高壓工業管道焊縫泄漏信號數值模擬

作者簡介：陳有強（1985-），工程師，從事承壓類特種設備定期檢驗工作，chenyouqiang1985@yeah.net。

引用本文：陳有強.高壓工業管道焊縫泄漏信號數值模擬[J].化工機械，2024，51（2）：223-228.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402009

摘 要 高壓工業管道焊縫泄漏信號高精度數值模擬可幫助后期相關信號傳感器的設計與研究，保障工業現場安全。分別建立泄漏過程中物質質量、動量和能量守恒方程，通過湍動能和耗散率描述風場環境，分析壁面粗糙程度，利用湍流方程描述湍流形成過程，建立焊縫泄漏模型;將上述模型耦合到FLUENT軟件中，確立模擬區域，合理劃分線網格與面網格，針對風速入口、泄漏入口、出口和地表設定邊界條件，提高模擬結果的合理性。將天然氣高壓工業管道作為模擬對象，模擬結果顯示，泄漏位置的泄漏速度越快，湍流擴散范圍越大;距離泄漏點越近的地方，泄漏物質濃度越高，模擬結果和實測結果的誤差越小，模擬方法能為泄漏事故解決措施提供合理依據。

關鍵詞 高壓工業管道 管道焊縫 泄漏信號 數值模擬 FLUENT軟件

中圖分類號 TQ055.8+1" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）02?0223?06

高壓工業管道屬于一種輸送設備，在電力、天然氣等行業應用較多，主要輸送氣體與液體，輸送的介質通常具有易燃、易爆及強腐蝕等特征，一旦發生泄漏，將會導致嚴重的經濟損失甚至造成人員傷亡。焊接是管道建設中至關重要的一環，其質量直接關系到管道的安全性。然而，焊接質量可能會受到多種因素的影響，例如施工情況、環境等因素，對焊縫造成不良影響，導致出現氣孔、焊瘤等問題，另外，管道長時間使用也會生成裂紋。這些結構缺陷很容易導致管道內的物質發生泄漏。因此，為了能在事故發生后給出合理的補救措施，避免危險物質擴散造成的危害是十分必要的。

文獻[1]利用FLACS軟件對研究區域建模，分析不同風速、不同泄漏速度下泄漏物質的濃度、速度隨時間的變化規律。文獻[2]使用ALOHA軟件和多元回歸預測方法構建管道泄漏模型，將天然氣管道作為研究目標，以風速、大氣穩定性、管道壓力和焊縫缺陷類型為自變量因素;通過構建的模型模擬出泄漏范圍和濃度變化情況。軟件模擬在工業管道焊縫泄漏信號模擬中表現出良好的性能。為獲得更加精確的模擬結果，進一步改善事故補救措施的合理性，筆者設計了一種新的高壓工業管道焊縫泄漏信號數值模擬方法。

1 高壓工業管道焊縫泄漏擴散模型設計

管道焊縫氣體泄漏擴散湍流信號主要受守恒規則、環境風場、壁面粗糙程度的影響，需要建立數學模型分析。而擴散湍流的最后結果還需要分析湍流形成過程、泄漏速度與濃度特征。

1.1 守恒方程設計

泄漏擴散湍流主要遵循質量、動量和能量守恒規律[3，4]，為此進行模擬研究。

利用下述公式描述質量守恒過程：

+++=0（1）

其中，ρ代表密度，t為泄漏時間，a、a和a描述x、y和z方向上的泄漏速度矢量，?屬于導數符號。

在動量守恒過程中，遵循如下公式：

τ=μ

+-μδ（2）

其中，τ代表在分子黏性影響下微元體表面產生的黏性應力分量，a與a代表不同方向上的泄漏速度，μ屬于動力黏度，x與x是不同方向上的質量力，δ屬于克羅內克符號，如果i=j，則δ=1;若i≠j，則δ=0。

能量守恒過程描述如下：

+▽（ρE+ρ）=▽·[k▽T-h+（k+J）]+S（3）

其中，E代表流體的總能量，h是分組j′的焓，J代表分組j′的擴散能量，k為熱傳導系數，T為時間常數，S描述化學反應過程中的體積熱源項。

管道泄漏除了要滿足上述守恒方程外，還需符合如下組分守恒要求[5]：

其中，c代表分組j′的體積分數，D屬于分組j′的擴散系數，S表示一段時間內泄漏物質的體積經過一系列化學反應后j′分組的質量分數，即生產率。

1.2 泄漏環境風場環境建模

在泄漏事故中，風速是至關重要的影響因素之一。風速的大小會直接影響泄漏物質湍流的擴散范圍，進而影響泄漏物質在環境中的分布。因此，對于泄漏事故的應急處置過程，需要及時對風速進行監測，掌握并判斷當時的風場情況[6]。利用下述公式模擬風場環境：

u=u

（5）

其中，u代表z方向的風速，ur為高度zr處的風速值，λ屬于剪切指數，與大氣穩定性相關。相關研究顯示，湍流整個走向會受到初始湍流值的影響，為了確保流域中的湍動能始終平衡，需要計算風速入口處的湍動能k和耗散率ε[7]，計算公式分別如下：

k=10a（6）

ε=10a" " " " "（7）

其中，a代表流場速度。

1.3 壁面粗糙程度模擬

壁面粗糙度是影響湍流擴散的另一個因

素[8]，包括粗糙度K與粗糙常數C兩部分，其中，若K=0，則說明壁面光滑。針對砂礫表面而言，粗糙度就是砂礫高度;C通常取值為0.5，如果是較為均勻的砂礫表面，則無需調節此值，但對于不均勻的表面而言，C的取值范圍通常在[0.5，1]。

