天然氣管道水下泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)研究*

張亦翔 宋存永 朱建魯 李玉星 單衛(wèi)光

1山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

管道運(yùn)輸是油氣運(yùn)輸中最主要的方式，隨著海上油氣田開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步，海底管道已廣泛應(yīng)用于海上油氣田的開(kāi)發(fā)，但管道運(yùn)行中存在的拋錨、落物和腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)因素都可能引起管道泄漏。隨著水下裝置與管道數(shù)量的增加，潛在的失誤風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。水下管道氣體泄漏會(huì)對(duì)操作人員的生命安全、管道資產(chǎn)的完整性和第三方的利益構(gòu)成威脅，惡劣的自然條件和海上施工環(huán)境，對(duì)災(zāi)難性事故處理提出了越來(lái)越高的要求。為評(píng)估水下管道氣體泄漏的后果，制定有效的風(fēng)險(xiǎn)管理策略，有必要對(duì)氣體泄漏的影響因素進(jìn)行定性和定量研究[1-3]。

目前的研究主要由實(shí)驗(yàn)和CFD 模型進(jìn)行現(xiàn)象觀察和機(jī)理分析，而實(shí)驗(yàn)主要包括小尺度實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和中尺度的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩種規(guī)模。中型試驗(yàn)一般是在水深為7 m 和50 m 近海水域完成的，早在1960年國(guó)外學(xué)者[4-5]就開(kāi)始了對(duì)氣泡羽流的實(shí)驗(yàn)研究，初步建立了泄漏深度和泄漏速率與羽流擴(kuò)散半徑之間的關(guān)系，并提出了羽流擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)理論。但由于昂貴的成本和安全問(wèn)題，目前的研究主要集中在水深小于2 m 的容器中進(jìn)行。1991 年吳鳳林等[6]通過(guò)小尺度實(shí)驗(yàn)確定了三維氣泡羽流建立區(qū)的流動(dòng)形態(tài)；2001 年RENSEN 等[7]比較了氣泡羽流在不同水深中的上升過(guò)程；2009 年王兆芹等[8]對(duì)比了泄漏孔徑和管徑對(duì)泄漏壓力、溫度和泄漏速率的影響；2013 年王志剛等[9]研究了水下氣體泄漏的水深、孔徑和氣壓對(duì)于管道內(nèi)氣體流量和羽流直徑的影響；2015 年BESBES 等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了矩形泄漏口氣泡上升的過(guò)程；2017 年LEE 等[11]通過(guò)高速攝像技術(shù)研究了氣泡羽流在垂直方向上振蕩上升的過(guò)程。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在已有的實(shí)驗(yàn)中使用的氣體多為空氣、氮?dú)饣蚨趸嫉认鄬?duì)安全的實(shí)驗(yàn)氣體。但是實(shí)際的海底管道主要輸送的氣體為甲烷，純度在98%以上，由于甲烷在水中釋放過(guò)程中熱力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變，以及不同氣體密度的影響，導(dǎo)致在模擬氣體與真實(shí)的工況下會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)估的偏差和實(shí)驗(yàn)缺陷。并且相對(duì)于實(shí)際的管道破裂，泄漏口的形狀并不局限于圓形，大多為不規(guī)則形狀。

本文基于室內(nèi)風(fēng)洞，開(kāi)展了天然氣水下泄漏擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)研究。進(jìn)行了不同水深、孔徑和釋放壓力等工況下的泄漏試驗(yàn)，研究了釋放壓力和甲烷泄漏孔口流量的關(guān)系，記錄了氣泡羽流的上升過(guò)程和氣泡羽流的直徑，為降低水下天然氣管道泄漏危害提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

水下管道氣體泄漏試驗(yàn)裝置如圖1 所示，水箱由透明有機(jī)玻璃板粘接而成，尺寸（長(zhǎng)、寬、高）為1 000 mm×500 mm×500 mm，壁厚為15 mm，四周由金屬框架固定，水箱上端面完全開(kāi)放，布置在小型直流風(fēng)洞內(nèi)部，試驗(yàn)時(shí)方便危險(xiǎn)氣體的排放。泄漏管為Φ20 mm×1.5 mm 的不銹鋼管，水平深入水箱不同位置處，模擬不同水深環(huán)境的泄漏工況，泄漏口位于圓管中心，孔尺寸分別為φ 3 mm、3.5 mm×2 mm 和7 mm×1 mm，垂直向上噴射氣體。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

