海底天然氣管道復產過程中氮氣運移擴散的數值研究

高書鵬 盧 進 蔡永橋

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452 2、中海石油技術檢測有限公司，天津 300452）

海底管道在油氣輸送方面扮演著至關重要的角色，管道建造與維修成本較高，因此確保海底管道在役期間的運行安全十分重要[1]。在實際生產過程中，由于管材腐蝕、海床沖刷、機械破壞等因素的影響，海底管道可能發生穿孔、裂縫以及斷裂等導致海底管道發生泄漏事故。

對于大面積腐蝕、破裂導致的泄漏而言，需要及時對泄漏點處的管段或閥組進行更換維修。在更換維修過程中需要向管段內注入氮氣用以置換海水和推動封堵球。管道恢復正常輸氣后，通過氣體間的直接接觸，氮氣將隨著天然氣的流動而運移擴散。然而該部分氮氣在管道中隨天然氣流動，可能會造成海底管道終端銷售氣中氮氣含量超標，影響用氣設備的運行。為確定復產后管線內封堵用氮氣是否會影響下游用戶的正常使用，有必要對天然氣輸送過程中氮氣段在管段內運移擴散情況進行了數值模擬研究。

1 數值計算模型建立

以某實際海底管道為背景，泄漏點距離管道終端278 km，即復產時氮氣段需要運移278 km 后抵達管道終端。為簡化計算，采用SolidWorks 軟件建立了長5 km 的28 吋海底天然氣管道物理模型，用ICEM CFD 軟件進行了網格劃分，最后利用Fluent 對氮氣瞬態運動及擴散情況進行數值計算。模擬5.65 MPa 下35 m 長的氮氣段在天然氣管道復產后運移至管段1 km、2 km、3 km、4 km 以及5 km 處時氮氣在管段軸向及管段各截面處分布情況，從而判斷管道內氮氣的存在是否會影響管道終端下游用戶的正常用氣。

2 模擬結果與討論

2.1 管段軸向氮氣分布情況

在天然氣的推動下，氮氣段運移至管段1 km、2 km、3 km、4 km 以及5 km 處時氮氣在管段的三維軸向分布情況如圖1所示。

圖1 氮氣運移至管段不同位置時三維軸向分布情況（從左到右依次為1km、2km、3km、4km、5km）

氮氣運移至管段1 km、2 km、3 km、4 km 以及5 km 處時氮氣在管段的軸向中間剖面氮氣分布情況如圖2 所示。

圖2 氮氣運移至管段不同位置時中間剖面氮氣分布情況（從左到右依次為1km、2km、3km、4km、5km）

由圖1 和圖2 可知，在海底天然氣管道水平段中，隨著氮氣段的向前運移，氮氣逐漸擴散，混氣段長度越來越長，當氮氣運移至管段5 km 處時含氮氣體段的長度已由原來35 m 增加至830 m。分析認為，隨著管道復產的進行，正常輸氣時間越長，氮氣的運行距離越遠，氮氣與天然氣的混合越充分，混氣段越長，每一個體積分數的氣體擴散范圍變得越來越廣，宏觀上表現為混氣段長度的不斷變長。擬合得到混氣段長度與氮氣運行距離的關系式, 從而推斷當氮氣段運移278 km 到達管道終端時，混氣段長度將增加至1686.90 m。

2.2 管段橫截面徑向氮氣分布情況

根據海底天然氣管道終端對天然氣質量的要求，天然氣中含氮量不超過3.0 mol%，可以認為其摩爾濃度與體積濃度相同，因此在模擬計算過程中不再進行區分。對氮氣運移至不同位置時各截面處氮氣濃度分布進行了分析。圖3 中分別列出了氮氣運移到1km 時混氣段首、尾截面以及含氮量最高截面處氮氣濃度分布情況。以天然氣輸送方向為正方向，圖中（1）為尾截面、（2）為含氮量最高截面、（3）為首截面。

圖3 管段1km 處徑向氮氣分布情況

分別模擬計算1km、2km、3km、4km和5km 處的管段橫截面徑向氮氣分布情況，根據計算結果可知，尾截面內區域氮氣最高濃度由0.723 km 處的30%降低至4.17 km 處的10%，且含氮區域面積迅速減少，氮氣運移5 km 時混氣段尾截面的含氮區域面積占比僅為2.37%；首截面內含氮區域面積迅速減少，氮氣運移5 km 時混氣段首截面的含氮區域面積占比接近0。為進一步確定混氣段抵達終端時是否會出現含氮量超標（即截面氮氣平均濃度大于3.0%）的情況，對云圖中含氮量最高截面的氮氣濃度分布情況進行了統計，結果如表1 所示。

表1 含氮量最高截面氮氣濃度分布情況

由表1 可知，隨著氮氣段向前移動，使得各截面處氮氣含量下降，混氣段內氮氣濃度不斷降低。在含氮量最高截面內，區域最高濃度從1 km 處的100%下降至5 km 處的90%，最高濃度區域所占面積從1 km 處的12.5%下降至5 km 處的0.3%；含氮氣區域面積占比從1 km 處的50%下降至5 km 處的25%。其中，氮氣運移至管段不同位置時混氣段內含氮量最高截面的平均氮氣濃度如圖4 所示。

圖4 含氮量最高截面平均氮氣濃度變化示意圖

由圖4 可知，隨著氮氣運移距離的增加，混氣段內含氮量最高截面的平均氮氣濃度逐漸降低，但降低幅度有逐漸減緩的趨勢。通過對圖中曲線進行擬合得到混氣段長度與氮氣運行距離的關系式推斷當氮氣運移7.52 km 時，混氣段內含氮量最高截面的平均氮氣濃度降低至3%，而隨著氮氣的運移氮氣的濃度將進一步降低，因此判斷當氮氣運移278 km 抵達管道終端時，混氣段內含氮量最高截面的平均氮氣濃度一定小于3%，終端接收的天然氣不會出現含氮量超標情況。因此，當氮氣段運移至278 km 處時可以充分擴散，現有氮氣段的存在不會影響管道終端下游用戶的正常用氣。

3 結論

針對恢復正常輸氣時的天然氣海底管道管道，通過對管道維修時滯留氮氣被復產天然氣置換的過程進行數值模擬，得到了氮氣運移至不同管段處時氮氣段的特性規律。

3.1 FLUENT 軟件中組分輸運模型可以作為海底天然氣管道中氮氣運移擴散的計算模型，模擬管道運行過程中天然氣與氮氣的混合規律。

3.2 結合模擬結果判斷，當氮氣運移278 km 抵達管道終端時混氣段內各截面的平均氮氣濃度小于3%，終端不會出現天然氣含氮量超標情況，現有氮氣段的存在不會影響海底管道終端下游用戶的正常用氣。