壓力管道的泄露模式及其特征

壓力管道泄漏模式及其特

征調(diào)研報(bào)告

專業(yè):安全工程

年級班級:安全0701

姓名:王成碩

學(xué)號:200733003

壓力管道泄漏模式及其特征

壓力管道發(fā)生泄漏擴(kuò)散是輸氣管道事故危害的根本原因，因此建立輸氣管道泄露擴(kuò)散的

合理模型是正確評估輸氣管道事故損失后果的關(guān)鍵技術(shù)之一。

國內(nèi)外對壓力管道泄漏后的擴(kuò)散過程的研究還不夠深入，尚未建立起完全適用于壓力管

道泄漏擴(kuò)散的理論模型。壓力管道主要是指利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管道

設(shè)備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于O.IMPa（表壓）的氣體、液化氣體、蒸汽

介質(zhì)或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體介質(zhì),

且公稱直徑大于25mm的管道。壓力管道發(fā)生泄漏，將會(huì)造成難以估量的損失，因此必須

予以研究。在研究有關(guān)氣體擴(kuò)散過程的理論模型中，被廣泛采用的高斯模型和Sutton模型

是適用于相同壓力的兩種氣體且兩種氣體間的相對速度較低的條件下的擴(kuò)散過程的理論模

型，二者都沒有考慮天然氣管道泄漏所特有的初始噴射和重力作用對擴(kuò)散的影響。國內(nèi)學(xué)者

對高斯模型和Sutton模型進(jìn)行了修正，提出了板塊模型，考慮了重力、浮力和初始速度對

擴(kuò)散的影響，但沒有考慮高壓氣體噴射后的膨脹過程。另外，有學(xué)者用重氣模型分析了重氣

團(tuán)重氣效應(yīng)的行為過程，考慮了氣團(tuán)的初始密度、泄漏模式、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、溫度等因

素的影響，但主要是針對完成噴射膨脹后的氣體的擴(kuò)散過程模型，沒有考慮噴射膨脹過程。

下面我們對壓力管道泄露過程進(jìn)行一下分析。

管道泄露過程分析

眾所周知，引起管道輸送介質(zhì)大量意外流失的原因不外乎是管道泄漏和管道破裂兩種情

況。根據(jù)大量的管道事故分析報(bào)告的統(tǒng)計(jì)結(jié)果克制，導(dǎo)致管道泄漏的因素主要有內(nèi)腐蝕、外

腐蝕、施工損傷、焊接缺陷、接頭缺陷和第三方破壞等；導(dǎo)致管道破裂的因素主要有第三方

破壞、超壓、焊接缺陷和腐蝕等。有時(shí)，單一因素即可引起油氣、天然氣等管道的事故，但

在多數(shù)情況下，管道事故還是有多種因素聯(lián)合作用造成的。

天然氣等壓力管道泄漏過程實(shí)際上是射流與膨脹兩個(gè)過程的耦合。泄漏時(shí)的射流過程實(shí)

質(zhì)上是孔口噴出的流體與周圍空氣進(jìn)行動(dòng)量、質(zhì)量和熱量的交換，通常在孔口形成湍流自由

射流，沿射流軸線整個(gè)射流對的動(dòng)量保持不變。流體泄漏膨脹過程是一個(gè)絕熱膨脹過程，由

于其孔徑較小，所以又可看作是一個(gè)平壁圓孔口。因此，輸氣管道內(nèi)的流體泄漏的膨脹過程

是一個(gè)在平壁圓孔口上的絕熱膨脹過程，其膨脹形狀可模擬為半圓球狀。絕熱膨脹過程可視

為一個(gè)定嫡過程。

泄漏模型

一、小孔泄漏模型

小孔泄漏模型適用于穿孔泄漏的情形，穿孔泄漏是指管道或設(shè)備由于腐蝕等原因形成小

孔，燃?xì)鈴男】仔孤?。常見的穿孔直徑?0mm以下，對于穿孔直徑在20mm以下的泄漏

可以使用該模型。小孔泄漏一般是長時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定泄漏且具有泄漏點(diǎn)多、不易察覺、潛在危

