既有腐蝕天然氣管道泄漏安全評估與數值模擬

　　摘 要：既有腐蝕的天然氣管道會因腐蝕導致自身強度逐漸減少，并發生氣體的泄露。 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、管內氣體運行速度和管徑對管道中心壓力的影響進行了數值模擬分析，用于評價其安全性。 研究發現：多種因素會影響管道安全性，管道內氣體運行速度增加，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果，發現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)創刊于1975年，由山西省住房和城鄉建設廳主管，山西省建筑科學研究院主辦，面向國內外公開發行，是山西省建設行業唯一的一份國家級刊物，山西省一級期刊。雜志社設有編輯部、廣告部、發行部和排版中心，共有采編40余人，主編1人，副主編3人，責任編輯6人，編輯30余人。

　　關鍵詞：FLUENT 數值模擬，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輸中，天然氣會長期與管道內壁接觸。 由于運輸中的天然氣包含諸如水，H2 S，CO2對鋼結構的管道有腐蝕作用。 同時在氣體運輸中，管道自身也會因溫度、運輸速度、壓力等實際因素，在管道內壁發生腐蝕。 管道經過長期使用后，腐蝕性物質在穿過腐蝕層后，會影響管道鋼結構整體的性質，使其自身強度降低，最終導致管道泄漏。 因為管道腐蝕引起的泄漏，爆炸事故難以被發現也難以控制，會造成較大的人員和財產損失，所以對管道的安全性研究是很有必要的[1]。

　　一些學者[2?4]通過計算機模擬，研究了不同環境條件、多種影響因素的天然氣泄露情況的擴散規律。 孫英杰等[5]研究了地下巖石環境中天然氣的擴散模型，同時研究了不同地層時，天然氣發生泄露時氣體的擴散規律。 唐保金等[6，7]分析了天然氣的擴散機理，并結合泄露模型，分析了天然氣在巖土環境下的擴散規律。 謝昱姝[8]研究了管道發生泄漏時，氣體的擴散性質。 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散規律和土中濃度分布，也研究了泄露時的危險區域的范圍。

　　目前對管道泄漏的研究有很多，其中氣體的擴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軟件[3，10，11] 進行數值模擬;另一種是建立數學模型進行研究。 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行數值模擬研究。

　　1 天然氣管道內壁腐蝕特征與腐蝕等級

　　1. 1 天然氣管道內壁腐蝕特征

　　天然氣管道在水蒸氣、H2 S，CO2 ，氯離子等腐蝕性物質的作用下，導致管道鋼材內壁組織腐蝕脫落，內壁變薄，鋼結構強度降低，引起水蒸氣腐蝕、硫化氫腐蝕及應力腐蝕，使管道發生泄漏。 天然氣管道內壁腐蝕特征如圖 1，圖 2所示。

　　管道內壁腐蝕的影響因素有腐蝕區域深度、腐蝕區域的縱向尺寸和環向尺寸。

　　1. 2 天然氣管道內壁腐蝕等級

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

　　本次模擬，預設使用 DN500 鋼管，管壁厚度為 3 cm，管壁平均腐蝕深度設為 6 mm。 建模設置中，腐蝕形式假設為環形腐 蝕， 深 度、 長 度、 寬 度 規 格 分 別 為 6 mm， 12 cm，12 cm。

　　2 數值模擬的影響因素

　　2. 1 氣體流速

　　CJJ 63—2016 聚乙烯燃氣管道工程技術規程，允許氣體流速為 5 m/ s;目前我國開始大量使用天然氣，其雜質含量減少很多，參考相應的天然氣使用較多的國外經驗，本文將天然氣流速設為 20 m/ s。 同時選取了 14 m/ s，16 m/ s，18 m/ s，20 m/ s 幾種氣體流速進行研究。

　　2. 2 管道彎折半徑

　　參考 GB 50028—2006 城市燃氣設計規范，管內壓力低于 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 之間的鋼結構管道，這些管道的壁厚差距并不大，故模擬時設定的管壁厚度為30 mm。

　　3 數值模擬計算結果及分析

　　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°，各個取值點對應壓強數值為 8. 68 Pa，22. 10 Pa，24. 63 Pa，27. 41 Pa，28. 82 Pa，由此得到關閉彎折度與抗壓強度值關系圖，如圖 3 所示。

　　由圖 3 可知：

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

　　2)隨著管道的彎折度增加，斜率趨于放緩，中間點壓強值增加的量在減少。

　　3)安全性方面，未經彎折的管道更為安全。

　　3. 2 不同運行速度時的模擬研究

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

　　由圖 4 可知：

　　1)已發生腐蝕的管道，被腐蝕區域的壓強值最大。

　　2)運行速度增加，管壁中心處壓強值也會增加，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，得到對應的壓強值分別為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值如圖 5 所示。

　　由圖 5 可知：

　　1)氣體運行速度相同，管徑越大，管道腐蝕處的抗壓強度越小。

　　2)氣體運送速度相同時，管徑增加，管道整體安全性也會增加。

　　4 結語

　　本文使用 FLUENT 軟件數值模擬，對氣體運輸管道進行了模擬研究，得到了管道安全性方面的一些發現[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)已發生腐蝕的管道，氣體運行速度的增加，會增大腐蝕位置所受的壓強。 已腐蝕管道不適合繼續增加運行速度，因為其管道的安全性有所降低。

　　3)管道出現腐蝕情況后，當管徑增加，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。