既有腐蚀天然气管道泄漏安全评估与数值模拟

　　摘 要：既有腐蚀的天然气管道会因腐蚀导致自身强度逐渐减少，并发生气体的泄露。 使用 FLUENT 软件研究了既有腐蚀管道的腐蚀情况，并对不同管道弯曲度、管内气体运行速度和管径对管道中心压力的影响进行了数值模拟分析，用于评价其安全性。 研究发现：多种因素会影响管道安全性，管道内气体运行速度增加，管道安全性会下降。 另一方面，增加管径则会增加安全性。 对比不同弯折情况的管道的模拟结果，发现管道在不弯折情况下安全度最高，随着弯折程度增加，安全性会减少。

　　本文源自山西建筑2021-02-01《山西建筑》(旬刊)创刊于1975年，由山西省住房和城乡建设厅主管，山西省建筑科学研究院主办，面向国内外公开发行，是山西省建设行业唯一的一份国家级刊物，山西省一级期刊。杂志社设有编辑部、广告部、发行部和排版中心，共有采编40余人，主编1人，副主编3人，责任编辑6人，编辑30余人。

　　关键词：FLUENT 数值模拟，既有腐蚀管道，安全性评估，泄漏

　　实际工程的天然气在管道运输中，天然气会长期与管道内壁接触。 由于运输中的天然气包含诸如水，H2 S，CO2对钢结构的管道有腐蚀作用。 同时在气体运输中，管道自身也会因温度、运输速度、压力等实际因素，在管道内壁发生腐蚀。 管道经过长期使用后，腐蚀性物质在穿过腐蚀层后，会影响管道钢结构整体的性质，使其自身强度降低，最终导致管道泄漏。 因为管道腐蚀引起的泄漏，爆炸事故难以被发现也难以控制，会造成较大的人员和财产损失，所以对管道的安全性研究是很有必要的[1]。

　　一些学者[2⁃4]通过计算机模拟，研究了不同环境条件、多种影响因素的天然气泄露情况的扩散规律。 孙英杰等[5]研究了地下岩石环境中天然气的扩散模型，同时研究了不同地层时，天然气发生泄露时气体的扩散规律。 唐保金等[6，7]分析了天然气的扩散机理，并结合泄露模型，分析了天然气在岩土环境下的扩散规律。 谢昱姝[8]研究了管道发生泄漏时，气体的扩散性质。 晏玉婷等[9] 对土壤建立了模型，使用 FLUENT 软件模拟了气体的扩散规律和土中浓度分布，也研究了泄露时的危险区域的范围。

　　目前对管道泄漏的研究有很多，其中气体的扩散研究多采用模拟方法。 其模拟计算方法主要包括 2 种：一种是利用计算流体力学软件[3，10，11] 进行数值模拟;另一种是建立数学模型进行研究。 本文选择了第一种方法，使用 FLU⁃ ENT 对既有腐蚀天然气管道进行数值模拟研究。

　　1 天然气管道内壁腐蚀特征与腐蚀等级

　　1. 1 天然气管道内壁腐蚀特征

　　天然气管道在水蒸气、H2 S，CO2 ，氯离子等腐蚀性物质的作用下，导致管道钢材内壁组织腐蚀脱落，内壁变薄，钢结构强度降低，引起水蒸气腐蚀、硫化氢腐蚀及应力腐蚀，使管道发生泄漏。 天然气管道内壁腐蚀特征如图 1，图 2所示。

　　管道内壁腐蚀的影响因素有腐蚀区域深度、腐蚀区域的纵向尺寸和环向尺寸。

　　1. 2 天然气管道内壁腐蚀等级

　　对于天然气管道腐蚀等级的评价并没有明确的规范，本文采用 SY/ T 0087. 1—2006 钢制管道及储罐腐蚀评价标准 + 埋地钢质管道内腐蚀直接评价，确定出管道内壁腐蚀评价表，如表 1 所示。

