海底輸氣管道泄漏點(diǎn)壓力變化特性的模擬研究*

高建豐 周韶彤 何笑冬 李本祥

1浙江海洋大學(xué)石化與能源工程學(xué)院

2臨港石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室

3中油國(guó)際管道有限公司

海底輸氣管道是海上氣體的主要運(yùn)輸方式，隨著海上油氣工業(yè)的迅速發(fā)展，海底管道敷設(shè)長(zhǎng)度不斷增加。但是海底管道長(zhǎng)期暴露于惡劣的海洋環(huán)境中，承受各種復(fù)雜載荷，失效概率高[1]，一旦發(fā)生失效，由于其地理環(huán)境的特殊性其維修和更換都很困難，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)污染海洋環(huán)境[2-3]。1967—2012年，墨西哥灣共發(fā)生海底管道泄漏事故184起，1998—2012年，我國(guó)國(guó)內(nèi)公開報(bào)道的海底管道泄漏事故共19起[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于陸地輸氣管道泄漏信號(hào)的研究有很多，高琳等利用CFD中的LES對(duì)氣體管道泄漏進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析，重點(diǎn)研究了不同管道壓力、不同的泄漏孔徑，以及不同的管道氣體流速對(duì)泄漏處壓力波頻譜特性的影響[5]。韓寶坤等的研究得出泄漏速率和管內(nèi)壓力呈線性關(guān)系，并且泄漏口對(duì)管內(nèi)氣流的影響范圍比較小[6]。孟令雅等的研究得出泄漏點(diǎn)越靠近管道終點(diǎn)，泄漏越容易利用聲波法進(jìn)行判斷[7]。但是關(guān)于海底油氣管道泄漏的研究較少，且大多是針對(duì)于海底油氣管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究，對(duì)海底油氣管道泄漏點(diǎn)壓力變化的研究較少。李新宏等研究海底管道泄漏天然氣擴(kuò)散規(guī)律，得出海底天然氣泄漏擴(kuò)散大致經(jīng)歷氣云團(tuán)—大氣泡—小氣泡3種形態(tài)的變化過程[8]。馬孜豪等研究在有無海流2種情況下，不同管徑、不同泄漏速度對(duì)射流油柱形態(tài)擴(kuò)散的影響，并得出相關(guān)結(jié)論[9]。宋金升等采用正交試驗(yàn)法對(duì)影響海底泄漏天然氣擴(kuò)散規(guī)律的主要因素進(jìn)行研究，認(rèn)為泄漏孔徑大小和洋流速度是影響擴(kuò)散規(guī)律的顯著因素，泄漏速度是非顯著因素[10]。海底管道所處環(huán)境較為惡劣，外部環(huán)境導(dǎo)致海底管道更容易發(fā)生泄漏，同時(shí)當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，也難以檢測(cè)與定位，所以僅研究其海底輸氣管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律是不夠的。雖然陸地輸氣管道檢測(cè)方法對(duì)于海底輸氣管道也同樣適用，但是由于其外部環(huán)境的不同，海底輸氣管道泄漏時(shí)壓力變化有所不同。為了提高海底管道檢測(cè)與定位的精度，本文在研究相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，利用Pipeline studio模擬軟件進(jìn)行海底與陸地輸氣管道的泄漏對(duì)比模擬，并提出一種海底管道的壓力傳感器最遠(yuǎn)安裝距離的確定方法，對(duì)于提高海底輸氣管道泄漏檢測(cè)準(zhǔn)確度、降低成本具有一定的借鑒意義。

1 軟件建模

以舟山市管道燃?xì)鈿庠磸S的遠(yuǎn)期天然氣為例（暫按東海天然氣考慮），利用Pipeline studio 4.0模擬軟件進(jìn)行管道泄漏的動(dòng)態(tài)模擬，管道泄漏的模擬示意圖如圖1所示。管段1、管段2長(zhǎng)度均為60 km，內(nèi)徑355.6 mm，壁厚11.1 mm，粗糙度25.4。泄漏點(diǎn)處外界壓力取東海海底平均壓力0.7 MPa[11]，輸入點(diǎn)采用壓力控制，輸出點(diǎn)采用流量控制。泄漏發(fā)生在第1 h，泄漏部位在0.1 h內(nèi)發(fā)生泄漏，泄漏持續(xù)24 h，觀察泄漏點(diǎn)壓力信號(hào)在24 h內(nèi)的變化。

圖1 管道泄漏模擬示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline leakage simulation

2 管道泄漏模擬

2.1 不同外界壓力對(duì)泄漏點(diǎn)的影響

海底輸氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，其泄漏部位會(huì)立即有氣體損失，導(dǎo)致泄漏點(diǎn)壓力減小，同時(shí)外界環(huán)境產(chǎn)生的背壓會(huì)對(duì)泄漏點(diǎn)產(chǎn)生影響。為探究輸氣管道在不同環(huán)境下發(fā)生泄漏后泄漏點(diǎn)的壓力變化，選取了泄漏點(diǎn)外界壓力為0.101 35 MPa（陸地）、0.7 MPa（海底）及1.0 MPa（海底）三種工況，利用Pipeline studio模擬軟件進(jìn)行泄漏點(diǎn)壓力變化模擬[12]，具體變化如圖2所示，其中左圖為泄漏點(diǎn)壓力在24 h內(nèi)的總體變化，右圖為10 h后的泄漏點(diǎn)壓力變化放大圖。

