隧道內(nèi)埋地燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散規(guī)律研究

馬梅 蔣仲安

北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院

隨著天然氣在能源消費結(jié)構(gòu)中占比的增加，燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)迅速發(fā)展。截至2019年，全國天然氣管道長度達(dá)到7.68×104km。在利用燃?xì)夤芫W(wǎng)實現(xiàn)資源合理調(diào)配的過程中，在隧道內(nèi)埋設(shè)燃?xì)夤艿莱蔀楣芫W(wǎng)穿越山嶺等復(fù)雜地形的首選方案。例如，中緬管道(國內(nèi)段)隧道穿越共64處，其中較為典型的博南山隧道全長2 502 m[1]，西氣東輸二線管道工程天山果子溝地段管道穿越了7條隧道[2]。在役埋地燃?xì)夤艿酪驗榈谌狡茐?、腐蝕等原因會失效而導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，繼而引發(fā)的中毒、火災(zāi)及爆炸等事故時有發(fā)生[3]。而隧道環(huán)境相對封閉，隧道內(nèi)埋地燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏后燃?xì)飧追e聚達(dá)到最低爆炸極限濃度，產(chǎn)生爆炸危險。因此，需要對隧道內(nèi)埋地燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，為泄漏點定位及泄漏發(fā)生后的應(yīng)急處理提供指導(dǎo)依據(jù)。

針對埋地燃?xì)夤艿佬孤┑难芯?，國?nèi)外學(xué)者主要集中在泄漏發(fā)生后氣體的擴(kuò)散行為及泄漏方式、土壤條件等因素對擴(kuò)散的影響方面。劉慶寶等[4]以架空敷設(shè)的天然氣管道為對象，聚焦管道的迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡位置，利用CFD軟件對甲烷氣體的擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，計算結(jié)果表明，甲烷氣體具有高速、面廣的擴(kuò)散特征。Okamoto和Gomi[5]在搭建的實驗坑內(nèi)距地表1.2 m的位置設(shè)置泄漏源，獲得穩(wěn)態(tài)下天然氣濃度場。盡管燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散的研究較多，但主要關(guān)注燃?xì)庑孤┖笤诖髿饣蛲寥绬我恍孤┉h(huán)境中的擴(kuò)散行為，對泄漏發(fā)生后燃?xì)馔ㄟ^土壤進(jìn)入空氣區(qū)域這一連續(xù)過程的研究尚未見報道。對于埋地燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散的規(guī)律，數(shù)值模擬已被證明是適用于此研究的可靠方法。Chen等[6]通過研究驗證了應(yīng)用數(shù)值模擬方法來研究氣體管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律的結(jié)果是可信的。林曉斌[7]取了四分之一模型對埋地燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散進(jìn)行模擬，探究管道壓力、泄漏孔位置和尺寸等對天然氣在土壤內(nèi)擴(kuò)散的影響。因此，本研究基于數(shù)值模擬方法，采用Fluent軟件對隧道內(nèi)埋地高壓燃?xì)夤艿佬孤┖笤谕寥篮涂諝鈪^(qū)域內(nèi)的連續(xù)擴(kuò)散過程展開研究。

1 隧道內(nèi)埋地燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散模型

1.1 工程背景、物理模型和網(wǎng)格劃分

根據(jù)隧道內(nèi)埋地燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)的實況，燃?xì)夤艿浪?jīng)隧道斷面四周澆筑形成封閉區(qū)域，管道發(fā)生泄漏后在土壤內(nèi)最遠(yuǎn)擴(kuò)散至澆筑面，而滲出地面的燃?xì)膺M(jìn)入隧道空氣區(qū)域內(nèi)，繼續(xù)擴(kuò)散至隧道左右兩出口而排出。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，建立隧道內(nèi)埋地燃?xì)夤艿牢锢砟Ｐ?見圖1)。該模型由天然氣管道、土壤區(qū)域和空氣區(qū)域組成，管道直徑為1 219 mm，頂部覆土厚度為601 mm，管道運行壓力為12 MPa，屬于高壓燃?xì)夤艿馈?/p>