險(xiǎn)大的特點(diǎn)。

對于小孔泄漏模型，按照其泄漏燃?xì)庀鄳B(tài)的不同，可分為氣體流泄漏、液體流泄漏和氣

液兩相流泄漏3種形式。

①氣體流泄露強(qiáng)度

較普遍的氣態(tài)燃?xì)庑孤稄?qiáng)度的計(jì)算是按照伯努利方程推導(dǎo)所得，氣體從孔口泄漏的強(qiáng)度

與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。因此，要確定泄漏時(shí)氣體流動(dòng)屬于聲速流動(dòng)（臨界流）還是亞聲速流動(dòng)

(次臨界流)，可以用臨界壓力比來判斷:

式中P——臨界壓力比

Po——環(huán)境絕對壓力，Pa;

Pc——泄漏口燃?xì)獾呐R界壓力，Pa；

K——燃?xì)獾鹊罩笖?shù)；

燃?xì)獾鹊罩笖?shù)k是溫度的函數(shù),理想氣體的k可近似當(dāng)作定值,對于雙原子氣體取1.4,

多原子氣體取1.29,單原子氣體取1.66。

當(dāng)意＞0時(shí)，燃?xì)庠谛孤┛谔帉儆趤喴羲倭鲃?dòng)，燃起的泄漏強(qiáng)度為：

當(dāng)裝WB時(shí)，燃?xì)庠谛孤┛谔帉儆谝羲倭鲃?dòng)，燃?xì)獾男孤?qiáng)度為:

k+1

kM/2xk31

qm=CgAp】j麗

式中qm——泄漏強(qiáng)度，kg/s

Cg——?dú)怏w泄漏系數(shù)

A——泄漏口面積，m2

Pi——容器內(nèi)燃?xì)獾慕^對壓力，Pa

M——燃?xì)獾哪栙|(zhì)量，kg/mol

Z——壓縮因子

R——摩爾氣體常數(shù)，取8.314J/(mol-K)

Tj——容器內(nèi)的燃?xì)鉁囟?，K

氣體泄漏系數(shù)與泄漏口的形狀有關(guān)，泄漏口為圓形時(shí)取1.0。，三角形時(shí)取0.95,長方形

時(shí)取0.90,山內(nèi)腐蝕形成的漸縮小孔取0.90~1.00,山外腐蝕或外力沖擊形成的漸擴(kuò)孔

取0.60~0.90o壓縮因子可以根據(jù)燃?xì)獾膶Ρ葔毫蛯Ρ葴囟炔槿細(xì)鈮嚎s系數(shù)圖得到，

當(dāng)壓力小于1.6MPa時(shí)，常溫燃?xì)饪山普J(rèn)為是理想氣體，取Z=l.

一般情況下，管道或壓力容器中的燃?xì)庖詺鈶B(tài)儲(chǔ)存，發(fā)生泄漏后的泄漏量可以按照氣體

流泄露強(qiáng)度模型進(jìn)行計(jì)算。

②液體流泄漏強(qiáng)度

燃?xì)庖约訅阂夯虻蜏匾夯男问絻?chǔ)存在壓力容器內(nèi)，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)可認(rèn)為燃?xì)庖砸合?/p>

流出，在通過孔口的同時(shí)可能急劇氣化流出到大氣中。假設(shè)在液面以下某一高度處發(fā)生

泄漏，分別選取液面和泄漏孔口出流斷面收縮處為截面列出伯努利能量方程，并整理可

得液體流泄漏強(qiáng)度的計(jì)算公式：

qm=C[Aj2P1出-Po)+2gh

式中J——液體泄漏系數(shù)

