气体管道泄漏模型的研究进展(标准版)

( 安全技术 )
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气体管道泄漏模型的研究进展
(标准版)
Technical safety means that the pursuit of technology should also include ensuring that people
make mistakes
气体管道泄漏模型的研究进展(标准版)
多年来，国内外许多专家和学者在管道输送安全性方面做了大量的研究工作，从管道的安全设计、管道的材质分析到管道泄漏检测技术等多方面进行了大量的研究[1-8]。

实际上，由于各种自然或人为的不可预料的因素，管道运输泄漏事故时有发生。

因此，对管道气体的意外泄漏进行泄漏影响区域分析及其扩散影响范围的确定，从而采取适当的措施，组织救援，对事故处理以及减少事故损失均具有举足轻重的作用。

管道泄漏速率的确定是分析泄漏扩散以及预测评价事故后果的基础和依据。

近年来，国内外相关专家和学者对于气体运输管道泄漏模型进行了一些研究[9-11]。

1泄漏模型
1．1一般泄漏速率模型
现行较普遍的气体泄漏速率的计算，是利用气体泄漏速率与其流动状态有关的特性，通过判断泄漏时气体流动属于声速(临界流)还是亚声速流动(次临界流)来确定其泄漏速率模型[9]。

气体流动属于声速流动，有：
时，气体流动属于亚声速流动，有：
式中pa——环境压力，Pa
p——管道内气体的压力，Pa
K——气体的等熵指数
qm——气体泄漏速率，kg/s
Gd——气体泄漏系数，当裂口形状为圆形时取1．00，三角形时取0．95，长方形时取0．90[9]
Aor——泄漏孔的面积，m2
M——气体摩尔质量，kg／ktool
R——摩尔气体常数，取8．314J／(mol·K)
T——气体温度，K
这种方法对于泄漏时管道内的气体压力恒定工况的计算是比较方便的，当因管道内压力降低而影响泄漏速率时，此模型就不适用了。

1．2小孔泄漏模型和管道泄漏模型[10]。

小孔泄漏指孔径小于20mm的孔的泄漏或断裂，孔径为20～80mm 的孔为大孔。

管道横截面完全断裂的泄漏模型则为管道泄漏模型[12] 。

这种气体泄漏模型将气体看成可压缩气体，应用流体力学的连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程描述气体的流动过程。

在理想气体状态方程中引入气体压缩因子来减少与实际气体的差别，即气体的状态方程为：
pV=ZnRT
式中V——气体的体积，m3
z——压缩因子
n——气体的物质的量，mol
图1是管内气体泄漏的示意图[12]
，它表示距管道某一阀门L处存在一个小孔，管道在此处发生穿孔或破裂。

点1为管道起始断面(即阀门所在的断面)上的一点，点2为与泄漏点在同一截面上的管内某点，点3为泄漏点。

pi 、Ti
、ui
、pi
(i
=1、2、3)分别指点l、2、3处的压力(单位为Pa)、温度(单位为K)、气体流速(单位为m／s)、气体密度(单位为kg／m3 )。

Ta
、ρa
分别指大气环境温度(单位为K)、大气密度(单位为kg／m3
)。

①小孔泄漏模型
对于小孔模型，考虑到孔径较小，假设管内压力不受泄漏的影响而发生变化，并且忽略摩擦的影响，气体膨胀过程为等熵过程，因而气体泄漏速率恒定，等于起始最大泄漏速率。

当孔口气体泄漏为临界流时，起始最大泄漏速率为：
当孔口气体泄漏为亚临界流时，起始最大泄漏速率为：
式中qm,max
——气体泄漏的起始最大泄漏速率，kg/s
CO——气体排放系数，对Re>30000的非临界流取0．61，其他情况取[10]。

②管道泄漏模型
当管道由于某种原因发生全截面断裂时，采用管道泄漏模型，图1中的点2和点3状态一样，即p2
=p3
=pao。

利用机械能守恒方程和总能量守恒方程来描述管内气体的绝
热流动过程[10]
：
式中u——气体泄漏时的流速，m／s
ρ——气体密度，kg/m3
F摩擦力，N
H——气体的焓，J
μ——动摩擦系数
L——泄漏点距起始点的距离，m
D——管道内径，m
上面的两种模型只是在小孔和管道全部断裂的情况下适用，而对于大孔泄漏就不适用。

大孔泄漏在实际工程中是非常普遍的，由于大多数管道埋在地下，经常会因操作不当或工程机械的使用不当受到损坏，发生气体泄漏事故[10]
，而这种泄漏不可避免会造成大孔泄漏。

在这种情况下，如果不知道气体泄漏模式，就很难确定事故的影响范围，给应急救援带来很大的盲目性，可能会造成更大的事故风险，如果运输的是易燃
易爆及有毒气体，其后果将更加严重。

1．3其他模型
有专家学者对天然气管道运输泄漏模型也进行了研究[12、14] ，将天然气在管道中的流动看成绝热过程，在泄漏点看成等熵过程，对中低压运输气体，考虑运输气体稳定与不稳定流动情况，运用能量守恒和动量守恒定律，得出一个关于气体管道运输的模型，这个模型适合稳定情况下的下列情况：①管道内为亚临界流，泄漏处为临界流；②管道内和泄漏处均为亚临界流；③管道内和泄漏处均为临界流。

此模型也适合于非稳定的情况，如泄漏一段时间后，管道停止供气而引起泄漏速率减小。

气体泄漏的模型为：式中Le——管道等效长度，m，是管道实际长度与压降系数函数的和[11]
对理想气体，根据连续性方程，其最大泄漏速率qm,max
可以用下式表示：
该管道泄漏模型适合于各种孔径，但也存在一些不足，它只适合于管道运输气体是中低压的情况，也就是将管道中气体看成是理
想气体，而不适合高压的情况。

2结论
以上管道泄漏速率的3种模型都有各自的适用范围，因此应根据管道运输泄漏的具体情况，分析选取合适的泄漏模型。

在大多数情况下，可以将上面3种模型结合起来使用，取长补短，优势互补。

研究更加切合管道运输实际情况的泄漏模型将是管道泄漏模型的发展方向，也是对管道泄漏事故后果进行评价的迫切需要。

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