輸氣管道斷裂過程中減壓波傳播特性研究

摘 要

摘要：天然氣管道一旦發(fā)生斷裂，容易引起一系列重大事故，尤其是在高壓富氣管道斷裂過程中，管道中的流體可能由單相變?yōu)閮上啵龃罅斯艿懒鸭y擴(kuò)展的風(fēng)險(xiǎn)。為此，結(jié)合經(jīng)典的氣體單相流和
摘要：天然氣管道一旦發(fā)生斷裂，容易引起一系列重大事故，尤其是在高壓富氣管道斷裂過程中，管道中的流體可能由單相變?yōu)閮上?，增大了管道裂紋擴(kuò)展的風(fēng)險(xiǎn)。為此，結(jié)合經(jīng)典的氣體單相流和氣液兩相流聲速統(tǒng)一計(jì)算模型，建立了新的輸氣管道減壓波模型，研究了在減壓過程中發(fā)生相變時(shí)的減壓波特性，并開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序Decomwave，分析了氣質(zhì)、壓力、溫度對(duì)減壓波特性的影響，指出隨著重組分的增加、壓力的升高和溫度的降低，減壓波特性逐漸從單相中減壓波特性變?yōu)闅庖簝上嘀械臏p壓波特性。實(shí)例驗(yàn)證表明，該模型不僅能夠準(zhǔn)確描述干氣輸送管道斷裂過程中的減壓波傳播特性，而且能夠較好地描述富氣管道減壓波傳播過程中出現(xiàn)的相變過程及進(jìn)入兩相區(qū)后的減壓波特性，可用于輸氣管道斷裂過程中減壓波傳播特性的研究。
關(guān)鍵詞：減壓波；兩相流聲速模型；氣體單相流聲速模型；輸氣管道；氣質(zhì)；壓力；溫度；Decomwave
    天然氣高壓輸送管道一旦發(fā)生斷裂，往往引發(fā)不堪設(shè)想的重大事故。輸氣管道開裂后，由開裂處向兩端各傳播1個(gè)減壓波，減壓波速度的最大值即裂尖處的減壓波速度為聲速。在氣體介質(zhì)中，聲速較小，減壓波傳播速度慢，通常低于管壁上發(fā)生的裂紋擴(kuò)展速度，在這種條件下，斷裂得以持續(xù)擴(kuò)展。對(duì)于高壓富氣輸送管道來說，在減壓過程中容易發(fā)生相變，出現(xiàn)氣液兩相共存的現(xiàn)象，導(dǎo)致減壓波特性發(fā)生明顯的變化。因此，富氣的減壓波特性研究對(duì)于裂紋止裂具有重要的意義。
    Groves[1]、Picard & Bishnoi[2]、Maxey[3]、Eiber[4]、Botros[5～6]、Makino[7～9]等國外學(xué)者對(duì)天然氣管道中的減壓波特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。國內(nèi)對(duì)單相氣體和兩相流體壓力波波速的研究較多，但是對(duì)于天然氣由氣相進(jìn)入氣液兩相的減壓波波速研究較少。為此，在國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，引入兩相流聲速計(jì)算統(tǒng)一模型，建立了新的輸氣管道減壓波模型。該模型不僅能夠計(jì)算干氣輸送管道斷裂過程中的減壓波傳播特性，而且能夠較好地描述富氣管道減壓波傳播過程中出現(xiàn)的相變過程及進(jìn)入兩相區(qū)后的減壓波特性。
1 減壓波模型
    該模型假設(shè)管道的開裂處與斷面相當(dāng)。實(shí)際上，在管道起裂的初期只裂開1個(gè)小縫，隨著裂紋的擴(kuò)展，裂縫越來越大，最終整個(gè)泄放氣體的通道才與管道的截面相當(dāng)。
   采用PR、SRK、BWRS-PR及BWRS-SRK狀態(tài)方程進(jìn)行相態(tài)計(jì)算。作出以下假設(shè)：任何一點(diǎn)都處于熱力學(xué)完全平衡狀態(tài)；絕熱流動(dòng)，忽略傳熱和摩擦的影響；氣相和液相之間沒有速度滑移；氣體和液體之間的界面為平面，即不考慮由液滴引起的界面張力效應(yīng)；管道中為一維等熵流動(dòng)。由于所輸送介質(zhì)為多組分流體。因此狀態(tài)方程所使用的混合物規(guī)則對(duì)氣-液平衡計(jì)算結(jié)果有重要影響。模型使用的混合物規(guī)則為經(jīng)典的Vander Waals單流體混合規(guī)則，是最古老、最簡單也是最常用的混合規(guī)則。
    輸氣管道在理想的輸送工況下，管道中所輸送的為單相氣體，其聲速可表示為：
 