Pi——液體的密度，kg/m3

P2——容器內(nèi)液體的絕對壓力，Pa

g------重力加速度，取9.8m/s，

h——泄漏口之上的液體高度，m

液體泄漏系數(shù)與液體的雷諾數(shù)及泄漏口的形狀有關(guān)。當(dāng)雷諾數(shù)Re>100時(shí)，泄漏口為圓

形孔取0.65,三角孔去0.60,長形孔去0.55；當(dāng)雷諾數(shù)ReW100時(shí)，對應(yīng)上述形狀泄漏口

的泄漏系數(shù)分別取0.50、0.45、0.40；不明流態(tài)時(shí)泄漏系數(shù)取1。由上式可以看出，壓力容

器中液態(tài)燃?xì)獾男孤?qiáng)度取決于壓力容器內(nèi)外的壓力差和泄漏口之上的液體高度。

當(dāng)液化石油氣、液化天然氣等從壓力容器液相空間中泄漏時(shí)，其泄漏量可使用液體流泄

漏模型進(jìn)行計(jì)算。

③氣液兩相流泄漏強(qiáng)度

對于過熱液體的泄漏。在流過泄漏孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣、液兩相流動(dòng)，這種流動(dòng)兼有氣體泄漏

和液體泄漏雙重特點(diǎn)。均勻兩相流泄漏的泄露強(qiáng)度可以按照下式計(jì)算：

Qm=CdA^2Pm(Pm-Pm,c)

1

Pm=F,?]-冗

PgPl

CT

p.[1P(2-Tb)

Fv=min1,--------------

QL

式中Cd——兩相流泄漏系數(shù)

pm——兩相混合物的平均密度，kg/m3

Pm——兩相混合物在容器內(nèi)的絕對壓力，Pa

Pm,c——兩相混合物的臨界壓力，Pa,一般取0.55Pm

Fv——閃蒸率，即液體蒸發(fā)的質(zhì)量占液體總質(zhì)量的比例

pg-----液體蒸汽的密度，kg/m3

cp——兩相混合物的比定壓熱容，J/(mol?K)

T2——液體的儲(chǔ)存溫度，K

幾——液體在常壓下的沸點(diǎn)，K

QL----液體的蒸發(fā)熱，J/kg

當(dāng)Fv?1時(shí)，可認(rèn)為泄漏的液體不會(huì)發(fā)生閃蒸，此時(shí)按照液體流泄露強(qiáng)度公式計(jì)算，泄

漏出來的液體會(huì)在地面上蔓延，遇到防液堤而積聚成液池。當(dāng)Fv>0.2時(shí)，可以認(rèn)為不會(huì)形

成液池。當(dāng)Fv<0.1時(shí)，泄漏量按兩相流泄漏強(qiáng)度公式計(jì)算。當(dāng)Fv=l時(shí)，泄漏出來的液體

發(fā)生完全閃蒸，此時(shí)按氣體泄漏強(qiáng)度公式計(jì)算。

對于液化石油氣、液化天然氣等液體從壓力容器氣相空間中泄漏時(shí)，其泄漏量可使用氣

液兩相流泄漏模型進(jìn)行計(jì)算。

二、管道泄露模型

管道泄漏模型適用于開裂泄漏的情形。開裂泄漏的原因通常是由于外力干擾或超壓破裂,

屬于大面積泄漏，泄漏口面積通常為管道截面積的80%~100%。開裂泄漏瞬時(shí)泄漏量大，導(dǎo)

