天然气管道泄漏规律及实验研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 20 1 S年 第 1 1 期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 0 5 天然气管道泄漏规律及实验研究 任荣亭， 孟照娟， 鞠军山， 刘 欣 ， 王丹丹 中国石油大学 华东 机 电装备教学实习总厂 ， 山东 东营2 5 7 0 6 1 摘 要 该文以管道气体泄漏与扩散测试装置为试验平台， 设计试验 ， 通过研究泄漏过程中管道气体压力 、 流量的变化趋势， 总结气体 泄漏规律， 重点讨论了对泄漏速率的影响。将理论计算数据与试验数据结合分析， 用o ri g i n 对理论公式进行修正 ， 力求理论模型的实 用性和通用性 ， 为泄漏过程的模拟和风险评价提供理论基础和数据支持。 关键词 气相； 管道； 泄漏； 实验； o ri g i n 修正 中图分类号 T H1 3 8 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 5 1 1 - 0 0 1 4 0 5 Na t u r e Ga s Pi p e l i n e Le a ka g e La w a n d Ex pe r i me n t a l Re s e a r c h R EN Ro n g - t i n g , ME NG Z h a o -j u a n ． J U J u n s h a n , L I U x i n ． WA NG Da n d a n T o t a l F a c t o r y o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c ， C h i n a Un i v e r s i t y o f P e tr o l e u m， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , wi t h t h e l i q u i d l e a k a g e a n d d i ffu s i o n t e s t d e v i c e a s the t e s t p l a t f o r m， b y d e s i g n i n g the e x p e rime n t t o s t u d y the t r e n d s o fp r e s s u r e a n df l o w r a t e o fg a sd u r i n gl e a k a g e ， t o S H i l l u pwi t hthel a w o f g a sl e a k a g e ， f o c u so nthei mp a c t o nl e a k a g e r a t e ． Co mp a r e dwi th the the o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s an d e x p e ri me n t a l d a t a ， an d c o r r e c t e d t h e t h e o r e t i c a l f o rm u l a wi t h o rig i n ， t o mak e t h e the o r e t i c a l mo d e l mo r e p r a c t i c a l a n d v e r s a t i l e ， a n d p r o v i d e a the o r e t i c a l b a s i s and d a t a s u p p o r t f o r s i mu l a t i o n a n d ri s k a s s e s s me n t o f the l e aka g e p r o c e s s ． K e y wo r d s g a s ； p i p e l i n e ； l e ak a g e ； e x p e ri m e n t ； o ri g i n c o rre c t i o n O 引言 天然气是 当今世界 的理想能源 ， 大力发展天然气 ， 既符合世界能源结构发展趋势， 也是提高能源效率和 缓解环境压力的重要途径之一 。