既有腐蝕天然氣管道泄漏安全評估與數值模擬

姜洪峰 高利平 楊 津

(內蒙古工業大學土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

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，H2S,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FLUENT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、H2S，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。

表1 管道腐蝕評價表

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。

4.高溫高濕是本病的一個重要誘因，因此，夏天霉雨季節(4～8月)應對10～15日齡雛雞進行藥物預防，以免暴發本病。

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。

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。