模擬取100 m長隧道作為研究對象，建立由天然氣管道、泄漏孔、土壤區(qū)域和空氣區(qū)域4部分組成的幾何模型，泄漏孔位于管道中間位置，泄漏方向朝上，如圖2(a)所示。為保證計算精度，采用MESH軟件劃分網(wǎng)格，采用四面體和六面體劃分，經(jīng)獨立性檢驗，網(wǎng)格總數(shù)為291 616，平均質(zhì)量為0.82(見圖2(b))。

1.2 模擬條件設(shè)置

由于天然氣中絕大部分為甲烷[8]，因此以甲烷代表天然氣進(jìn)行相關(guān)計算和數(shù)值模擬。

1.2.1泄漏孔條件

在天然氣管道的各種破壞形式中，圓形小孔泄漏發(fā)生的頻率最高[9-10]。小孔泄漏發(fā)生時，由于泄漏孔徑較小，同時忽略摩擦的影響，氣體膨脹過程為等熵過程[11]，可假定管道內(nèi)壓力不受泄漏的影響。由此，根據(jù)小孔泄漏定義，設(shè)定管道泄漏孔孔徑為10 mm；泄漏孔入口類型為壓力入口，根據(jù)管道實際運行壓力，設(shè)為12 MPa；在入口氣體組分設(shè)置中將甲烷氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為1。

1.2.2土壤區(qū)域條件

數(shù)值模擬過程將土壤視為多孔介質(zhì)材料，土壤多孔介質(zhì)模型的建立是通過在動量方程中添加動量源項，將流體在多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)所受到的阻礙轉(zhuǎn)換為分布在流體上的阻力，從而模擬流體在多孔介質(zhì)材料中的運動[12]。動量方程為：

(1)

式中：γ為土壤孔隙率；ρ為密度，kg/m3；v為速度，m/s；t為時間，s；p為流體微元上的壓力，Pa；μ為動力黏度，Pa·s。

Si為動量源項，包括黏性損失項和慣性損失項，其計算公式如式(2)：

(2)

式中：D為黏性阻力系數(shù)，所在項表示黏性損失項；C為慣性阻力系數(shù)，所在項為慣性損失項；|v|為速度的絕對值，m/s。

常見的砂和土壤的孔隙率在0.25～0.43之間[13-14]，本研究涉及土壤介質(zhì)的平均顆粒直徑實測值ds=0.01 mm，孔隙率γ=0.3。Fluent軟件模擬設(shè)置中將多孔介質(zhì)導(dǎo)致的氣體流動阻力用黏性阻力系數(shù)D和慣性阻力系數(shù)C衡量[15]，計算公式如式(3)、式(4)所示。根據(jù)已知條件算得土壤黏性阻力系數(shù)為2.72×1013m-2，土壤慣性阻力系數(shù)為9 070 000m-1。

(3)

(4)

1.2.3空氣區(qū)域條件

隧道空氣區(qū)域左右兩出口為壓力出口，壓力大小為大氣壓101 325 Pa。燃?xì)夤艿佬孤┣埃寥篮涂諝鈪^(qū)域內(nèi)的流體均為空氣，天然氣含量為0。根據(jù)數(shù)值模擬中燃?xì)庠谕寥篮涂諝鈪^(qū)域內(nèi)擴(kuò)散的基本原理，結(jié)合實際情況，對模型的邊界條件和基本求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1所列。

表1 邊界條件和基本求解參數(shù)名稱參數(shù)設(shè)定數(shù)值求解器壓力基求解器瞬態(tài)模擬湍流模型Realizable k-ε模型入口邊界類型壓力入口12 MPa出口邊界類型壓力出口101 325 Pa土壤密度1 850 kg/m3比熱容2 180 J/(kg·K)導(dǎo)熱系數(shù)1.5 W/(m·K)孔隙度0.3平均粒子直徑0.01 mm黏性阻力系數(shù)2.72×1013 m-2慣性阻力系數(shù)9 070 000 m-1求解方法Simple離散格式二階迎風(fēng)

