海底天然氣管道復(fù)產(chǎn)過程中氮?dú)膺\(yùn)移擴(kuò)散的數(shù)值研究

高書鵬 盧 進(jìn) 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(shù)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(guān)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(yùn)行安全十分重要[1]。在實際生產(chǎn)過程中，由于管材腐蝕、海床沖刷、機(jī)械破壞等因素的影響，海底管道可能發(fā)生穿孔、裂縫以及斷裂等導(dǎo)致海底管道發(fā)生泄漏事故。

對于大面積腐蝕、破裂導(dǎo)致的泄漏而言，需要及時對泄漏點(diǎn)處的管段或閥組進(jìn)行更換維修。在更換維修過程中需要向管段內(nèi)注入氮?dú)庥靡灾脫Q海水和推動封堵球。管道恢復(fù)正常輸氣后，通過氣體間的直接接觸，氮?dú)鈱㈦S著天然氣的流動而運(yùn)移擴(kuò)散。然而該部分氮?dú)庠诠艿乐须S天然氣流動，可能會造成海底管道終端銷售氣中氮?dú)夂砍瑯?biāo)，影響用氣設(shè)備的運(yùn)行。為確定復(fù)產(chǎn)后管線內(nèi)封堵用氮?dú)馐欠駮绊懴掠斡脩舻恼Ｊ褂?，有必要對天然氣輸送過程中氮?dú)舛卧诠芏蝺?nèi)運(yùn)移擴(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1 數(shù)值計算模型建立

以某實際海底管道為背景，泄漏點(diǎn)距離管道終端278 km，即復(fù)產(chǎn)時氮?dú)舛涡枰\(yùn)移278 km 后抵達(dá)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(jìn)行了網(wǎng)格劃分，最后利用Fluent 對氮?dú)馑矐B(tài)運(yùn)動及擴(kuò)散情況進(jìn)行數(shù)值計算。模擬5.65 MPa 下35 m 長的氮?dú)舛卧谔烊粴夤艿缽?fù)產(chǎn)后運(yùn)移至管段1 km、2 km、3 km、4 km 以及5 km 處時氮?dú)庠诠芏屋S向及管段各截面處分布情況，從而判斷管道內(nèi)氮?dú)獾拇嬖谑欠駮绊懝艿澜K端下游用戶的正常用氣。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 管段軸向氮?dú)夥植记闆r

在天然氣的推動下，氮?dú)舛芜\(yùn)移至管段1 km、2 km、3 km、4 km 以及5 km 處時氮?dú)庠诠芏蔚娜S軸向分布情況如圖1所示。

圖1 氮?dú)膺\(yùn)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?dú)膺\(yùn)移至管段1 km、2 km、3 km、4 km 以及5 km 處時氮?dú)庠诠芏蔚妮S向中間剖面氮?dú)夥植记闆r如圖2 所示。

圖2 氮?dú)膺\(yùn)移至管段不同位置時中間剖面氮?dú)夥植记闆r（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?dú)舛蔚南蚯斑\(yùn)移，氮?dú)庵饾u擴(kuò)散，混氣段長度越來越長，當(dāng)?shù)獨(dú)膺\(yùn)移至管段5 km 處時含氮?dú)怏w段的長度已由原來35 m 增加至830 m。分析認(rèn)為，隨著管道復(fù)產(chǎn)的進(jìn)行，正常輸氣時間越長，氮?dú)獾倪\(yùn)行距離越遠(yuǎn)，氮?dú)馀c天然氣的混合越充分，混氣段越長，每一個體積分?jǐn)?shù)的氣體擴(kuò)散范圍變得越來越廣，宏觀上表現(xiàn)為混氣段長度的不斷變長。擬合得到混氣段長度與氮?dú)膺\(yùn)行距離的關(guān)系式, 從而推斷當(dāng)?shù)獨(dú)舛芜\(yùn)移278 km 到達(dá)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?dú)夥植记闆r

根據(jù)海底天然氣管道終端對天然氣質(zhì)量的要求，天然氣中含氮量不超過3.0 mol%，可以認(rèn)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(jìn)行區(qū)分。對氮?dú)膺\(yùn)移至不同位置時各截面處氮?dú)鉂舛确植歼M(jìn)行了分析。圖3 中分別列出了氮?dú)膺\(yùn)移到1km 時混氣段首、尾截面以及含氮量最高截面處氮?dú)鉂舛确植记闆r。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?dú)夥植记闆r

