海底輸氣管道氣體泄漏擴散模擬及影響因素研究

石一丁 葛天明 張足峰

勞氏瑞安咨詢(北京)有限公司

海底管道是海上油氣田開發(fā)與油氣生產過程中油氣輸送的主要方式之一。按照輸送介質可以劃分為海底輸油管道、海底輸氣管道、海底油氣混輸管道和海底輸水管道[1]。根據輸送介質的特點，海底輸氣管道的主要危害是火災爆炸，會對臨近的船舶及平臺設施等造成危害[2]。由于海面上不設置可燃氣體探頭，一旦發(fā)生海底輸氣管道泄漏，則無法判斷可燃氣體云團的具體范圍。在進行現(xiàn)場應急處置時，如果無法掌握可燃氣體云團的分布范圍和危險區(qū)域，就無法準確劃定警戒區(qū)域，防止第三方船舶誤入可燃氣體云團，從而會對船舶及人員產生傷害，也可能使應急搶險人員處于危險環(huán)境。因此，研究海底輸氣管道泄漏后在海面上形成可燃氣云的擴散規(guī)律及影響距離可以為現(xiàn)場搶險、應急響應等提供重要的判據，具有實際的工程意義。

輸氣管道的海底泄漏可以分為3個階段，分別為初始泄漏階段、氣體在水中擴散階段和氣體在海面上的擴散階段[3]。如果遇到外部點火源，還會發(fā)生火災爆炸。關于海底輸氣管道海底泄漏的這幾個階段，國外相關研究較早，例如關于海底管道泄漏事故的統(tǒng)計分析，開發(fā)了一些事故統(tǒng)計數(shù)據庫[4-5]。國內近些年也在海底管道失效分析和統(tǒng)計方面開展了相關工作[6-9]。國外關于氣體在水中擴散的理論、實驗研究及工程應用方面開展工作較早[10-11]，國內近些年在海底輸氣管道的水中擴散模擬方面也開展了一些工作[12-16]。目前，在氣體水中擴散領域，工業(yè)界應用較多的為Fannel?p羽流模型[7]，原因是該模型簡單省時，具有足夠的分析精度，比較適合工程應用。而關于氣體到達海面后的擴散、火災及爆炸等后果，主要分析方法為經驗公式計算或者采用三維計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)軟件進行模擬[17-18]。國內也有人采用CFD技術開展了相關工作[19-21]。海底輸氣管道水下泄漏后,氣體云團在海面的擴散會受到泄漏孔徑、泄漏水深以及外部風速等影響，而現(xiàn)場應急響應也會面臨諸多實際的環(huán)境條件。因此，研究以上關鍵因素對海底輸氣管道泄漏擴散的影響十分重要。

本研究以某海底輸氣管道為例，通過模擬不同泄漏孔徑、泄漏水深以及風速條件下的泄漏擴散過程，分析以上因素對可燃氣體云團擴散的影響作用，歸納一種通用的分析方法，為現(xiàn)場應急響應提供參考。

1 計算模型及模擬場景

1.1 泄漏計算

應用CFD軟件OLGA進行泄漏瞬態(tài)模擬計算。OLGA是專業(yè)瞬態(tài)多相流CFD模擬軟件，可以精確地模擬和分析流體真實動力學過程。根據OGP關于海底管道泄漏的劃分推薦值[5]，泄漏計算選擇兩種泄漏孔徑：700 mm和50 mm，分別為大型泄漏和中型泄漏的代表性泄漏孔徑。管道入口和出口表壓分別為18.7 MPa和6.9 MPa，假設輸送介質為100%(體積分數(shù))甲烷。

1.2 氣體水中擴散

應用Fannel?p羽流模型，計算海底輸氣管道發(fā)生泄漏后氣體在水中的擴散。主要計算結果是水中氣體羽流到達海面后的溢出區(qū)域(釋放面)平均直徑及相應的氣體垂直流速變化，作為下一步CFD模擬工作的輸入。氣體水中擴散受泄漏速率和泄漏點水深的影響，鑒于國內海底輸氣管道的水深分布特點，選擇50 m和100 m兩種代表性泄漏水深進行研究。