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

模擬針對隧道內(nèi)埋地燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏時在土壤和空氣區(qū)域內(nèi)的連續(xù)擴(kuò)散行為，通過在土壤和空氣區(qū)域設(shè)置一些監(jiān)測點，監(jiān)測泄漏發(fā)生后隧道內(nèi)甲烷濃度的變化情況。

2.1 甲烷在土壤內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律

甲烷發(fā)生小孔泄漏后，首先接觸土壤多孔介質(zhì)，由于土壤的存在，泄漏孔口流動的氣體的速度在短時間和小土壤范圍內(nèi)被削減，濃度梯度成為氣體在土壤中擴(kuò)散的主要動力，在濃度差的驅(qū)使下天然氣從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)遷移[16]。為了直觀地觀察甲烷泄漏后在土壤內(nèi)的分布規(guī)律，刻畫泄漏發(fā)生后10 min、20 min、30 min和40 min時刻經(jīng)過泄漏孔中心的隧道斷面上的甲烷體積分?jǐn)?shù)等值線圖，如圖3所示。由等值線圖可見，甲烷泄漏后在土壤內(nèi)的擴(kuò)散范圍隨時間逐漸增大，左側(cè)隧道壁的存在阻擋了其向左繼續(xù)擴(kuò)散，使得甲烷更快擴(kuò)散到泄漏孔上方的空氣區(qū)域內(nèi)，然后沿著隧道拱頂向泄漏孔左右兩側(cè)的空氣區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散。以甲烷體積分?jǐn)?shù)值為0.05的等值線為例，4個時刻甲烷在土壤內(nèi)的最大擴(kuò)散半徑分別為0.90 m、1.15 m、1.25 m和1.30 m，可見擴(kuò)散半徑隨時間持續(xù)增大，但是增長速率卻迅速降低，由此可推斷土壤內(nèi)甲烷的擴(kuò)散半徑將會在一定時間后達(dá)到穩(wěn)定值，甲烷泄漏量與土壤向空氣區(qū)域釋放的甲烷量將達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)[17]。此外，等值線圖在泄漏孔附近密集程度最大，說明該處出現(xiàn)了較大的濃度梯度。

為驗證土壤內(nèi)甲烷濃度能在一定時間后達(dá)到穩(wěn)定值，以泄漏孔中心為原點，在土壤內(nèi)按照一定的規(guī)律取6個監(jiān)測點，監(jiān)測各點處甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時間變化的情況，監(jiān)測點位置示意圖如圖4所示，各點坐標(biāo)見表2。

表2 邊界條件和基本求解參數(shù)監(jiān)測點坐標(biāo)監(jiān)測點坐標(biāo)監(jiān)測點1(0,0,0)監(jiān)測點4(0,0.3,5)監(jiān)測點2(0,0.3,0)監(jiān)測點5(0,0,10)監(jiān)測點3(0,0.6,0)監(jiān)測點6(0,0,15)

燃?xì)夤艿肋\行壓力大，泄漏的甲烷很快在泄漏孔處堆積形成高濃度區(qū)域，向土壤內(nèi)的監(jiān)測點1、監(jiān)測點2和監(jiān)測點3擴(kuò)散。如圖5(a)所示，在泄漏發(fā)生后5 min內(nèi)這些監(jiān)測點處的甲烷濃度便趨于穩(wěn)定，只發(fā)生小幅度增長。監(jiān)測點1處甲烷體積分?jǐn)?shù)最終穩(wěn)定于1.0，監(jiān)測點2處甲烷體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定于0.179，監(jiān)測點3處甲烷體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定于0.092，泄漏孔向外0.3 m距離范圍的土壤內(nèi)甲烷濃度梯度最大。監(jiān)測點4、監(jiān)測點5和監(jiān)測點6處甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時間變化的曲線發(fā)生重合，為了直觀地觀察這3點處甲烷濃度變化情況，刻畫0～5 min內(nèi)3點處甲烷體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律(見圖5(b))，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點4處甲烷體積分?jǐn)?shù)在5 min時刻為0.001 07，監(jiān)測點5處甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.000 007 86，而監(jiān)測點6處甲烷體積分?jǐn)?shù)始終保持為0，說明甲烷在土壤內(nèi)的最大擴(kuò)散半徑大于10 m，但小于15 m。