式中c為聲速；p為壓力；ρ為氣體混合密度。
   管輸氣體在管道斷裂過程中一旦進(jìn)入兩相區(qū)，減壓特性將發(fā)生很大變化。研究中采用的兩相流聲速計(jì)算模型為宮敬、徐孝軒[10]研究的氣液兩相管流壓力波速預(yù)測(cè)統(tǒng)一模型，其是在雙流體模型基礎(chǔ)上，通過引入虛擬質(zhì)量力系數(shù)推導(dǎo)出的適用于多種流型的氣液兩相壓力波速預(yù)測(cè)統(tǒng)一模型，已得到國外公開發(fā)表不同流型下壓力波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。該統(tǒng)一模型為：
 
式中Cvm為虛擬質(zhì)量力系數(shù)；RG、RL分別為氣、液相含氣率；ρG、ρL分別為氣、液相密度；aG、aL分別為氣、液相聲速。
    管道發(fā)生斷裂后，管中的流體立即從開裂處向外流動(dòng)。流體朝開口處的流動(dòng)速度沿管長方向各點(diǎn)均不相同，其在減壓波前沿處的流動(dòng)速度為0，在開口處的流動(dòng)速度最大，即距減壓波的前沿越遠(yuǎn)，流體的流動(dòng)速度越大。
    流體流出速度的計(jì)算方法為[5]：
 
式中u為流出速度；ρ為流體密度；c為流體聲速。
    因此，根據(jù)減壓波波速等于聲速與流體流出速度之差即可得出相應(yīng)的減壓波傳播速度。
2 模型驗(yàn)證與比較
    為了驗(yàn)證該減壓波模型的正確性，開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序Decomwave。將Decomwave計(jì)算的結(jié)果與本文參考文獻(xiàn)[6]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。由于篇幅限制，在此僅給出2組不同氣質(zhì)的驗(yàn)證結(jié)果，其氣質(zhì)組成如表1所示。
 
    圖1為氣質(zhì)1減壓波波速計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，初始?jí)毫?0.58MPa，溫度為-25.59℃。圖中“實(shí)驗(yàn)測(cè)量值”指本文參考文獻(xiàn)[6]中通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，“Decomwave”為開發(fā)軟件計(jì)算的減壓波波速結(jié)果。
 

   由圖1可知，Decomwave計(jì)算的減壓波趨勢(shì)與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合，在從單相區(qū)到兩相區(qū)時(shí)出現(xiàn)了“平臺(tái)”，兩相區(qū)的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

   圖2為氣質(zhì)2減壓波波速計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，初始?jí)毫?4.21MPa，溫度為4.61℃。由圖2可知，氣質(zhì)2較氣質(zhì)1減壓波波速計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差略大，但是其減壓波遞減的趨勢(shì)基本與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相同。
    通過以上分析可知，雖然Decomwave與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略有偏差，但是仍可準(zhǔn)確描述減壓波傳播特性，尤其是減壓過程中出現(xiàn)從氣相進(jìn)入氣液兩相的減壓波特性的變化，可用于輸氣管道斷裂過程中減壓波傳播特性的研究。
3 天然氣減壓波特性研究
3.1 氣質(zhì)組成對(duì)于減壓波特性的影響
    以4種不同組成的天然氣來分析滿足管道運(yùn)行條件下的氣質(zhì)組成對(duì)減壓波特性的影響，其組成如表2所示。
 