1.3 氣體到達海面后的擴散模擬

采用3維CFD軟件KFX對氣體擴散進行模擬。KFX是用于氣體擴散和火災模擬的三維瞬態(tài)CFD軟件，可以進行封閉或開放空間的重質和輕質氣體的擴散模擬[22]。該軟件已經通過大量不同類型和尺度實驗結果的驗證，得到工業(yè)領域的廣泛接受[23]。

根據氣體水中擴散計算得到的氣體羽流到達海面后的氣體釋放面尺寸，進行計算域的設定和網格劃分。設定不同的風速作為外部環(huán)境條件，模擬氣體云團擴散過程，并提取氣云體積隨時間的變化及影響距離。根據分析需要，擴散模擬場景信息見表 1。

表1 海底輸氣管道泄漏擴散模擬場景場景編號泄漏水深/m泄漏孔徑/mm風速/(m·s-1)12341005070050700501、3、5、7、9、11、13、15、20

2 結果與討論

2.1 泄漏模擬結果

泄漏孔徑為700 mm和50 mm條件下的泄漏速率隨時間變化曲線見圖1和圖 2。700 mm孔徑泄漏的初始泄漏速率很大，但下降速度很快，200 s后下降速度變緩。50 mm孔徑泄漏發(fā)生后初始泄漏速率約為62 kg/s，雖然隨時間有所下降，但下降幅度不大。泄漏計算結果將用于氣體水中擴散模型的輸入，計算氣體在水中的擴散。

2.2 氣體水中擴散計算結果

根據Fannel?p羽流模型，計算氣體在水中的擴散。采用瞬態(tài)泄漏速率作為輸入，泄漏水深分別為100 m和50 m。計算時將氣體釋放面劃分為5個同心圓，中心圓和4個同心圓環(huán)內氣體的質量流量占總質量流量的百分比分別為20%、40%、60%、80%和95%。由于水下氣體擴散的特點以及泄漏速率隨時間的變化，各同心圓半徑會隨時間發(fā)生變化(以泄漏孔徑700 mm為例，見圖 3～圖 4)。考慮到后期CFD模擬的可行性，計算出各泄漏工況下5個同心圓半徑在分析時間內的平均值(見表 2)，以及各同心圓單位面積的氣體垂直流速的瞬態(tài)變化(以泄漏孔徑700 mm為例，見圖 5～圖 6)。

表2 各泄漏工況條件下海面氣體釋放面平均半徑泄漏孔徑/mm泄漏位置水深/m氣體釋放面平均半徑/m20%40%60%80%95%7005011.416.822.429.741.110020.830.740.553.573.950506.410.213.618.626.210012.118.524.733.646.9

計算結果表明，泄漏速率和泄漏點水深對釋放面的半徑均產生明顯影響。泄漏速率越大，釋放面半徑越大。相同泄漏孔徑條件下，泄漏點水深越大，釋放面的半徑越大。泄漏發(fā)生后，釋放面的半徑在短時間內迅速增大，隨著泄漏速率的減小，釋放面半徑逐漸縮小。氣體從海底到達水面的時間同樣受泄漏速率和泄漏點水深影響，泄漏速率越大，氣體到達海面所需時間越短，水深越深，氣體到達海面所需的時間越長。釋放面氣體垂直流速受泄漏速率和水深的影響，泄漏速率越大，氣體垂直流速越大，水深越深，氣體垂直流速越小。

2.3 氣體在海面擴散模擬結果

對于泄漏水深50 m，泄漏孔徑為700 mm的工況，各風速條件下甲烷濃度處于可燃濃度下限(lower flammability limit，LFL)(5%)和可燃濃度上限(upper flammability limit，UFL)(15%)之間的可燃氣體云團體積隨時間的變化見圖 7。模擬結果表明，氣體到達海面后，可燃氣體云團體積可以在數(shù)十秒內到達峰值，隨后由于風的稀釋作用，可燃氣體云團體積逐漸減小，繼續(xù)緩慢降低至某一水平后，可燃氣體云團體積變化幅度變小。可以判斷，當泄漏速率變化較小時，氣云體積將趨于穩(wěn)定，這一階段可稱之為階段性穩(wěn)態(tài)。