天然气具有三大优势 特征 高效、 洁净、 方便 ， 因此天然气在全球能源消耗中 的比例有所提高u 。对于天然气的输送与分配需要大 型的管网系统， 这些管网系统多位于人 口密集区， 若发 生意外泄漏后果十分的严重。意外泄漏的主要原因则 是天然气管道泄漏 ， 而天然气泄漏速率是模拟评价天 然气管线泄漏事故过程中的重要因素之一， 对其研究 将有利于提高模拟评价结果 的准确性 。本文 以气体泄 漏装 置为试验平 台 ， 以空气代替天然气在管道 中的输 送来模拟泄漏过程的发生 ， 通过研究泄漏过程中管道 气体压力、 流量的变化趋势， 总结泄漏规律， 重点研究 各参数对泄漏速率的影响， 并用理论计算数据与试验 数据结合分析， 用o r i g i n 对理论公式进行修正， 力求理 论模型的实用性和通用性。 1 气体管道泄漏实验 1 ． 1实验装置系统组成 研究所用实验 系统是采用在实验室内建立的一套 收稿 日期 2 0 1 5 0 8 2 0 作者简 介 任荣 亭 1 9 6 5 - ， 男 ， 山东 东营人 ， 工程师 ， 学士 ， 主要从 事石 油化工新技术及分析仪器 的研发 工作。 1 4 模拟现场输送管道泄漏状况的实验系统 ， 主要组成有 空压机、 缓冲罐、 稳压阀、 预热器、 输气管道、 伴热系统、 泄漏模块、 控制台、 测试仪表、 采集处理系统等。 计 图 1 - 1气 体泄漏装置流程 图 1 ． 2 实验装置技术参数和指标 1 主要技术参数 1 压力参数 0 2 M P a ； 精度 0 ．0 4 ％， 不锈钢过程 隔离膜片。 2 温度参数 气相一 室温至 6 0 ％； 测定精度 0 ． 5 ℃ 。 3 流量参数 流量范围5 m 。／ h 以上， 流量连续可 调 ； 气相流量测量精度 1 ． 3 5％。 4 供 电电源电压类型 两相交 流 2 2 0 V、 三相交流 3 8 0V。 5 供电功率 2 0 K V A。 2 主要技术指标 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ．2 0 1 5 1 能进行模拟气相管道泄漏规律实验功能； 2 实 验 系统 能 完 成 压 力 范 围 02 MP a的泄 漏 实验 ； 3 系统 主管 气相 D N 2 5 ； 要求 主管及配套 阀门、 法兰、 仪表接口等耐腐蚀、 耐高压， 寿命在3 0 年以上； 选 用优质不锈钢材料。 4 具有多种方便可拆卸的泄漏模块， 并预留泄漏 渗透、 扩散、 管道腐蚀测试用实验空间及接口； 5 多层走向的水平管管路设计； 6 实时、 高精度的压力 、 流量等信号数字采集 系统 。 1 ． 3 实验方案的选择和处理 实验采用空气为介质 ， 使用上述实验装置进行气 体管道泄漏实验， 研究气体管道泄漏规律。设备提供 直径分别为 l m m、 1 ．5 m m、 2 m m的圆孔作为泄漏点， 实 验关键在于泄漏量的计量 一 1。选用设备中直接采集到 的数据为依据进行数据处理， 泄漏量的计算采用 前后 流量计差和设备中提供的累计流量法计算。前后流量 计差量 下标为 1 主要是实时计量 ， 而累计体积流量 下标为 2 在一定的程度上具有消减误差的效果 。 累 计体积流量选择 1 0 s 为计量单元， 共记录六组。气体是 可压缩流体， 不同的压力下空气的密度是不同的， 导致 在泄漏量计算的过程中要进行气体的质量换算， 有如 下的经验公式 p p 。 音 丽 卜 1 2 气体管道泄漏实验数据分析 在 不 同初 始 压 力 下 ， 对 不 同孔 径 1 m m、 1 5 m m、 2 m m 的圆孔进行模拟泄漏实验， 实验数据分析如下 2 ． 1泄漏入 口压力相同。 孔径不 同 泄漏入 口压力为0 ．7 3 M P a 时， 分别对孔径为 l m m、 1 ．5 m m、 2 m m的泄漏模块进行每隔1 s 做一次的数据采 集 ， 导 出数据 ， 用 E x c e l 进行数据处理 ， 得到泄漏人 口压 力随时间的变化图以及出人 口体积流量差随时间变化 图得 1 l mm L 径的泄漏模块 0 ． 7 3 5 O ． 7 3 0 ． 7 2 5 羔0． 7 2 长0 ． 7 l 5 甚0 ． 7 1 0． 