K和C之間的關系通過下述公式描述：

K=（8）

式中 Z——砂礫高度。

1.4 湍流模型設計

湍流現象較為復雜，若通過直接進行模擬會導致計算量過大，所以建立湍流模型表示湍流形成過程[9]?，F階段，湍流方程種類較多，為了達到良好的描述效果，選用k?ε方程描述湍流[10]。具體表達式如下：

+=

μ

+

+G+G（9）

+=

μ

+

+G+S（10）

其中，μ是湍流黏性，G表示速度梯度形成的湍動能，G代表浮力作用下形成的湍動能，σ和σ代表湍流Prandtl數，S屬于自定義項。

1.5 泄漏速度與濃度特征計算

高壓工業管道的泄漏氣體湍流規模通常與泄漏速度有關[11]。氣體泄漏速度V的計算式為：

V=（11）

其中，k′屬于等熵指數，R為介質常數，T′是焊縫處的溫度，p和p分別表示環境壓力和物質泄漏前的壓力。

通過流動系數?修正公式（11），修正后的泄漏速度表達式如下：

V=?（12）

其中，流動系數?的取值通常在0.97～0.98之間。

引入泄漏系數C后，即可獲得泄漏氣體的濃度Q的表達式為：

Q=γCA?（13）

其中，A是焊縫面積，γ是泄漏速度系數，當沒有到達臨界狀態時，gt;

，這時γ的計算公式為：

γ=（14）

當處于臨界狀態時，≤

，此時γ的表達式為：

γ=（15）

上述構建的泄漏模型需要軟件的支持才能完成數值模擬[12]，將上述所有模型耦合到FLUENT軟件中，通過如下過程獲得模擬結果。

2 基于FLUENT軟件的泄漏信號數值模擬過程分析

2.1 物理模型選擇

在計算得到上文模型和參數的基礎上，為了模擬管道泄漏數值變化，而并不是在受限空間中求取速度與濃度的解，選擇FLUENT軟件的二維物理模型模擬泄漏數值變化規律。此模型需要在合適的位置上設置通風出口與進口，由于焊縫泄漏屬于微量泄漏，流出的物質質量不會太大。因此，在該軟件中將模擬區域定義為二維正方形，由管道、泄漏口和開放區域共同構成[13]，焊縫位于管道上方。物理模型結構如圖1所示。

2.2 網格劃分

網格劃分是否合理決定了模擬效果，網格太過稀疏或緊密都會影響數值模擬結果。在距離泄漏點較近的地方，流場變化較大，選用較為緊密的網格;而在距離泄漏點較遠的位置，壓力梯度減小，網格相對稀疏[14]。

通常，焊縫泄漏處的面積會小于0.01 m2，這時網格劃分為如下兩步：

a. 線網格分割。根據泄漏口進行等間距分割，間距型號為0.005，風速入口、出口等也等間距分割。

b. 面網格分割。間距類型為Interval size，大小選擇0.4。劃分后的網格模型如圖2所示。

2.3 邊界條件設定

在利用FLUENT軟件進行數值模擬時，需要設置明確的計算邊界條件，若邊界條件不清晰，會造成計算結果收斂性差，影響模擬精度[15]。

通過建立的物理模型可知，邊界條件包括如下多個方面：

a. 風速入口。即速度入口，和泄漏入口存在于同一個平面中。風速和泄漏方向一致，有助于泄漏范圍的擴大，是一種危險邊界條件。

b. 泄漏入口。即流量入口，此入口尺寸通過擴散源直徑計算得出。假設管道壓力在10 MPa左右，管道直徑為1 210 mm，則入口直徑大約為5.289 m。當泄漏組分壓力和大氣壓力相等時，流量入口的壓力等于零。

c. 出口邊界。此條件適用于無法預知出口流動參數的情況，且需要確保流場區域較大。

d. 地表邊界。在FLUENT軟件中，地表邊界可以表示地面粗糙程度。

3 模擬結果分析

現階段，天然氣開發速度加快，管道傳輸的距離不斷增加，事故風險也隨之提高。因此，將天然氣管道焊縫泄漏信號作為數值模擬對象，對降低事故損失意義重大。天然氣中的危險成分包括甲烷、硫化氫等，其中，甲烷氣體本身并沒有毒性，但是如果空氣中的甲烷超標，會導致生物供氧不足，甚至出現虛弱眩暈的情況。另外，甲烷在與空氣結合后，遇到明火會爆炸。硫化氫是一種有毒的氣體，容易與各類液體相溶，一旦人體吸入超標，會發生急性中毒。兩種物質的具體參數見表1。