致管道或設(shè)備中的壓力明顯降低。這時(shí)，在泄漏口處的燃?xì)鈮毫椭車h(huán)境的壓力相差不太

大，可以運(yùn)用動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程建立如下方程：

udu+—+F=0

P

udu+dH=0

式中u——?dú)怏w泄漏時(shí)的速度，m/s

P——?dú)怏w的絕對壓力，Pa

p------氣體的密度，kg/m3

F------摩擦力，N

H——?dú)怏w的培，J

|1-----氣體的動(dòng)力黏度，Pa?s

L——泄漏點(diǎn)距起始端的距離，m

D——管道內(nèi)徑，m

假設(shè)在來氣方向上距離管道泄漏點(diǎn)長度為L處設(shè)有調(diào)壓裝置或閥門，且認(rèn)為沿程阻力系

數(shù)不變，便得到管道泄露模型的泄漏強(qiáng)度計(jì)算公式：

2MkT3-T4

q=CpA

m加

式中cp一一管道泄漏系數(shù)，根據(jù)泄漏情況分別為Cg、Cl和Cd

T3、T4——泄漏點(diǎn)處、泄漏點(diǎn)上游L處管道內(nèi)的燃?xì)鉁囟?，K

P3、P4——泄漏點(diǎn)處、泄漏點(diǎn)上游L處管道內(nèi)的燃?xì)饨^對壓力，Pa

燃?xì)夤艿烙捎诘谌狡茐牡仍蛟斐傻拇竺娣e斷裂或全部斷裂，此時(shí)發(fā)生的泄漏量可使

用管道泄露模型進(jìn)行計(jì)算。

擴(kuò)散模型

一、高斯模型

國內(nèi)外學(xué)者對氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了大量研究，提出了很多擴(kuò)散模型。其中中等密度的高

斯擴(kuò)散模型建立較早，試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值能較好吻合，因而最為常用。對于

輸氣管線，管道發(fā)生破裂或穿孔時(shí)的泄漏擴(kuò)散模式多位地面連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散。

高斯模型就是用高斯概率密度函數(shù)（正態(tài)分布曲線）精確地量化事物，將一個(gè)事物分解

為若干的基于高斯概率密度函數(shù)（正態(tài)分布曲線）形成的模型。高斯模型的基本形式實(shí)在如

下的假設(shè)條件下推導(dǎo)出來的：假定燃?xì)庠跀U(kuò)散的過程中沒有沉降、化合、分解及地面吸收的

發(fā)生；燃?xì)膺B續(xù)均勻地排放；擴(kuò)散空間的風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度都均勻、穩(wěn)定；在水平和垂直方

向上都服從正態(tài)分布。

高斯模型包括Gaussian煙羽模型和Gaussian煙團(tuán)模型，其中煙羽模型適用于連續(xù)點(diǎn)

源的擴(kuò)散，此時(shí)泄漏燃?xì)庀鄬γ芏刃∮诨蚪咏?：而煙團(tuán)模型適用于短時(shí)間點(diǎn)源泄漏的擴(kuò)散

（即突發(fā)性瞬時(shí)泄漏或泄漏時(shí)間小于擴(kuò)散時(shí)間的泄漏）。Gaussian軌跡煙云模型是對

Gaussian模型的修正，主要用于復(fù)雜地形區(qū)域，并考慮了大氣混合層及風(fēng)速的影響。

Gaussian煙羽模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

以泄漏點(diǎn)為原點(diǎn)，風(fēng)向方向?yàn)閤軸的空間坐標(biāo)系中的某一點(diǎn)（x,y,z）處的質(zhì)量濃度

平均風(fēng)速＞1m/s時(shí)：

1

Clx，y＞z)=(Qm/2?rWyS)exp(-y/2。：)

22

x{exp[—(z-Hr)/2(r,]+expE一(z十

2

Hr)/2(7?J}(1)

式中：C為泄漏物質(zhì)體積百分比濃度，Qm為源的

泄漏速率，irP,/$；凡為有效源禺，m;〃為風(fēng)速，m/

s;x，父，z為某點(diǎn)坐標(biāo)，in;fTy，/分別是橫風(fēng)向和

豎直方向的擴(kuò)散系數(shù),m。

Gaussian煙團(tuán)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

平均風(fēng)速=0.5~1m/s時(shí)：

C(Xfy,Z,t)=[Qm"/(2兀)3/2Qi%6]

exp(-//2%2)x{expL-Cz-Hry]+

exp[-(z+〃「＞/2(7?]}xexpL-(x-

Q/2J2](2)

