非开挖专业单位：隧道内埋地燃气管道泄漏扩散规律研究

在利用燃气管 实现资源合理调配的过程中，隧道内埋设燃气管道成为管 穿越山岭等复杂地形的首选方案。例如，中缅管道（国内段）隧道穿越共64处，其中较为典型的博南山隧道全长2502m，西气东输二线管道工程天山果子沟地段管道穿越了7条隧道。在役埋地燃气管道因为第三方破坏、腐蚀等原因会失效而导致燃气泄漏，继而引发的中毒、火灾及爆炸等事故时有发生。而隧道环境相对封闭，隧道内埋地燃气管道发生泄漏后燃气更易积聚达到最低爆炸极限浓度，产生爆炸危险。因此，需要对隧道内埋地燃气管道泄漏扩散规律进行研究，为泄漏点定位及泄漏发生后的应急处理提供指导依据。

隧道内埋地燃气管道泄漏扩散模型

PART01

工程背景、物理模型和 格划分

根据隧道内埋地燃气管道建设的实况，燃气管道所经隧道断面四周浇筑形成封闭区域，管道发生泄漏后在土壤内最远扩散至浇筑面，而渗出地面的燃气进入隧道空气区域内，继续扩散至隧道左右两出口而排出。根据现场实测数据，建立隧道内埋地燃气管道物理模型（图1）。该模型由天然气管道、土壤区域和空气区域组成，管道直径为1219mm，顶部覆土厚度为601mm，管道运行压力为12MPa，属于高压燃气管道。

图1 隧道内埋地燃气管道断面物理模型

模拟取100m长隧道作为研究对象，建立由天然气管道、泄漏孔、土壤区域和空气区域4部分组成的几何模型，泄漏孔位于管道中间位置，泄漏方向朝上，如图2(a)所示。为保证计算精度，采用MESH软件划分 格，采用四面体和六面体划分，经独立性检验， 格总数为291616，平均质量为0.82（图2(b)）。

图2 隧道内埋地燃气管道模型及 格划分

PART02

模拟条件设置

由于天然气中绝大部分为甲烷，因此以甲烷代表天然气进行相关计算和数值模拟。

泄漏孔条件

在天然气管道的各种破坏形式中，圆形小孔泄漏发生的频率最高。小孔泄漏发生时，由于泄漏孔径较小，同时忽略摩擦的影响，气体膨胀过程为等熵过程，可假定管道内压力不受泄漏的影响。由此，根据小孔泄漏定义，设定管道泄漏孔孔径为10mm；泄漏孔入口类型为压力入口，根据管道实际运行压力，设为12MPa；在入口气体组分设置中将甲烷气体质量分数设定为1。

土壤区域条件

数值模拟过程将土壤视为多孔介质材料，土壤多孔介质模型的建立是通过在动量方程中添加动量源项，将流体在多孔介质区域内所受到的阻碍转换为分布在流体上的阻力，从而模拟流体在多孔介质材料中的运动。

空气区域条件

隧道空气区域左右两出口为压力出口，压力大小为大气压101325Pa。燃气管道泄漏前，土壤和空气区域内的流体均为空气，天然气含量为0。根据数值模拟中燃气在土壤和空气区域内扩散的基本原理，结合实际情况，对模型的边界条件和基本求解参数进行设置（表1）。

表1 边界条件和基本求解参数

数值模拟结果及分析

模拟针对隧道内埋地燃气管道发生泄漏时在土壤和空气区域内的连续扩散行为，通过在土壤和空气区域设置一些监测点，监测泄漏发生后隧道内甲烷浓度的变化情况。

PART01

甲烷在土壤内的扩散规律

甲烷发生小孔泄漏后，首先接触土壤多孔介质，由于土壤的存在，泄漏孔口流动的气体的速度在短时间和小土壤范围内被削减，浓度梯度成为气体在土壤中扩散的主要动力，在浓度差的驱使下天然气从高浓度区向低浓度区迁移。为了直观地观察甲烷泄漏后在土壤内的分布规律，刻画泄漏发生后10min、20min、30min和40min时刻经过泄漏孔中心的隧道断面上的甲烷体积分数等值线图（图3）。

由图3可见，甲烷泄漏后在土壤内的扩散范围随时间逐渐增大，左侧隧道壁的存在阻挡了其向左继续扩散，使得甲烷更快扩散到泄漏孔上方的空气区域内，然后沿着隧道拱顶向泄漏孔左右两侧的空气区域内扩散。此外，等值线图在泄漏孔附近密集程度最大，说明该处出现了较大的浓度梯度。