7 0 5 O ． 7 图 2 - 1 1 mm孔径泄漏段 入 口压力随时间的变化 图 一 {6 囊 ； ． 时r 阅／ s 图2 - 2 1 mm孔径 出入口体积流量之差 对上述的数据在 E X C E L中进行处理得 泄漏时管内 压力为 0 ． 7 1 MP a ； 平均密度为 9 ． 5 8 k g ／ m ； 平均泄漏体积 为 7 ． 7 L ／ mi n ； 差量法泄漏的质量流量为 O ． 0 0 1 2 3 k g ／ s 。 2 1 ． 5 mm L 径 的泄漏模块 0 7 4 5 0 ． 7 4 ． 7 3 5 妻0 ．7 3 趟 O ． 7 2 5 0 ． 7 2 0 ． 7 l 5 时间／ s 图2 - 3 1 ． 5 mm孔径泄漏入 口压力 随时 间的变化量 时I两／ s 图2 - 4 1 ． 5 mm孔径 出入口体积流量差 在 E X C E L中进行数据处 理得 泄漏时管 内压 力 0 ．7 2 M P a ； 密度 9 ．7 4 k g ／ m ； 泄漏体积差 1 2 ．4 6 L ／ m i n ； 差 量计量泄漏的质量流量为 0 ．0 0 2 0 2 k g ／ s 。 3 2 m m L 径的泄漏模块 0 ． 7 4 5 0 ． 7 4 O ． 7 3 5 0．7 3 0 ． 7 2 5 嘏 O ．7 2 O ． 7l 5 0 ．71 时阆／ S 图2 - 5 2 mm孔径泄漏模块入口压力随时间的变化 } 2 1 0 8 躐6 澹1 0 ．2 时间／ s 图2 - 6 2 mm孔径出入口体积流量差 1 5 液 压 气 动 与 密 封 ／20 1 5年 第 1 1 期 数据统计处理得 泄漏时平均压力为 0 ． 7 1 6 MP a ； 密度为 9 ． 7 1 k g ／ m ； 体积差量为 2 8 ．5 L ／ m in ； 差量计量的 质量流量为 0 ．0 0 2 6 6 k g ／ s 。 由图2 - 1 到图2 - 6 可得 气体泄漏量与泄漏孑 L 径的 大小成正相关 ， 相 同的压力下孔径越 大泄漏越快泄漏 量也越大 】 。 2 ． 2 当泄漏孔径相 同， 泄漏入 口压力不同 不 同压力下 ， 对 同一孔 径泄漏模块进行 泄漏量实 验研究， 实验数据如表2 1 表2 - 1泄漏量与压力 绘制相应的泄漏量与压力关系图， 得 ∞ 删 熙 裁 压力／ MP a 图2 - 7泄漏量与压力变化的关系 根据上图基本可以判定泄漏量与压力正相关 ， 为了 更好的判定是否为线性关系， 用E x c e l 绘制线性图如下 间／ s 图2 8泄漏量随压力变化的线性回归图 如图所示 ， 尺 均 约为 O ． 9 9 ， 线性 关系较好 ， 泄漏量 与压力基本是成正比关系。 因此得出本次实验的结论 管道气体的泄漏量随 泄漏孔径的增大而增大， 与压力成正比。 3 经典气相泄漏模型应用与修正 3 ． 1气体泄漏质量流率有两种【7 - 。 l 音速流动的气体泄漏质量流率为 1 6 卸顾 y l 亚音速流动的气体泄漏质量流率为 QY C d A p 3 2 式中 Q 气体泄漏质量流率， 单位为k g ／ s ； c a 气体泄漏系数 ， 与裂 口形状有关， 裂口形 状为圆形时取 1 ． 0 0 ， 三角形时取 0 ． 9 5 ， 长方形时取 O ． 9 O ； A 裂 口面积 ， 单位为n l ； p 容器内介质压力， 单位为P a ； 卜泄漏气体或蒸气的分子量， 单位为g ／ to o l ； 尺 一理想气体常数， 单位为8 ．3 1 4 J ／ m o l k ； 卜气体温度 ， 单位为 K； 卜气体膨胀因子， 按式 3 3 计算。 Y 3 3 实验设备有限， 低压和高压条件下的泄漏不容易 模拟 ， 最后所能测得的比较完整的数据里面不能满足 亚音 速流动的条件 ， 所 以直接对经典公式进行 简 化 ， 得 Q O ． O 0 2 3 A p 3 - 4 3 ． 2 Q的理论值与实验值对 比 直径分别 为 1 m m、 1 ． 5 mm、 2 mm孔径 的横截面积分 别为 0 ． 7 8 5 x 1 0 i n 、 1 ． 7 6 6 1 0 一m 、 3 ． 1 4 x l O m 。 这里用“ a ” 和“ b ” 分别作为实验值与理论值的下 标。通过E X C E L 计算， 把不同孔径不同压力下的泄漏 量的实际值与理论值进行统计列在表3 1 。 