對于泄漏水深50 m、泄漏孔徑為50 mm的工況，各風速條件下甲烷濃度處于LFL和UFL之間的可燃氣云體積隨時間的變化見圖 8?？扇細庠企w積隨時間的變化規(guī)律與700 mm泄漏孔徑工況相似，只是氣云體積相對較小。泄漏水深100 m、泄漏孔徑為700 mm和50 mm的工況下，氣云擴散規(guī)律與泄漏水深50 m工況相似。

風速會影響氣體在空氣中的擴散過程。一方面，風速增大，可以加速氣體與空氣的混合，將高于UFL濃度的氣體稀釋至UFL濃度以下，從而形成較大的氣體云團；另一方面，風速增大也會加快稀釋可燃氣體，如果初始可燃氣體濃度較低，可導致可燃氣云體積減小。以泄漏點水深50 m、泄漏孔徑為700 mm的泄漏工況為例，列舉氣體擴散到達階段穩(wěn)態(tài)時，氣體濃度分布等值面圖的豎直剖面圖(xz面)和距離海面5 m高度水平剖面圖(xy面)，具體見圖 9～圖10。根據氣體濃度的分布可以估算危險距離。

2.4 水深及風速對氣體云團擴散的影響

圖11為泄漏水深50 m，泄漏孔徑700 mm時，各風速條件下處于LFL與UFL濃度之間的氣云體積峰值和氣體到達海面后第3 min的可燃氣體云團體積?？扇細怏w云團體積峰值隨風速升高先增大后減小，在風速為7 m/s時最大。氣體到達海面后第3 min的可燃氣體云團體積隨風速升高先增大而后減小，在風速5 m/s時最大。說明風速較大時，有利于氣體的擴散，容易形成較大的可燃氣體云團，而隨著風速進一步增大，加大了氣體稀釋作用，可燃氣體云團體積縮小。對于700 mm孔徑泄漏，中等風速時可燃氣體云團體積相對較大，點火風險更高。

圖12為泄漏水深50 m，泄漏孔徑50 mm時，各風速條件下LFL與UFL濃度之間的可燃氣體云團體積峰值和氣體到達海面后第3 min的可燃氣體云團體積?？扇細怏w云團體積隨風速升高而減小，在風速5～15 m/s之間，可燃氣體云團體積與風速具有近似線性關系。由于50 mm孔徑泄漏的泄漏速率相對較低，高濃度氣體分布較少，風對云團的稀釋作用較強。因此，對于50 m水深的50 mm孔徑泄漏，可燃氣體云團體積隨風速增大而減小，點火風險降低，低風速是相對不利的風速條件。

圖13與圖14分別為泄漏水深100 m，泄漏孔徑700 mm和50 mm時，各風速條件下處于LFL與UFL濃度之間的可燃氣體云團體積峰值和氣體到達海面后第3 min的可燃氣體云團體積?？扇細怏w云團體積變化規(guī)律與水深50 m時類似。

圖15～圖16分別為不同水深條件下，700 mm和50 mm孔徑泄漏可燃氣體云團體積峰值的對比。對于700 mm孔徑泄漏，在相同的風速條件下，泄漏水深100 m形成的可燃氣體云團體積基本大于水深50 m。原因之一是100 m水深的泄漏在海面形成的氣體釋放面大于50 m水深。同時，氣體濃度比較容易擴散至LFL和UFL濃度之間。而50 m水深泄漏在海面形成的釋放面較小，氣體濃度較高，不易稀釋至UFL濃度。

