fā)生腐蝕。 管道經(jīng)過長期使用后，腐蝕性物質(zhì)在穿過腐蝕層后，會影響管道鋼結(jié)構(gòu)整體的性質(zhì)，使其自身強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致管道泄漏。 因為管道腐蝕引起的泄漏，爆炸事故難以被發(fā)現(xiàn)也難以控制，會造成較大的人員和財產(chǎn)損失，所以對管道的安全性研究是很有必要的[1]。

　　一些學(xué)者[2?4]通過計算機(jī)模擬，研究了不同環(huán)境條件、多種影響因素的天然氣泄露情況的擴(kuò)散規(guī)律。 孫英杰等[5]研究了地下巖石環(huán)境中天然氣的擴(kuò)散模型，同時研究了不同地層時，天然氣發(fā)生泄露時氣體的擴(kuò)散規(guī)律。 唐保金等[6，7]分析了天然氣的擴(kuò)散機(jī)理，并結(jié)合泄露模型，分析了天然氣在巖土環(huán)境下的擴(kuò)散規(guī)律。 謝昱姝[8]研究了管道發(fā)生泄漏時，氣體的擴(kuò)散性質(zhì)。 晏玉婷等[9] 對土壤建立了模型，使用 FLUENT 軟件模擬了氣體的擴(kuò)散規(guī)律和土中濃度分布，也研究了泄露時的危險區(qū)域的范圍。

　　目前對管道泄漏的研究有很多，其中氣體的擴(kuò)散研究多采用模擬方法。 其模擬計算方法主要包括 2 種：一種是利用計算流體力學(xué)軟件[3，10，11] 進(jìn)行數(shù)值模擬;另一種是建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。 本文選擇了第一種方法，使用 FLU? ENT 對既有腐蝕天然氣管道進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

　　1 天然氣管道內(nèi)壁腐蝕特征與腐蝕等級

　　1. 1 天然氣管道內(nèi)壁腐蝕特征

　　天然氣管道在水蒸氣、H2 S，CO2 ，氯離子等腐蝕性物質(zhì)的作用下，導(dǎo)致管道鋼材內(nèi)壁組織腐蝕脫落，內(nèi)壁變薄，鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，引起水蒸氣腐蝕、硫化氫腐蝕及應(yīng)力腐蝕，使管道發(fā)生泄漏。 天然氣管道內(nèi)壁腐蝕特征如圖 1，圖 2所示。

　　管道內(nèi)壁腐蝕的影響因素有腐蝕區(qū)域深度、腐蝕區(qū)域的縱向尺寸和環(huán)向尺寸。

　　1. 2 天然氣管道內(nèi)壁腐蝕等級

　　對于天然氣管道腐蝕等級的評價并沒有明確的規(guī)范，本文采用 SY/ T 0087. 1—2006 鋼制管道及儲罐腐蝕評價標(biāo)準(zhǔn) + 埋地鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕直接評價，確定出管道內(nèi)壁腐蝕評價表，如表 1 所示。

　　本次模擬，預(yù)設(shè)使用 DN500 鋼管，管壁厚度為 3 cm，管壁平均腐蝕深度設(shè)為 6 mm。 建模設(shè)置中，腐蝕形式假設(shè)為環(huán)形腐 蝕， 深 度、 長 度、 寬 度 規(guī) 格 分 別 為 6 mm， 12 cm，12 cm。

　　2 數(shù)值模擬的影響因素

　　2. 1 氣體流速

　　CJJ 63—2016 聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程，允許氣體流速為 5 m/ s;目前我國開始大量使用天然氣，其雜質(zhì)含量減少很多，參考相應(yīng)的天然氣使用較多的國外經(jīng)驗，本文將天然氣流速設(shè)為 20 m/ s。 同時選取了 14 m/ s，16 m/ s，18 m/ s，20 m/ s 幾種氣體流速進(jìn)行研究。

　　2. 2 管道彎折半徑

　　參考 GB 50028—2006 城市燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范，管內(nèi)壓力低于 1. 6 MPa 的工程，制作管道的彎頭，曲率半徑可為 1. 5d，即為 1. 5 × 500 mm = 750 mm。

　　2. 3 管道直徑

　　本文選擇模擬了 DN500 ～ DN350 之間的鋼結(jié)構(gòu)管道，這些管道的壁厚差距并不大，故模擬時設(shè)定的管壁厚度為30 mm。

　　3 數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

　　3. 1 不同彎折度時的模擬研究

　　通過模擬，取值點設(shè)置為管壁底部的中點，管道彎折度由 0°到 90°，各個取值點對應(yīng)壓強(qiáng)數(shù)值為 8. 68 Pa，22. 10 Pa，24. 63 Pa，27. 41 Pa，28. 82 Pa，由此得到關(guān)閉彎折度與抗壓強(qiáng)度值關(guān)系圖，如圖 3 所示。

　　由圖 3 可知：

　　1)隨著管道彎折度的增加，管壁中點處抗壓強(qiáng)度也會增加，彎折度為 0°時抗壓強(qiáng)度最小。

　　2)隨著管道的彎折度增加，斜率趨于放緩，中間點壓強(qiáng)值增加的量在減少。

　　3)安全性方面，未經(jīng)彎折的管道更為安全。

　　3. 2 不同運(yùn)行速度時的模擬研究

　　通過模擬，得到不同運(yùn)行速度下管壁腐蝕位置的壓強(qiáng)值，其中管道在運(yùn)行速度為 14 m/ s，16 m/ s，18 m/ s，20 m/ s時，其 計 算 得 到 的 壓 強(qiáng) 值 分 別 是 18. 12 Pa， 21. 66 Pa，29. 65 Pa，33. 76 Pa，由此得到不同運(yùn)行速度時的壓強(qiáng)值如圖 4 所示。

　　由圖 4 可知：

　　1)已發(fā)生腐蝕的管道，被腐蝕區(qū)域的壓強(qiáng)值最大。

　　2)運(yùn)行速度增加，管壁中心處壓強(qiáng)值也會增加，此時管道整體的安全性會減小。

　　3. 3 不同管徑下的模擬研究

　　經(jīng)過模擬，分析管道的抗壓情況。 管道直徑分別選擇DN350 ～ DN500 之間 4 種管徑，得到對應(yīng)的壓強(qiáng)值分別為25. 16 Pa，21. 60 Pa，14. 66 Pa，10. 60 Pa，由此做出不同管道直徑下的壓強(qiáng)值如圖 5 所示。

　　由圖 5 可知：

　　1)氣體運(yùn)行速度相同，管徑越大，管道腐蝕處的抗壓強(qiáng)度越小。

　　2)氣體運(yùn)送速度相同時，管徑增加，管道整體安全性也會增加。

　　4 結(jié)語

　　本文使用 FLUENT 軟件數(shù)值模擬，對氣體運(yùn)輸管道進(jìn)行了模擬研究，得到了管道安全性方面的一些發(fā)現(xiàn)[13]。

　　1)對于有彎折度的管道，隨著彎折度增加，管道彎折處下部所受壓強(qiáng)也會逐漸增加，其安全性會降低。 因此，選擇直線型管道安全性最好。

　　2)已發(fā)生腐蝕的管道，氣體運(yùn)行速度的增加，會增大腐蝕位置所受的壓強(qiáng)。 已腐蝕管道不適合繼續(xù)增加運(yùn)行速度，因為其管道的安全性有所降低。

　　3)管道出現(xiàn)腐蝕情況后，當(dāng)管徑增加，氣體的腐蝕性效果在減小。 可以說，選擇管道時，管徑越大，其使用過程中安全性就越好。