表3 - 1相同压力不同孔径流量的理论值与实际值 压力 加 量 量误差 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ． 2 0 1 5 根据表 3 1 中所阐述的的数据 ， 用 E x c e l 画图 ， 得出 泄漏量随泄漏孔 的面积变化 的关 系图 O ． 0 0 l 2 0 ． 0 o1 0 ．00 0 8 Ⅲ 嘲 l 0 ． 0 0 0 6 鬟 o ，0 0 0 4 0 ，0 0 0 2 0 面积／ ram2 图3 - 1压力为O ． 1 3 3 MP a 流量与泄漏孔面积图 0 ． 0 0 2 5 0 ． 0 0 2 O ．0 ol 5 0 ． O 0 1 O ， mO 5 0 n面积／ mm 图3 - 2压力为0 ． 2 4 8 MP a 流量与泄漏孔面积图 0 ． 0 0 4 0 ． 0 0 3 5 0 ． 0 0 3 0 ．0 0 2 5 0 _ 0 0 2 i 截 oU ． u U．o o i O．0 0 0 5 O 面积， mm 图 3 - 3 压 力为 0 ． 4 9 8 MP a 流量与泄漏孔 面积图 O ．O O 4 5 0 ．0 0 4 O ． O O 3 5 O ．O O 3 0 ．o o 2 5 O ．O O 2 0 ． 0 0l 5 O ． o 0l O ．O O O 5 O 面积／ m m 图 3 - 4压 力为 0 ． 5 6 MP a 流 量与泄漏孔面积 图 _ 呐 删 艇 魍 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 o 01 面积／ mm0 图 3 5 压力为 0 ． 7 1 MP a流量与泄漏孔面积 图 根据表格与图形的显示， 误差与截面积有直接的 关系 ， 随着截面积 的增大误差也越来越大 。说明该公 式 ， 较适合 1 mm孔径的泄漏 ， 孔径再大就会失真。 3 ． 3 Or i g i n 拟合 根据上一部分的分析可知误差随泄漏孔直径变化 的规律性较强 ， 所以以面积为基本参数进行模拟得 遥 避 羞 j 亟 截 面积／ mm 注 图中黑点为 B ， 曲线为多项式拟合 图3 - 6 p 0 ． 1 3 3 MP a时对理论值与实际值的比值进行模拟 拟合所得直线的参数如下 DATA1 一B的多项式回归 Y AB1 日2 2 参数 数值误差 A 0． 78 1 7 5 0 曰1 0． 6 25 8 0 2 0 ． 0 3 7 3 3 0 R S D N P 1 O 3 O． 0 0 01 得拟合的曲线公式为 Y -- 0 ． 7 8 1 5 0 ． 6 2 5 8 一 0 ． 0 3 7 3 3 X2 整合流量的计算公式得 Q 3 可Q b 两 O ． O 0 2 3 A p 用该公式对不同压力下的泄漏量进行计算并误差 分析结果见表 3 2 表3 - 2 理论公式修正后的计算数据及误差 下转第 2 1 页1 7 ∞ I， 删赡裁 s ． 删赡锻 表3 系统得失电动作表 动作 a 压坯 抬起 事故 2 比例阀有良好的动态响应， 还可以与压力继电 器形成闭合回路。拉矫机在不同的模式下有不同的工 作压力 ， 减压阀的实际输出压力可由压力传感器测得， 该压力反馈给P L C ， 与设定值进行比较， 经过修正后的 信号放大后再去控制比例减压阀， 这样可以提高铸坯 质量和效率。 3 结论 1 拉矫机压下辊的压力是保证铸坯质量的一个 重要因素， 如何保证冷坯和热坯工作压力是设计拉矫 机液压系统最基本思想。 2 用普通先导式减压阀和换向阀构成的高低压 力切换回路是最经济实惠的， 比较适合传统的整体机 架式五辊拉矫机。但拉矫辊和矫直辊压力不能分开 调 ， 且冷坯和热坯只能获得一种压力 ， 不能用于生产多 I- 接第 1 7 页 竺 垫 种钢种断面。 3 用 比例减压 阀和差 动 回路构成 的压力 和速度 调节系统适合生产多种钢种断面， 压力在线调节， 自动 化程度高， 提高铸坯质量和生产效率。 4 用比例减压阀和事故回路构成的系统， 专门增 加了事故情况下使拉矫辊压下的功能， 安全系数更高。 参考文献 [ 1 】 刘光峰， 纪殿亮． 浅谈炼钢厂拉矫机液压装置密封改造[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 8 ， 【 6 6 0 6 2 ． [ 2 ]2 钱向红． 