對于50 mm孔徑泄漏，在相同的風速條件下，泄漏水深100 m形成的可燃氣體云團體積大于水深50 m工況，且可燃氣體云團體積的差異隨著風速的增大而降低。說明水下泄漏在海面形成的氣體釋放面起到了主要作用。在低風速時，具有更大氣體釋放面的泄漏會形成更大的可燃氣體云團體積。但由于泄漏速率不高，當風速增大時，稀釋作用增強。這種由于氣體釋放面差異導致的可燃氣體云團體積差異開始減小，可燃氣體云團體積主要取決于氣體釋放面的中央區(qū)域，該區(qū)域氣體濃度較高，抵抗風稀釋作用的能力較強。

2.5 可燃氣體云團危險距離分析

海面上主要的外部點火源為路過的船舶。一旦可燃氣體云團被路過的船舶點燃，會對船舶上人員產生危害。因此，確定各泄漏工況下的危險距離，可以作為現(xiàn)場警戒區(qū)域劃分的輸入，為應急響應提供幫助。由于船舶的高度有限，故提取可燃氣體云團在距離海平面5 m高度所到達的范圍作為危險距離的參考。危險距離定義為甲烷50%LFL和LFL濃度等值線邊界距離海面氣體釋放面幾何中心的距離。圖17和圖18分別為泄漏孔徑700 mm和50 mm工況下，各泄漏水深和風速條件下的危險距離。

以上數(shù)據表明，對于泄漏孔徑700 mm的情況，在風速小于20 m/s時，危險距離隨風速增大而增大。相同風速下，泄漏水深為100 m時的危險距離大于泄漏水深為50 m的情況。

對于50 mm孔徑泄漏，危險距離隨風速的提高先增大后減小，直至降為0。風速低于5 m/s，泄漏水深為100 m時的危險距離大于泄漏水深為50 m的情況；風速大于5 m/s小于13 m/s，泄漏水深為100 m時的危險距離小于泄漏水深為50 m的情況。

在有些泄漏情況下，現(xiàn)場應急處置須對可燃氣體云團采取點火措施。由于水下泄漏同時伴有氣涌，計算得到的氣體釋放面直徑能夠間接反映氣涌的范圍，然后通過氣體釋放面直徑和可燃氣體云團影響范圍的關系，能夠大致判斷現(xiàn)場氣體云團可能的濃度分布，為現(xiàn)場精確點火提供幫助。

3 結論

通過對相同管道壓力條件下，不同泄漏孔徑、泄漏點水深以及風速條件下的海底輸氣管道泄漏擴散進行模擬，分析歸納得到了可燃氣體云團在海面的擴散規(guī)律和影響距離。研究了以上3個因素對海底管道水下泄漏擴散產生影響的原因和特點：

(1)泄漏速率和泄漏點水深會影響海底管道泄漏后氣體到達海面的氣體釋放面積和氣體垂直流速，進而影響氣云在海面的擴散。

(2)風對氣體有稀釋作用，一方面可以將氣體稀釋至低于LFL濃度，另一方面可以將高濃度的氣體稀釋至LFL和UFL濃度之間，其影響需要與原始氣體濃度共同作用，從而決定氣云體積。

(3)對于700 mm孔徑泄漏，中等風速是不利風速，對于50 mm孔徑泄漏，低風速是不利風速。

在進行海底輸氣管道定量風險評估時，氣云擴散結果是泄漏后果的主要構成部分，需要考慮以上主要影響因素對氣云擴散的影響，進行系統(tǒng)性的模擬計算，為定量風險評估提供輸入。同時，相關過程結果也可以為現(xiàn)場應急處置方案提供豐富的參考信息。例如，海上警戒區(qū)域劃分可將模擬結果作為參考，以防船舶誤入所導致的傷害。

由于海底管道的特殊性，每條海底輸氣管道的工藝參數(shù)、運行情況及所處環(huán)境差異較大。該研究中的具體結果無法直接應用于其他海底輸氣管道，但可以按照該分析方法的思路和要點，考慮以上3個關鍵影響因素，根據各海底管道的實際工藝參數(shù)對于不同泄漏工況進行模擬計算，得到實際的風險分析結果。然后將分析結果與現(xiàn)場應急相結合，完善應急準備分析過程，制定更加有針對性的應急處置方案。