式中:Qm*是總泄漏量,m3:外為水平方向的擴(kuò)散

系數(shù)，m°

平均風(fēng)速＜0.5m/s時(shí)，假設(shè)氣團(tuán)圍繞泄漏點(diǎn)濃度均勻分布，則距離泄漏點(diǎn)r處的燃?xì)赓|(zhì)

量濃度為：

_qmbb2r2+a2h2-

Pd=7T7I'b2r2+a2h2eXp--2a2b2t2

(271)2

式中Pd(r)——距離泄漏點(diǎn)r處的燃?xì)赓|(zhì)量濃度，kg/m3

R——空間內(nèi)任意一點(diǎn)到泄漏點(diǎn)的距離，m

a、b------擴(kuò)散系數(shù)，m

t——靜風(fēng)持續(xù)時(shí)間，s,取3600的整數(shù)倍

h-----■泄漏點(diǎn)的高度，m

二、sutton模型

與高斯模型類似。二者適用于相同壓力條件下的兩種氣體且兩種氣體間的相對速度較低

的條件下的擴(kuò)散過程的理論模型。二者都沒有考慮天然氣管道泄漏所特有的初始噴射和重力

作用對擴(kuò)散的影響，且二者擴(kuò)散參數(shù)均以多次大規(guī)模擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)而得出。

三、重氣擴(kuò)散模型

液化石油氣密度比空氣密度大，屬于重氣。該類氣體泄漏時(shí)在重力的作用下會(huì)下沉，這

時(shí)使用高斯模型計(jì)算的結(jié)果會(huì)使泄漏燃?xì)鈹U(kuò)散速度偏大，泄漏源附近的濃度偏小。為了解決

這個(gè)問題，可以進(jìn)入最早有VanUlden提出，并由ManjuMohan等發(fā)展的箱式模型。箱式

模型分為兩個(gè)階段：泄漏后的重氣擴(kuò)散階段和重氣效應(yīng)消失后的被動(dòng)氣體擴(kuò)散階段。

重氣泄漏后首先是重氣擴(kuò)散階段。在這個(gè)階段，重氣團(tuán)由于重力作用逐漸下沉并不斷卷

吸周圍的空氣，在卷吸空氣的同時(shí)，氣云受熱，最終當(dāng)重氣團(tuán)與空氣的密度差＜0.001kg/m3

時(shí)，可認(rèn)為氣云轉(zhuǎn)變成中性狀態(tài)。

隨著重氣的繼續(xù)擴(kuò)散，氣云所受的重力不再是影響擴(kuò)散的主要因素，而大氣湍流擴(kuò)散逐

漸占主要地位，這時(shí)便是被動(dòng)氣體擴(kuò)散階段，可以應(yīng)用高斯模型計(jì)算泄漏燃?xì)獾臄U(kuò)散。

四、板塊模型

Zemman在1982年提出了板塊模型，將三維問題轉(zhuǎn)化為一維問題，可以處理定常態(tài)泄

防擴(kuò)散和瞬時(shí)泄防擴(kuò)散（非定常態(tài)）。研究人員提出了應(yīng)用板塊模型對氣體擴(kuò)散進(jìn)行模擬，

考慮了重力、浮力和初始速度對擴(kuò)散的影響，但沒有考慮高壓氣體噴射后的膨脹過程。板塊

模型是對泄漏擴(kuò)散的氣體沿下風(fēng)向分為一個(gè)個(gè)板塊，并假定同一板塊內(nèi)氣體的性質(zhì)（運(yùn)動(dòng)速

度、密度、溫度等）是均一的，通過對整個(gè)板塊進(jìn)行動(dòng)量平衡、質(zhì)量平衡、能量平衡的分析，

列出其控制方程并進(jìn)行求解，得到這些板塊內(nèi)均一的變量，（如平均速度、平均溫度、平均

濃