試驗(yàn)氣體為高純甲烷，依次連接壓力表、減壓閥、空氣流量計(jì)，連接管路為紅色橡膠軟管，方便移動(dòng)和連接不同裝置。在泄漏管與軟管之間連接有止回閥，防止液體的回流。泄漏流量由浮子流量計(jì)通過(guò)閥門(mén)控制，滿足試驗(yàn)條件下對(duì)不同流量的需求，其中浮子流量計(jì)測(cè)量的氣體流量以空氣進(jìn)行標(biāo)定，所以將空氣的流量轉(zhuǎn)換為實(shí)際的甲烷流量，換算公式如下

式中：q0、q1分別為空氣和甲烷的流量，m3/h；ρ0、ρ1分別為空氣和甲熔在工程標(biāo)準(zhǔn)狀況（20 ℃、101.325 kPa）下的密 度，1.205 kg/m3和0.66 kg/m3；p0為空氣在工程標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對(duì)壓力，Pa；p1為甲烷在工作狀態(tài)下的絕對(duì)壓力，Pa；T0為空氣在工程標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對(duì)溫度，K；T1為甲烷在工作狀態(tài)下的絕對(duì)溫度，K。

假定泄漏口處氣流的壓力p1等于周圍環(huán)境流體的壓力p0,于是有

假定氣體在水中是以等溫過(guò)程膨脹，于是噴嘴出口處氣體的流量Q0為

式中：Q0和Qa分別為泄漏口處的氣體流量和空氣流量，m3/h；pa為標(biāo)況下的大氣壓，MPa；γ為常數(shù)9 800 kg/m2s2；h為不同高度的水深，m；

試驗(yàn)過(guò)程由一臺(tái)高速攝像機(jī)進(jìn)行記錄，高速攝像機(jī)放置在水箱正前方，最大拍攝速度為3 000幀/s，通過(guò)連續(xù)拍攝捕捉泄漏過(guò)程中氣泡羽流的上升過(guò)程。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和水溫分別為（14±1）℃和（10±0.5）℃，相對(duì)濕度50%，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

1.2 不確定性分析

試驗(yàn)中采用的各種儀表的參數(shù)見(jiàn)表2。每次試驗(yàn)的條件保持一致，每組試驗(yàn)工況重復(fù)三次。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Test conditions

表2 試驗(yàn)儀表參數(shù)Tab.2 Parameters of test instrument

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 甲烷水下泄漏圖像分析

圖2～圖4 對(duì)比了壓力范圍0.02～0.08 MPa 和0.95 m 水深處，泄漏孔尺寸為φ3 mm、3.5 mm×2 mm、7 mm×1 mm 時(shí)不同氣泡羽流形態(tài)特征。對(duì)于三種不同泄漏孔徑的管道，試驗(yàn)從較小的壓力0.02 MPa 開(kāi)始，逐漸增加壓力直到接近流量計(jì)的最大量程上限。從試驗(yàn)圖像中觀察表明，初始?jí)毫^小時(shí)，在出口處形成單一的氣泡，大小相似的氣泡以相對(duì)穩(wěn)定的頻率從泄漏孔中連續(xù)上升。隨著管內(nèi)的泄漏壓力增加，形成的氣泡開(kāi)始周期性破裂，分散成小氣泡群，沿羽流軸線方向垂直上升。在接近水箱出口時(shí)，破碎成無(wú)數(shù)的小氣泡涌出水面。通過(guò)對(duì)泄漏口處的氣泡放大可以看出，不同形狀的泄漏口會(huì)影響出口形成氣泡的大小。

圖2 水深95 cm 時(shí)孔尺寸Φ3 mm 的氣泡羽流Fig.2 Bubble plume of aperture of Φ3 mm at the depth of 95 cm