2.2 甲烷在空氣區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律

由于甲烷密度小于空氣，在隧道頂部最容易富集，因此實際工作中監(jiān)測點設(shè)在隧道頂部,能夠盡早監(jiān)測到甲烷的泄漏。監(jiān)測點e位于泄漏孔正上方隧道頂，沿著隧道走向每隔10 m取一個監(jiān)測點，共取5個監(jiān)測點，如圖6所示。

由于隧道風(fēng)速為0時，以泄漏孔為中心，隧道內(nèi)甲烷的分布應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)左右對稱的狀態(tài)，因此只取泄漏孔左側(cè)的空氣區(qū)域內(nèi)甲烷的擴(kuò)散狀態(tài)進(jìn)行分析。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為0 m/s時，60 min內(nèi)各監(jiān)測點處甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化分為快速增長階段、緩慢增長階段和穩(wěn)定階段，離泄漏孔越近的監(jiān)測點甲烷濃度越高，泄漏發(fā)生10 min后離泄漏孔水平距離為40 m的監(jiān)測點a處檢測到甲烷。由于泄漏孔孔徑較小，泄漏的甲烷一部分被蓄積在土壤內(nèi)，另一部分通過土壤到達(dá)空氣區(qū)域內(nèi)，到達(dá)空氣區(qū)域的甲烷量少且不斷地從隧道兩端出口排出，導(dǎo)致60 min內(nèi)，僅有泄漏孔正上方的監(jiān)測點e在40 min后甲烷濃度高于爆炸下限(見圖7(a))。即在該初始條件下，管道發(fā)生泄漏后泄漏孔正上方隧道頂部存在爆炸危險，需加以防控。

為了探究泄漏發(fā)生后空氣區(qū)域內(nèi)的甲烷在空間上的分布規(guī)律，沿隧道走向，刻畫了隧道頂部甲烷濃度沿空間分布的時間變化曲線圖(見圖7(b))，圖中曲線再次說明泄漏發(fā)生40 min后,泄漏孔正上方隧道頂部處于爆炸極限范圍內(nèi)，而隨著時間的推移，處在爆炸危險區(qū)的區(qū)域范圍有所擴(kuò)大，60 min時隧道頂部6 m范圍內(nèi)的區(qū)域處于爆炸極限濃度范圍內(nèi)。10 min時甲烷沿隧道頂部向一側(cè)出口的擴(kuò)散距離為40 m，20 min后甲烷充滿隧道，隨著泄漏的持續(xù)發(fā)生，隧道內(nèi)各點處甲烷濃度差逐漸減小。

3 結(jié)論

結(jié)合隧道內(nèi)埋地燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)實況，建立管道泄漏模型，利用Fluent軟件對甲烷泄漏后在土壤和空氣區(qū)域內(nèi)的連續(xù)擴(kuò)散行為展開研究，得到如下結(jié)論：

(1)泄漏的甲烷在土壤內(nèi)主要依靠濃度差呈球狀擴(kuò)散，10 min、20 min、30 min、40 min時刻甲烷體積分?jǐn)?shù)值為0.05的等值線在土壤內(nèi)的最大擴(kuò)散半徑分別為0.90 m、1.15 m、1.25 m和1.30 m，擴(kuò)散半徑隨時間持續(xù)增大，但是增長速率卻迅速降低。

(2)泄漏發(fā)生約5 min后土壤內(nèi)甲烷濃度趨于穩(wěn)定值，甲烷在土壤內(nèi)的最大擴(kuò)散半徑為10～15 m。

(3)60 min內(nèi)空氣區(qū)域中甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化分為快速增長階段、緩慢增長階段和穩(wěn)定階段，60 min時刻隧道頂部6 m范圍的區(qū)域處于爆炸極限濃度范圍內(nèi)，存在爆炸危險，需加以防控。

(4)10 min時甲烷沿隧道頂部向一側(cè)出口的擴(kuò)散距離為40 m，20 min后甲烷充滿隧道，隨著泄漏的持續(xù)發(fā)生，隧道內(nèi)各點處甲烷濃度差逐漸減小。