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擴展的風險。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?，增大了管道裂紋擴展的風險。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)生相變時的減壓波特性，并開發(fā)了相應的計算程序Decomwave，分析了氣質(zhì)、壓力、溫度對減壓波特性的影響，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。實例驗證表明，該模型不僅能夠準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)生的裂紋擴展速度，在這種條件下，斷裂得以持續(xù)擴展。對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]等國外學者對天然氣管道中的減壓波特性進行了理論和實驗研究。國內(nèi)對單相氣體和兩相流體壓力波波速的研究較多，但是對于天然氣由氣相進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。實際上，在管道起裂的初期只裂開1個小縫，隨著裂紋的擴展，裂縫越來越大，最終整個泄放氣體的通道才與管道的截面相當。
   采用PR、SRK、BWRS-PR及BWRS-SRK狀態(tài)方程進行相態(tài)計算。作出以下假設(shè)：任何一點都處于熱力學完全平衡狀態(tài)；絕熱流動，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；管道中為一維等熵流動。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)則對氣-液平衡計算結(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算模型為宮敬、徐孝軒[10]研究的氣液兩相管流壓力波速預測統(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)推導出的適用于多種流型的氣液兩相壓力波速預測統(tǒng)一模型，已得到國外公開發(fā)表不同流型下壓力波實驗數(shù)據(jù)的驗證。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。流體朝開口處的流動速度沿管長方向各點均不相同，其在減壓波前沿處的流動速度為0，在開口處的流動速度最大，即距減壓波的前沿越遠，流體的流動速度越大。
    流體流出速度的計算方法為[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的減壓波傳播速度。
2 模型驗證與比較
    為了驗證該減壓波模型的正確性，開發(fā)了相應的計算程序Decomwave。將Decomwave計算的結(jié)果與本文參考文獻[6]中的實驗數(shù)據(jù)進行比較分析，以驗證模型的準確性。由于篇幅限制，在此僅給出2組不同氣質(zhì)的驗證結(jié)果，其氣質(zhì)組成如表1所示。
 
    圖1為氣質(zhì)1減壓波波速計算結(jié)果與文獻實驗數(shù)據(jù)的對比圖，初始壓力為10.58MPa，溫度為-25.59℃。圖中“實驗測量值”指本文參考文獻[6]中通過實驗測得的數(shù)據(jù)，“Decomwave”為開發(fā)軟件計算的減壓波波速結(jié)果。
 

   由圖1可知，Decomwave計算的減壓波趨勢與文獻實驗結(jié)果較吻合，在從單相區(qū)到兩相區(qū)時出現(xiàn)了“平臺”，兩相區(qū)的計算結(jié)果與文獻實驗結(jié)果比較吻合。

   圖2為氣質(zhì)2減壓波波速計算結(jié)果與文獻實驗數(shù)據(jù)的對比圖，初始壓力為14.21MPa，溫度為4.61℃。由圖2可知，氣質(zhì)2較氣質(zhì)1減壓波波速計算結(jié)果與文獻實驗數(shù)據(jù)的偏差略大，但是其減壓波遞減的趨勢基本與文獻實驗數(shù)據(jù)相同。
    通過以上分析可知，雖然Decomwave與文獻實驗數(shù)據(jù)略有偏差，但是仍可準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行條件下的氣質(zhì)組成對減壓波特性的影響，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，初始壓力為12MPa，溫度為30℃。由圖4可知，各曲線出現(xiàn)“平臺”的壓力逐漸降低，“平臺”位置下降。由此可以推測，若氣質(zhì)組成中重組分含量減少至某程度時，減壓波曲線中的平臺將消失，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，增大了管道裂紋擴展的風險。

3.2 初始壓力的影響
為了研究初始壓力對減壓波特性的影響，以表2中氣質(zhì)4為例，保持初始溫度30℃不變，采用Decomwave軟件對不同初始壓力(6MPa、10MPa、15MPa)的減壓波波速進行計算，結(jié)果如圖5所示。
 

    從圖5可以看出，在相同的初始溫度下，隨著初始壓力的降低，起始點的減壓波波速逐漸減小。當減壓波曲線出現(xiàn)“平臺”時，減壓波曲線的“平臺”隨著初始壓力的減小而降低，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重要因素，對相態(tài)的影響尤為明顯。因此，以表2中氣質(zhì)3為例進行分析。采用Decomwave軟件計算了在初始壓力為12MPa時，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)組成和初始壓力下，隨著初始溫度的升高，減壓波“平臺”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入兩相區(qū)。對于管道實際運行工況來說，在相同的工況下，夏季將有利于抑制管道裂紋的擴展；反之，冬季溫度較低，增大了管道裂紋擴展的風險。
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)了相應的計算程序Decomwave。該模型采用PR、SRK、BWRS-PR和BWRS SRK4個狀態(tài)方程來計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(北京)建立的氣液兩相流聲速統(tǒng)一計算模型，給出了天然氣管道中減壓波傳播速度的計算模型。
    應用Decomwave軟件計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，將導致出現(xiàn)“平臺”的壓力增大，在減壓波曲線圖中平臺將升高；在相同的初始溫度情況下，隨著初始壓力的降低，減壓波波速逐漸減小；相同的初始壓力下，隨著初始溫度的升高，減壓波“平臺”逐漸降低，最終將消失。
參考文獻
[1] GROVES T K，BISHNOI P R，WALLBRIDGE J M E.Decompression wave velocities in natural gases in pipe lines[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，1978，56(6)：664-668。
[2] PICARD D J，BISHNOI P R.The importance of real-fluid behavior and non-isentropic effects in modeling decompression characteristics of pipeline fluids for application in ductile fracture propagation analysis[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering，1988，66(1)：3-12.
[3] MAXEY W A，KIEFNER J F，EIBER R J.Ductile fracture arrest in gas pipelines[M].USA：American Gas Association，Arlington，VA，1976.
[4] EIBER R，BUBENIK T，MAXEY W A，et al.Fracture control technology for natural gas pipelines[R].USA：American Gas Association Catalog No L51691，1993.
[5] BOTROS K K，GEERLIGS J，GLOVER A，et al.Expansion tube for determination of the decompression wave speed for dense/rich gases at initial pressures of up to 22MPa[C].Amsterdam：2001 International Gas Research Conference(IGRC)，2001.
[6] BOTROS K K，GEERLIGS J，ZHOU J，et al.Measurements of flow parameters and decompression wave speed following rupture of rich gas pipelines，and comparison with GASDECOM[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，2007，84(6)：358-367.
[7] MAKINO H，KUBO T，KISHIWA K T，et al.Prediction for crack propagation and arrest of shear fracture in ultra high pressure natural gas pipelines[J].ISIJ International，2001，41(4)：381-388.
[8] MAKINO H，SUGIE T.Natural gas decompression behavior in high pressure pipelines[J].ISIJ International，2001，41(4)：389-395.
[9] INOUE T，MAKINO H，ENDO S，et al.Simulation method for shear fracture propagation in natural gas transmission pipelines[c].∥Proceedings of The Thirteenth(2003)International Offshore and Polar Engineering Conference.Hawaii：[s.n.]，2003.
[10] XU Xiaoxuan，GONG Jing.A united model for predicting pressure wave speeds in oil and gas two-phase pipeflows [J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2007，60(3)：150-160.
 
(本文作者：宮敬 邱偉偉 趙建奎 中國石油大學(北京)城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室)