海底输气管道泄漏点压力变化特性的模拟研究*

时间：2024-07-28

高建丰周韶彤何笑冬李本祥

1浙江海洋大学石化与能源工程学院

2临港石油天然气储运技术国家地方联合工程实验室

3中油国际管道有限公司

海底输气管道是海上气体的主要运输方式，随着海上油气工业的迅速发展，海底管道敷设长度不断增加。但是海底管道长期暴露于恶劣的海洋环境中，承受各种复杂载荷，失效概率高[1]，一旦发生失效，由于其地理环境的特殊性其维修和更换都很困难，不仅会造成经济损失，还会污染海洋环境[2-3]。1967—2012年，墨西哥湾共发生海底管道泄漏事故184起，1998—2012年，我国国内公开报道的海底管道泄漏事故共19起[4]。

国内外学者关于陆地输气管道泄漏信号的研究有很多，高琳等利用CFD中的LES对气体管道泄漏进行了稳态分析和瞬态分析，重点研究了不同管道压力、不同的泄漏孔径，以及不同的管道气体流速对泄漏处压力波频谱特性的影响[5]。韩宝坤等的研究得出泄漏速率和管内压力呈线性关系，并且泄漏口对管内气流的影响范围比较小[6]。孟令雅等的研究得出泄漏点越靠近管道终点，泄漏越容易利用声波法进行判断[7]。但是关于海底油气管道泄漏的研究较少，且大多是针对于海底油气管道泄漏扩散规律的研究，对海底油气管道泄漏点压力变化的研究较少。李新宏等研究海底管道泄漏天然气扩散规律，得出海底天然气泄漏扩散大致经历气云团—大气泡—小气泡3种形态的变化过程[8]。马孜豪等研究在有无海流2种情况下，不同管径、不同泄漏速度对射流油柱形态扩散的影响，并得出相关结论[9]。宋金升等采用正交试验法对影响海底泄漏天然气扩散规律的主要因素进行研究，认为泄漏孔径大小和洋流速度是影响扩散规律的显著因素，泄漏速度是非显著因素[10]。海底管道所处环境较为恶劣，外部环境导致海底管道更容易发生泄漏，同时当管道发生泄漏时，也难以检测与定位，所以仅研究其海底输气管道泄漏扩散规律是不够的。虽然陆地输气管道检测方法对于海底输气管道也同样适用，但是由于其外部环境的不同，海底输气管道泄漏时压力变化有所不同。为了提高海底管道检测与定位的精度，本文在研究相关文献的基础上，利用Pipeline studio模拟软件进行海底与陆地输气管道的泄漏对比模拟，并提出一种海底管道的压力传感器最远安装距离的确定方法，对于提高海底输气管道泄漏检测准确度、降低成本具有一定的借鉴意义。

1 软件建模

以舟山市管道燃气气源厂的远期天然气为例（暂按东海天然气考虑），利用Pipeline studio 4.0模拟软件进行管道泄漏的动态模拟，管道泄漏的模拟示意图如图1所示。管段1、管段2长度均为60 km，内径355.6 mm，壁厚11.1 mm，粗糙度25.4。泄漏点处外界压力取东海海底平均压力0.7 MPa[11]，输入点采用压力控制，输出点采用流量控制。泄漏发生在第1 h，泄漏部位在0.1 h内发生泄漏，泄漏持续24 h，观察泄漏点压力信号在24 h内的变化。

图1 管道泄漏模拟示意图Fig.1 Schematic diagram of pipeline leakage simulation

2 管道泄漏模拟

2.1 不同外界压力对泄漏点的影响

海底输气管道发生泄漏时，其泄漏部位会立即有气体损失，导致泄漏点压力减小，同时外界环境产生的背压会对泄漏点产生影响。为探究输气管道在不同环境下发生泄漏后泄漏点的压力变化，选取了泄漏点外界压力为0.101 35 MPa（陆地）、0.7 MPa（海底）及1.0 MPa（海底）三种工况，利用Pipeline studio模拟软件进行泄漏点压力变化模拟[12]，具体变化如图2所示，其中左图为泄漏点压力在24 h内的总体变化，右图为10 h后的泄漏点压力变化放大图。

从模拟结果看出，当输气压力和泄漏孔径一定时，管道泄漏点压力下降趋势没有太大区别，但是在不同外界压力下，泄漏点压力稳定所需的时间以及稳定时的压力不同。具体如下：海底压力为1.0 MPa时，泄漏时间达到15.8 h泄漏点压力开始稳定，稳定压力为4.862 2 MPa；海底压力为0.7 MPa时，泄漏时间达到16.88 h泄漏点压力趋于稳定，稳定压力为4.875 6 MPa；陆地环境下，泄漏时间达到18.95 h漏点压力才趋于稳定，稳定压力为4.901 5 MPa。从模拟结果中发现，外界压力越大，管道泄漏时泄漏点压力衰减后达到稳定所需的时间越短，稳定时压力越小。产生此现象的原因是：当输气压力一定时，管道一旦发生泄漏，泄漏点气体会受到泄漏点处的外界压力的作用，其外界压力越大，与管道内压力的压差越小，泄漏点处压力越快速趋于稳定，并且压力越小。

2.2 不同泄漏孔径对泄漏点的影响

图2 不同外界环境下泄漏点压力变化Fig.2 Leakage point pressure changes in different external environments

为了探究在同一输气压力和外界压力条件下，不同泄漏孔径对泄漏点压力造成的影响，进行了同一输气压力下不同泄漏孔径时的应力变化模拟。输气压力为7.5 MPa，泄漏点外界压力为0.7 MPa，泄漏孔径为10～110 mm共11组，海底管道压力模拟结果如图3所示。

从模拟结果可以看出，在相同输气压力下，泄漏孔径越大，泄漏点的压降速率越大。同时当管道泄漏孔径d与管径D之比(d /D)小于0.084 4时（泄漏孔径小于30 mm），泄漏点压力变化极小，且压力很快重新稳定到一个值，其泄漏不易被发现；当d/D值在0.084 4～0.309之间时（泄漏孔径在30～110 mm之间），泄漏点压力会经历一段时间的衰减，然后稳定到一个值；当d/D值等于0.309时（泄漏孔径等于110 mm），压降过程发生上下波动现象；当d/D值在0.196 8（约0.2，泄漏孔径等于70 mm）时，泄漏点压力经过衰减后达到稳定所需时间最长[13]。

图3 同一输气压力下不同泄漏孔径时的压力变化Fig.3 Pressure change at different leakage apertures under the same gas delivery pressure

为了验证上述结论，取输气压力为5.0、6.0、6.5、7.0、8.0、8.5和9.0 MPa进行相同泄漏孔径的泄漏点压力变化模拟，其稳定所需时间如表1所示，从模拟结果和表1可以发现，上述结论成立。

表1 不同工况下泄漏点压力衰减后达到稳定所需要的时间Tab.1 Time required for the leak point to stabilize after the pressure drop under different operating conditions

由此可以推断出，当管径确定时，根据d/D的比值，可以确定压力传感器的最远安装距离[14]。其方法如下：以d/D=0.2为临界点，可计算出其临界泄漏孔径。确定输气压力、管径以及临界泄漏孔径后进行泄漏工况模拟，得到开始泄漏到压力稳定所需时间差t与压力速度v，计算出压力从开始衰减到稳定所经过的距离X(X =vt)，X则是传感器最远安装间距，距离超过X则压力稳定，测不出有用数据。