图3 不同时刻甲烷体积分数等值线图

为验证土壤内甲烷浓度能在一定时间后达到稳定值，以泄漏孔中心为原点，在土壤内按照一定的规律取6个监测点（图4，表2），监测各点处甲烷体积分数随时间变化的情况。

图4 土壤内监测点位置示意图

表 2 边界条件和基本求解参数

燃气管道运行压力大，泄漏的甲烷很快在泄漏孔处堆积形成高浓度区域，向土壤内的监测点1、监测点2和监测点3扩散。如图5(a)所示，在泄漏发生后5min内这些监测点处的甲烷浓度便趋于稳定，只发生小幅度增长。监测点1处甲烷体积分数最终稳定于1.0，监测点2处甲烷体积分数稳定于0.179，监测点3处甲烷体积分数稳定于0.092，泄漏孔向外0.3m距离范围的土壤内甲烷浓度梯度最大。监测点4、监测点5和监测点6处甲烷体积分数随时间变化的曲线发生重合，为了直观地观察这3点处甲烷浓度变化情况，刻画0～5min内3点处甲烷体积分数变化规律（图5(b)），发现监测点4处甲烷体积分数在5min时刻为0.00107，监测点5处甲烷体积分数为0.00000786，而监测点6处甲烷体积分数始终保持为0，说明甲烷在土壤内的最大扩散半径大于10m，但小于15m。

图5 甲烷体积分数随时间变化的曲线

PART02

甲烷在空气区域内的扩散规律

由于甲烷密度小于空气，在隧道顶部最容易富集，因此实际工作中监测点设在隧道顶部，能够尽早监测到甲烷的泄漏。监测点e位于泄漏孔正上方隧道顶，沿着隧道走向每隔10m取一个监测点，共取5个监测点（图6）。

图6 空气区域内监测点位置

由于隧道风速为0时，以泄漏孔为中心，隧道内甲烷的分布应当呈现左右对称的状态，因此只取泄漏孔左侧的空气区域内甲烷的扩散状态进行分析。当环境风速为0m/s时，60min内各监测点处甲烷体积分数随时间的变化分为快速增长阶段、缓慢增长阶段和稳定阶段，离泄漏孔越近的监测点甲烷浓度越高，泄漏发生10min后离泄漏孔水平距离为40m的监测点a处检测到甲烷。由于泄漏孔孔径较小，泄漏的甲烷一部分被蓄积在土壤内，另一部分通过土壤到达空气区域内，到达空气区域的甲烷量少且不断地从隧道两端出口排出，导致60min内，仅有泄漏孔正上方的监测点e在40min后甲烷浓度高于爆炸下限（图7(a)）。

为了探究泄漏发生后空气区域内的甲烷在空间上的分布规律，沿隧道走向，刻画了隧道顶部甲烷浓度沿空间分布的时间变化曲线图（图7(b)），图中曲线再次说明泄漏发生40min后，泄漏孔正上方隧道顶部处于爆炸极限范围内，而随着时间的推移，处在爆炸危险区的区域范围有所扩大，60min时隧道顶部6m范围内的区域处于爆炸极限浓度范围内。10min时甲烷沿隧道顶部向一侧出口的扩散距离为40m，20min后甲烷充满隧道，随着泄漏的持续发生，隧道内各点处甲烷浓度差逐渐减小。

图7 空气区域内甲烷的分布规律

结论

结合隧道内埋地燃气管道建设实况，建立管道泄漏模型，利用Fluent软件对甲烷泄漏后在土壤和空气区域内的连续扩散行为展开研究，得到如下结论：

1

泄漏的甲烷在土壤内主要依靠浓度差呈球状扩散，10min、20min、30min、40min时刻甲烷体积分数值为0.05的等值线在土壤内的最大扩散半径分别为0.90m、1.15m、1.25m和1.30m，扩散半径随时间持续增大，但是增长速率却迅速降低。

2

泄漏发生约5min后土壤内甲烷浓度趋于稳定值，甲烷在土壤内的最大扩散半径为10～15m。

3

60min内空气区域中甲烷体积分数随时间的变化分为快速增长阶段、缓慢增长阶段和稳定阶段，60min时刻隧道顶部6m范围的区域处于爆炸极限浓度范围内，存在爆炸危险，需加以防控。

4

10min时甲烷沿隧道顶部向一侧出口的扩散距离为40m，20min后甲烷充满隧道，随着泄漏的持续发生，隧道内各点处甲烷浓度差逐渐减小。

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