圖3 水深95 cm 時(shí)孔尺寸7 mm×1 mm 的氣泡羽流Fig.3 Bubble plume of pore size of 7 mm×1 mm at the depth of 95 cm

圖4 水深95 cm 時(shí)孔尺寸3.5 mm×2 mm 的氣泡羽流Fig.4 Bubble plume of pore size of 3.5 mm×2 mm at the depth of 95 cm

2.2 甲烷流量隨泄漏壓力的變化

針對(duì)在相同水深處泄漏口徑不同工況下，分析甲烷流量和羽流直徑隨泄漏壓力的變化規(guī)律（圖5）。從圖5 可以看出，在三種泄漏口徑下甲烷流量均隨著泄漏壓力的增加而增加。在孔徑為3 mm時(shí)，在相同泄漏壓力下，水深越大甲烷流量越小，即在出口處形成了較大的背壓，阻擋了在出口處甲烷的流量。

2.3 羽流直徑隨泄漏深度的變化

在每組試驗(yàn)中測(cè)量了氣體涌出水面時(shí)羽流的擴(kuò)展半徑。在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量了不同工況下甲烷氣體到達(dá)水面的羽流直徑（圖6）。從圖6 可以看出，在三種泄漏口徑下，羽流直徑均隨著泄漏壓力的增加而增加。在孔徑為3 mm 時(shí)，相同壓力下，羽流直徑隨著水深的增加而逐漸增加。

圖5 三種孔徑下甲烷流量隨泄漏壓力的變化Fig.5 Change of methane flow rate with leakage pressure with three kinds of apertures

圖6 三種孔徑下羽流直徑隨泄漏壓力的變化Fig.6 Change of plume diameter with leakage pressure with three kinds of apertures

2.4 甲烷流量和羽流直徑隨泄漏孔形狀的變化

圖7 對(duì)比了三種不同泄漏口形狀對(duì)甲烷流量和羽流直徑的影響。從圖7 可以看出，在三種水深條件下及相同壓力下，圓形泄漏口的流量最大，其次為7 mm×1 mm 矩形泄漏口，3.5 mm×2 mm 的矩形泄漏口流量最小；并且隨著水深增加，三種泄漏口流量差距逐漸增大，說(shuō)明了不同形狀泄漏口對(duì)出口流量有一定的影響。

測(cè)量了不同水深條件下羽流直徑的變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8 可以看出，在相同水深和壓力條件下，矩形泄漏口7 mm×1 mm 的羽流直徑最大，其次是圓形泄漏口，3.5 mm×2 mm 泄漏口的羽流直徑最小，說(shuō)明泄漏口的橫截面積較大，會(huì)增加到達(dá)水面的羽流直徑。在水深為38 cm 時(shí)，隨著泄漏壓力的增加，羽流直徑在達(dá)到最大值后逐漸趨于平穩(wěn)，水深較大時(shí)，羽流直徑隨壓力增加而逐漸增加。

3 結(jié)論

通過(guò)在風(fēng)洞中開(kāi)展不同工況下甲烷水下泄漏的試驗(yàn)，研究了不同釋放壓力、不同泄漏口徑和釋放水深對(duì)甲烷流量和羽流上升直徑的影響，得出結(jié)論如下：

圖7 甲烷流量隨泄漏口形狀的變化Fig.7 Change of methane flow rate with leakage outlet shape

圖8 羽流直徑隨泄漏口形狀的變化Fig.8 Change of plume diameter with leakage outlet shape

（1）在三種泄漏口徑下，甲烷泄漏流量和羽流直徑均隨著泄漏壓力的增加而增加；同一種孔徑在相同壓力下，甲烷泄漏流量隨著水深的增加而減小，羽流直徑隨水深的增加而逐漸增加。

（2）在相同水深和泄漏壓力條件下，泄漏口流量大小的口徑依次為φ3 mm、7 mm×1 mm、3.5 mm×2 mm，而羽流直徑大小的口徑依次為7 mm×1 mm、φ3 mm、3.5 mm×2 mm。