    圖3為氣質(zhì)3～6的相包絡(luò)曲線圖，由表2和圖3可知，從氣質(zhì)3到氣質(zhì)6，氣質(zhì)組成逐漸變“輕”，其相包絡(luò)曲線的氣液兩相區(qū)域逐漸變小。圖4為不同氣質(zhì)組成的減壓波傳播曲線，初始?jí)毫?2MPa，溫度為30℃。由圖4可知，各曲線出現(xiàn)“平臺(tái)”的壓力逐漸降低，“平臺(tái)”位置下降。由此可以推測(cè)，若氣質(zhì)組成中重組分含量減少至某程度時(shí)，減壓波曲線中的平臺(tái)將消失，變?yōu)橐粭l光滑的曲線。也就是說，隨著重組分含量的增加，減壓波曲線容易進(jìn)入兩相區(qū)，壓力保持在高位不能迅速下降，增大了管道裂紋擴(kuò)展的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 初始?jí)毫Φ挠绊?/span>
為了研究初始?jí)毫?duì)減壓波特性的影響，以表2中氣質(zhì)4為例，保持初始溫度30℃不變，采用Decomwave軟件對(duì)不同初始?jí)毫?6MPa、10MPa、15MPa)的減壓波波速進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。
 

    從圖5可以看出，在相同的初始溫度下，隨著初始?jí)毫Φ慕档?，起始點(diǎn)的減壓波波速逐漸減小。當(dāng)減壓波曲線出現(xiàn)“平臺(tái)”時(shí)，減壓波曲線的“平臺(tái)”隨著初始?jí)毫Φ臏p小而降低，最終可能消失。
3.3 初始溫度的影響
    溫度是影響氣體特性的一個(gè)重要因素，對(duì)相態(tài)的影響尤為明顯。因此，以表2中氣質(zhì)3為例進(jìn)行分析。采用Decomwave軟件計(jì)算了在初始?jí)毫?2MPa時(shí)，在不同初始溫度(15℃、30℃、50℃)下的減壓波波速，結(jié)果如圖6所示。

    由圖6可知，在相同的氣質(zhì)組成和初始?jí)毫ο?，隨著初始溫度的升高，減壓波“平臺(tái)”逐漸降低，直至消失。即管道中溫度越高，減壓波減壓過程中越不易進(jìn)入兩相區(qū)。對(duì)于管道實(shí)際運(yùn)行工況來說，在相同的工況下，夏季將有利于抑制管道裂紋的擴(kuò)展；反之，冬季溫度較低，增大了管道裂紋擴(kuò)展的風(fēng)險(xiǎn)。
4 結(jié)束語
   通過合理的假設(shè)，建立了新的輸氣管道減壓波模型，并開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序Decomwave。該模型采用PR、SRK、BWRS-PR和BWRS SRK4個(gè)狀態(tài)方程來計(jì)算管道中流體的密度、逸度、比熱等特性。結(jié)合經(jīng)典的氣體單相流和中國石油大學(xué)(北京)建立的氣液兩相流聲速統(tǒng)一計(jì)算模型，給出了天然氣管道中減壓波傳播速度的計(jì)算模型。
    應(yīng)用Decomwave軟件計(jì)算分析了某管道不同氣質(zhì)、壓力、溫度條件下的減壓波特性。結(jié)果表明：重組分含量的微量增加，將導(dǎo)致出現(xiàn)“平臺(tái)”的壓力增大，在減壓波曲線圖中平臺(tái)將升高；在相同的初始溫度情況下，隨著初始?jí)毫Φ慕档停瑴p壓波波速逐漸減??；相同的初始?jí)毫ο?，隨著初始溫度的升高，減壓波“平臺(tái)”逐漸降低，最終將消失。
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(本文作者：宮敬 邱偉偉 趙建奎 中國石油大學(xué)(北京)城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)