從模擬結(jié)果看出，當(dāng)輸氣壓力和泄漏孔徑一定時(shí)，管道泄漏點(diǎn)壓力下降趨勢(shì)沒有太大區(qū)別，但是在不同外界壓力下，泄漏點(diǎn)壓力穩(wěn)定所需的時(shí)間以及穩(wěn)定時(shí)的壓力不同。具體如下：海底壓力為1.0 MPa時(shí)，泄漏時(shí)間達(dá)到15.8 h泄漏點(diǎn)壓力開始穩(wěn)定，穩(wěn)定壓力為4.862 2 MPa；海底壓力為0.7 MPa時(shí)，泄漏時(shí)間達(dá)到16.88 h泄漏點(diǎn)壓力趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定壓力為4.875 6 MPa；陸地環(huán)境下，泄漏時(shí)間達(dá)到18.95 h漏點(diǎn)壓力才趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定壓力為4.901 5 MPa。從模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，外界壓力越大，管道泄漏時(shí)泄漏點(diǎn)壓力衰減后達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越短，穩(wěn)定時(shí)壓力越小。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：當(dāng)輸氣壓力一定時(shí)，管道一旦發(fā)生泄漏，泄漏點(diǎn)氣體會(huì)受到泄漏點(diǎn)處的外界壓力的作用，其外界壓力越大，與管道內(nèi)壓力的壓差越小，泄漏點(diǎn)處壓力越快速趨于穩(wěn)定，并且壓力越小。

2.2 不同泄漏孔徑對(duì)泄漏點(diǎn)的影響

圖2 不同外界環(huán)境下泄漏點(diǎn)壓力變化Fig.2 Leakage point pressure changes in different external environments

為了探究在同一輸氣壓力和外界壓力條件下，不同泄漏孔徑對(duì)泄漏點(diǎn)壓力造成的影響，進(jìn)行了同一輸氣壓力下不同泄漏孔徑時(shí)的應(yīng)力變化模擬。輸氣壓力為7.5 MPa，泄漏點(diǎn)外界壓力為0.7 MPa，泄漏孔徑為10～110 mm共11組，海底管道壓力模擬結(jié)果如圖3所示。

從模擬結(jié)果可以看出，在相同輸氣壓力下，泄漏孔徑越大，泄漏點(diǎn)的壓降速率越大。同時(shí)當(dāng)管道泄漏孔徑d與管徑D之比(d /D)小于0.084 4時(shí)（泄漏孔徑小于30 mm），泄漏點(diǎn)壓力變化極小，且壓力很快重新穩(wěn)定到一個(gè)值，其泄漏不易被發(fā)現(xiàn)；當(dāng)d/D值在0.084 4～0.309之間時(shí)（泄漏孔徑在30～110 mm之間），泄漏點(diǎn)壓力會(huì)經(jīng)歷一段時(shí)間的衰減，然后穩(wěn)定到一個(gè)值；當(dāng)d/D值等于0.309時(shí)（泄漏孔徑等于110 mm），壓降過程發(fā)生上下波動(dòng)現(xiàn)象；當(dāng)d/D值在0.196 8（約0.2，泄漏孔徑等于70 mm）時(shí)，泄漏點(diǎn)壓力經(jīng)過衰減后達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間最長(zhǎng)[13]。

圖3 同一輸氣壓力下不同泄漏孔徑時(shí)的壓力變化Fig.3 Pressure change at different leakage apertures under the same gas delivery pressure

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，取輸氣壓力為5.0、6.0、6.5、7.0、8.0、8.5和9.0 MPa進(jìn)行相同泄漏孔徑的泄漏點(diǎn)壓力變化模擬，其穩(wěn)定所需時(shí)間如表1所示，從模擬結(jié)果和表1可以發(fā)現(xiàn)，上述結(jié)論成立。

表1 不同工況下泄漏點(diǎn)壓力衰減后達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間Tab.1 Time required for the leak point to stabilize after the pressure drop under different operating conditions

由此可以推斷出，當(dāng)管徑確定時(shí)，根據(jù)d/D的比值，可以確定壓力傳感器的最遠(yuǎn)安裝距離[14]。其方法如下：以d/D=0.2為臨界點(diǎn)，可計(jì)算出其臨界泄漏孔徑。確定輸氣壓力、管徑以及臨界泄漏孔徑后進(jìn)行泄漏工況模擬，得到開始泄漏到壓力穩(wěn)定所需時(shí)間差t與壓力速度v，計(jì)算出壓力從開始衰減到穩(wěn)定所經(jīng)過的距離X(X =vt)，X則是傳感器最遠(yuǎn)安裝間距，距離超過X則壓力穩(wěn)定，測(cè)不出有用數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

基于Pipeline studio模擬軟件對(duì)海底輸氣管道的泄漏進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，重點(diǎn)研究了不同外界壓力和不同泄漏孔徑以及不同輸氣壓力對(duì)泄漏點(diǎn)壓力變化的影響。

（1）當(dāng)輸氣壓力和泄漏孔徑一定時(shí)，泄漏點(diǎn)外界壓力越大，管道泄漏點(diǎn)壓力衰減后達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越短，穩(wěn)定時(shí)壓力越小。

（2）在相同輸氣壓力下，泄漏孔徑越大，泄漏點(diǎn)的壓降速率越大，但泄漏孔徑過大會(huì)造成泄漏點(diǎn)壓力無規(guī)則變化。同時(shí)泄漏孔徑與管徑的比值大小對(duì)泄漏點(diǎn)壓力衰減后達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間以及穩(wěn)定后的壓力具有重要影響。

（3）根據(jù)泄漏孔徑與管徑的比值可以大致確定壓力傳感器的最遠(yuǎn)安裝距離，這對(duì)提高海底管道檢測(cè)準(zhǔn)確度和降低檢測(cè)成本具有一定的借鑒意義。

（4）海底輸氣管道泄漏的壓力變化除了受到海底環(huán)境產(chǎn)生的背壓影響之外，還會(huì)受到海流、海水溫度以及海水鹽度的影響，其影響規(guī)律還有待于進(jìn)一步的研究。