表1 天然氣物質成分參數表

[物理量 甲烷 硫化氫 密度/kg·m-3 0.66 1.41 定壓比熱容/J·（kg·K）-1 2 237.2 1 011.5 絕熱指數 1.31 1.33 動力黏度/Pa·s 1.11 1.77 運動黏度/m2·s-1 16.84 8.35 熱傳導系數/W·（m·K）-1 0.03 0.02 摩爾質量/kg·mol-1 16.04 34.08 ]

目標管道的直徑大小為650 mm，模擬段的長度是7 km，起點和終點壓力分別為4.8、2.3 MPa，該管道的年平均輸送量為16×107 m3。外界最高溫度與最低溫度分別在38 ℃和-8 ℃左右。管道焊縫泄漏的詳情如圖3所示。

在數值模擬之前，需要檢測是否存在泄漏，檢測系統的整體結構如圖4所示。該系統在氣體泄漏時能夠快速定位到泄漏位置，同時驗證模擬數值是否準確。

3.1 速度場分布模擬結果

在標準狀態下，與泄漏點的距離不同，泄漏速度也存在差異。利用所提方法對60 s內速度場的泄漏信號進行數值模擬，得到的結果如圖5所示。

如圖5所示，在相同時間內，隨著泄漏速度的增加，天然氣向上流動，擴散區域越來越大;泄漏速度越大，氣體湍流與泄漏點中心處離得越遠。主要因為天然氣中甲烷的密度低于空氣密度，當氣體從焊縫缺陷處流出到空氣中時，在空氣浮力影響下不斷抬升。在天然氣泄漏的湍流中能量傳遞是逐級進行的，通常情況下尺度較大的漩渦將能量傳輸到比其小的漩渦中。在近地面處，氣流場為錐形，氣體向上流動的速度較大，且與附近的其他介質相互作用，向空氣中擴散，在天然氣和大氣的分界處會生成漩渦，距離泄漏焊縫越遠，漩渦越稀疏。

3.2 濃度場分布模擬結果

模擬天然氣濃度場分布情況，獲得物質泄漏后的危險區域，尤其是有毒氣體泄漏后會產生云團，籠罩的空間較大，危害的范圍也更廣。

焊縫缺陷類型不同，濃度場分布情況也會存在差異，分別在氣孔和裂紋缺陷下模擬200 s和400 s時的濃度數值，模擬結果如圖6、7所示。

觀察不同焊縫缺陷下的天然氣濃度曲線可知，裂紋缺陷泄漏的天然氣濃度整體高于氣孔缺陷;距離泄漏點越近，濃度越高，模擬結果和實測結果越接近。測試點與泄漏點距離越遠，模擬誤差越大，但是也在誤差允許范圍內。這些誤差存在的因素包括如下幾點：實驗設備具有一定延遲性，實測獲得的數據通常較晚，且設備量程也影響測試精度;外界環境因素與實驗人員來回走動會引起氣流變化。

4 結束語

高壓工業管道在工業生產中扮演著不可或缺的角色，然而其安全性問題不容忽視，而焊縫會增加管道安全風險，為此，提出管道焊縫泄漏信號數值模擬研究。建立管道泄漏模型，將該模型引入到FLUENT軟件中，通過網格設置、邊界條件確定等過程實現數值模擬。將天然氣管道作為模擬對象。模擬結果表明，泄漏速度越快，泄漏湍流擴散范圍越大。裂紋缺陷比氣孔缺陷的泄漏濃度要高，且與泄漏點越近，模擬結果越準確。未來研究中，可綜合考慮地形、溫度等環境因素對泄漏分布的影響，進一步提高模擬結果精度。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-03-29，修回日期：2024-03-15）

Numerical Simulation of Weld Leakage Signal in High

Pressure Industrial Pipelines

CHEN You?qiang

（Special Equipment Inspection Institute， Qinghai Oilfield Supervision Company）

Abstract" "High?precision numerical simulation of weld leakage signal of high?pressure industrial pipelines can help both design and research of related signal sensors in the later stage， and ensure the safety of industrial site. Through establishing conservation equations of mass， momentum and energy in the leakage process respectively， making use of the turbulent kinetic energy and dissipation rate and the roughness of the wall to describe wind field environment and analyze roughness of the wall， as well as describe turbulent formation process， the weld leakage model was established. In addition， the above model was coupled to FLUENT software and the simulation area was established， including reasonably dividing both line grid and surface grid， setting boundary conditions for the wind speed inlet， leakage inlet， outlet and the surface to improve rationality of the simulation results. Simulating the high?pressure industrial pipeline of natural gas shows that， when the leakage speed at leakage location becomes faster and the scope of turbulent diffusion is larger，the leakage material’s concentration at the site closer to the leakage point becomes higher， and the error between simulation results and measured results is smaller. This simulation method can provide a reasonable basis for solving leakage accidents.

Key words" " high?pressure industrial pipeline， pipe welds， leakage signal， numerical simulation， FLUENT software