分別模擬計算1km、2km、3km、4km和5km 處的管段橫截面徑向氮?dú)夥植记闆r，根據(jù)計算結(jié)果可知，尾截面內(nèi)區(qū)域氮?dú)庾罡邼舛扔?.723 km 處的30%降低至4.17 km 處的10%，且含氮區(qū)域面積迅速減少，氮?dú)膺\(yùn)移5 km 時混氣段尾截面的含氮區(qū)域面積占比僅為2.37%；首截面內(nèi)含氮區(qū)域面積迅速減少，氮?dú)膺\(yùn)移5 km 時混氣段首截面的含氮區(qū)域面積占比接近0。為進(jìn)一步確定混氣段抵達(dá)終端時是否會出現(xiàn)含氮量超標(biāo)（即截面氮?dú)馄骄鶟舛却笥?.0%）的情況，對云圖中含氮量最高截面的氮?dú)鉂舛确植记闆r進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果如表1 所示。

表1 含氮量最高截面氮?dú)鉂舛确植记闆r

由表1 可知，隨著氮?dú)舛蜗蚯耙苿?，使得各截面處氮?dú)夂肯陆担鞖舛蝺?nèi)氮?dú)鉂舛炔粩嘟档?。在含氮量最高截面?nèi)，區(qū)域最高濃度從1 km 處的100%下降至5 km 處的90%，最高濃度區(qū)域所占面積從1 km 處的12.5%下降至5 km 處的0.3%；含氮?dú)鈪^(qū)域面積占比從1 km 處的50%下降至5 km 處的25%。其中，氮?dú)膺\(yùn)移至管段不同位置時混氣段內(nèi)含氮量最高截面的平均氮?dú)鉂舛热鐖D4 所示。

圖4 含氮量最高截面平均氮?dú)鉂舛茸兓疽鈭D

由圖4 可知，隨著氮?dú)膺\(yùn)移距離的增加，混氣段內(nèi)含氮量最高截面的平均氮?dú)鉂舛戎饾u降低，但降低幅度有逐漸減緩的趨勢。通過對圖中曲線進(jìn)行擬合得到混氣段長度與氮?dú)膺\(yùn)行距離的關(guān)系式推斷當(dāng)?shù)獨(dú)膺\(yùn)移7.52 km 時，混氣段內(nèi)含氮量最高截面的平均氮?dú)鉂舛冉档椭?%，而隨著氮?dú)獾倪\(yùn)移氮?dú)獾臐舛葘⑦M(jìn)一步降低，因此判斷當(dāng)?shù)獨(dú)膺\(yùn)移278 km 抵達(dá)管道終端時，混氣段內(nèi)含氮量最高截面的平均氮?dú)鉂舛纫欢ㄐ∮?%，終端接收的天然氣不會出現(xiàn)含氮量超標(biāo)情況。因此，當(dāng)?shù)獨(dú)舛芜\(yùn)移至278 km 處時可以充分?jǐn)U散，現(xiàn)有氮?dú)舛蔚拇嬖诓粫绊懝艿澜K端下游用戶的正常用氣。

3 結(jié)論

針對恢復(fù)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?dú)獗粡?fù)產(chǎn)天然氣置換的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了氮?dú)膺\(yùn)移至不同管段處時氮?dú)舛蔚奶匦砸?guī)律。

3.1 FLUENT 軟件中組分輸運(yùn)模型可以作為海底天然氣管道中氮?dú)膺\(yùn)移擴(kuò)散的計算模型，模擬管道運(yùn)行過程中天然氣與氮?dú)獾幕旌弦?guī)律。

3.2 結(jié)合模擬結(jié)果判斷，當(dāng)?shù)獨(dú)膺\(yùn)移278 km 抵達(dá)管道終端時混氣段內(nèi)各截面的平均氮?dú)鉂舛刃∮?%，終端不會出現(xiàn)天然氣含氮量超標(biāo)情況，現(xiàn)有氮?dú)舛蔚拇嬖诓粫绊懞５坠艿澜K端下游用戶的正常用氣。