　　本次模拟，预设使用 DN500 钢管，管壁厚度为 3 cm，管壁平均腐蚀深度设为 6 mm。 建模设置中，腐蚀形式假设为环形腐 蚀， 深 度、 长 度、 宽 度 规 格 分 别 为 6 mm， 12 cm，12 cm。

　　2 数值模拟的影响因素

　　2. 1 气体流速

　　CJJ 63—2016 聚乙烯燃气管道工程技术规程，允许气体流速为 5 m/ s;目前我国开始大量使用天然气，其杂质含量减少很多，参考相应的天然气使用较多的国外经验，本文将天然气流速设为 20 m/ s。 同时选取了 14 m/ s，16 m/ s，18 m/ s，20 m/ s 几种气体流速进行研究。

　　2. 2 管道弯折半径

　　参考 GB 50028—2006 城市燃气设计规范，管内压力低于 1. 6 MPa 的工程，制作管道的弯头，曲率半径可为 1. 5d，即为 1. 5 × 500 mm = 750 mm。

　　2. 3 管道直径

　　本文选择模拟了 DN500 ～ DN350 之间的钢结构管道，这些管道的壁厚差距并不大，故模拟时设定的管壁厚度为30 mm。

　　3 数值模拟计算结果及分析

　　3. 1 不同弯折度时的模拟研究

　　通过模拟，取值点设置为管壁底部的中点，管道弯折度由 0°到 90°，各个取值点对应压强数值为 8. 68 Pa，22. 10 Pa，24. 63 Pa，27. 41 Pa，28. 82 Pa，由此得到关闭弯折度与抗压强度值关系图，如图 3 所示。

　　由图 3 可知：

　　1)随着管道弯折度的增加，管壁中点处抗压强度也会增加，弯折度为 0°时抗压强度最小。

　　2)随着管道的弯折度增加，斜率趋于放缓，中间点压强值增加的量在减少。

　　3)安全性方面，未经弯折的管道更为安全。

　　3. 2 不同运行速度时的模拟研究

　　通过模拟，得到不同运行速度下管壁腐蚀位置的压强值，其中管道在运行速度为 14 m/ s，16 m/ s，18 m/ s，20 m/ s时，其 计 算 得 到 的 压 强 值 分 别 是 18. 12 Pa， 21. 66 Pa，29. 65 Pa，33. 76 Pa，由此得到不同运行速度时的压强值如图 4 所示。

　　由图 4 可知：

　　1)已发生腐蚀的管道，被腐蚀区域的压强值最大。

　　2)运行速度增加，管壁中心处压强值也会增加，此时管道整体的安全性会减小。

　　3. 3 不同管径下的模拟研究

　　经过模拟，分析管道的抗压情况。 管道直径分别选择DN350 ～ DN500 之间 4 种管径，得到对应的压强值分别为25. 16 Pa，21. 60 Pa，14. 66 Pa，10. 60 Pa，由此做出不同管道直径下的压强值如图 5 所示。

　　由图 5 可知：

　　1)气体运行速度相同，管径越大，管道腐蚀处的抗压强度越小。

　　2)气体运送速度相同时，管径增加，管道整体安全性也会增加。

　　4 结语

　　本文使用 FLUENT 软件数值模拟，对气体运输管道进行了模拟研究，得到了管道安全性方面的一些发现[13]。

　　1)对于有弯折度的管道，随着弯折度增加，管道弯折处下部所受压强也会逐渐增加，其安全性会降低。 因此，选择直线型管道安全性最好。

　　2)已发生腐蚀的管道，气体运行速度的增加，会增大腐蚀位置所受的压强。 已腐蚀管道不适合继续增加运行速度，因为其管道的安全性有所降低。

　　3)管道出现腐蚀情况后，当管径增加，气体的腐蚀性效果在减小。 可以说，选择管道时，管径越大，其使用过程中安全性就越好。