拉矫机液压系统分析与比较[ J ] 冶 金标准化与质量 ， 2 0 0 2 ， 4 0 3 1 3 2 3 3 ． [ 3 】 王浦江． ／ J 、 方坯连铸[ M】 ．2 版． 北京 北京钢铁设计研究总院和 中国金属学会连铸分， 1 9 9 8 ． 【 4 ] 罗晓林． 连铸拉矫机液压系统分析及改进[ J ] ． 流体传动与控 制 ， 2 0 0 5 ， 2 3 9 - 4 1 ． [ 5 】 孙福来 ， 邓志勇． 天钢大圆坯连铸机热坯压力的调试[ J ] ． 天津 冶金 ， 2 0 1 1 ， 4 1 9 2 1 ． 【 6 ]6 黄火兵， 夏伟， 屈盛官． 比例控制与插装阀技术的应用与发 展【 J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 4 2 2 9 2 3 1 ． [ 7 】 田明发 ， 车丽平． 差动回路在连铸拉矫机液压系上的应用 [ J ] ． 天津冶金 ， 2 0 0 8 ， 5 1 3 4 - 1 3 5 ． 0． 7 8 5 0 ． O 01 2 0 ． 0 01 3 0 ． 0 0 1 0 0 ． 1 8 0 O．71 1 ． 7 6 6 0 ． 0 0 2 0 0．0 02 9 0 ． 0 0 1 6 0． 1 77 3 ． 1 4 0 ． o 0 2 6 0．0 05 1 0 ． 0 0 2 1 0． 1 73 从表中数据可知， 修正后的公式进行计算 ， 所得误 差较小 ， 与实际的契合性更好一点， 特别是低压部分误 差均小于0 ． 0 5 可看作是与实际相同。 根据计算分析数据可知 理论公式更适用于小孔 径的模型计算， l m m L 径的理论公式计算数据基本与 实验值相同。 4 结束语 全文的主要研究内容和结论概括如下 1 利用学校内已有的较为完善的实验设备进行 气体泄漏实验研究 ， 记录孔泄漏的相关数据 ， 并进行处 理 ， 对不 同孔径 实验设备提供 l m m、 1 ．5 m m、 2 m m孔 径 ， 不同压力下的气体泄漏有直观的认识 ， 通过定量 的分析研究 ， 深刻的分析泄漏的规律， 泄漏发生后 ， 管 内压力下 降 ， 流量上升 ， 从一个平衡 达到另一个平衡 。 随着泄漏孔径的增大 ， 压力和流量的变化幅度增大 ， 泄 漏速率增大。 2 利用实验中的数据对理论公式进行校验， 发现误 差较大， 用0 r n 进行修正， 力求使理论模型与实际相近。 参考文献 [ 1 】 陆家亮． 中国天然气工业发展形势及发展建议[ J ] ． 天然气工 业， 2 0 0 9 ， 2 9 1 8 - 1 2 ． [ 2 ] 付吉强， 熊新强， 王芸， 杨志超， 程磊． 架空含硫天然气管道 泄漏扩散数值模拟研究[ J ] ． 当代化工， 2 0 1 l ， 4 0 1 O 1 0 7 9 1 0 8 3 ． [ 3 ] 王薇， 陈忱， 李英芹， 宋淑云． 天然气管道典型事故分析与 对策[ J 】 ．石油化工安全环保技术 ， 2 0 1 0 ， 2 6 6 2 5 - 3 0 ． [ 4 ] 董玉华， 周敬恩， 高惠临， 霍春勇， 冯耀荣． 长输管道稳态气 体泄漏率的计算『 J 】 ． 油气储运， 2 0 0 2 ， 2 1 8 1 1 - 1 5 ． 【 5 ] 刘 中良， 罗志云， 王皆腾 ， 张 建 ， 孙晓春． 天然气管道泄漏速 率的确定[ J ] ． 化工学报， 2 0 0 8 ， 5 9 8 2 1 2 1 - 2 1 2 6 ． 【 6 ] 顾文婷， 李超 ， 毕中毅．基于事故树分析法的长输管道泄漏 因素分析[ J ] ．石油工业技术监督， 2 0 1 0 ， 2 6 4 1 9 - 2 4 ． 【 7 】 杨昭， 张甫仁， 赖建波． 非等温长输管线稳态泄漏计算模型 f J 1 ． 天津大学学报 ，2 0 0 5 ， 3 8 1 2 1 1 1 5 - 1 1 2 1 ． [ 8 ] 黄小美， 彭世尼， 徐海东 ， 杨茂华． 燃气管道泄漏流量的计算 f J ] ． 煤气与热力 ， 2 0 0 8 ， 2 8 3 1 1 - 1 6 ． [ 9 】 于明， 狄彦， 帅健． 输气管道泄漏率计算与扩散模拟方法述 评[ J 1 ． 管道技术与设备 ， 2 0 0 7 ， 4 1 5 1 8 ． 2 1