输气管道断裂过程中减压波传播特性研究

摘 要

摘要：天然气管道一旦发生断裂，容易引起一系列重大事故，尤其是在高压富气管道断裂过程中，管道中的流体可能由单相变为两相，增大了管道裂纹扩展的风险。为此，结合经典的气体单相流和
摘要：天然气管道一旦发生断裂，容易引起一系列重大事故，尤其是在高压富气管道断裂过程中，管道中的流体可能由单相变为两相，增大了管道裂纹扩展的风险。为此，结合经典的气体单相流和气液两相流声速统一计算模型，建立了新的输气管道减压波模型，研究了在减压过程中发生相变时的减压波特性，并开发了相应的计算程序Decomwave，分析了气质、压力、温度对减压波特性的影响，指出随着重组分的增加、压力的升高和温度的降低，减压波特性逐渐从单相中减压波特性变为气液两相中的减压波特性。实例验证表明，该模型不仅能够准确描述干气输送管道断裂过程中的减压波传播特性，而且能够较好地描述富气管道减压波传播过程中出现的相变过程及进入两相区后的减压波特性，可用于输气管道断裂过程中减压波传播特性的研究。
关键词：减压波；两相流声速模型；气体单相流声速模型；输气管道；气质；压力；温度；Decomwave
    天然气高压输送管道一旦发生断裂，往往引发不堪设想的重大事故。输气管道开裂后，由开裂处向两端各传播1个减压波，减压波速度的最大值即裂尖处的减压波速度为声速。在气体介质中，声速较小，减压波传播速度慢，通常低于管壁上发生的裂纹扩展速度，在这种条件下，断裂得以持续扩展。对于高压富气输送管道来说，在减压过程中容易发生相变，出现气液两相共存的现象，导致减压波特性发生明显的变化。因此，富气的减压波特性研究对于裂纹止裂具有重要的意义。
    Groves[1]、Picard & Bishnoi[2]、Maxey[3]、Eiber[4]、Botros[5～6]、Makino[7～9]等国外学者对天然气管道中的减压波特性进行了理论和实验研究。国内对单相气体和两相流体压力波波速的研究较多，但是对于天然气由气相进入气液两相的减压波波速研究较少。为此，在国内外研究成果的基础上，引入两相流声速计算统一模型，建立了新的输气管道减压波模型。该模型不仅能够计算干气输送管道断裂过程中的减压波传播特性，而且能够较好地描述富气管道减压波传播过程中出现的相变过程及进入两相区后的减压波特性。
1 减压波模型
    该模型假设管道的开裂处与断面相当。实际上，在管道起裂的初期只裂开1个小缝，随着裂纹的扩展，裂缝越来越大，最终整个泄放气体的通道才与管道的截面相当。
   采用PR、SRK、BWRS-PR及BWRS-SRK状态方程进行相态计算。作出以下假设：任何一点都处于热力学完全平衡状态；绝热流动，忽略传热和摩擦的影响；气相和液相之间没有速度滑移；气体和液体之间的界面为平面，即不考虑由液滴引起的界面张力效应；管道中为一维等熵流动。由于所输送介质为多组分流体。因此状态方程所使用的混合物规则对气-液平衡计算结果有重要影响。模型使用的混合物规则为经典的Vander Waals单流体混合规则，是最古老、最简单也是最常用的混合规则。
    输气管道在理想的输送工况下，管道中所输送的为单相气体，其声速可表示为：
 
式中c为声速；p为压力；ρ为气体混合密度。
   管输气体在管道断裂过程中一旦进入两相区，减压特性将发生很大变化。研究中采用的两相流声速计算模型为宫敬、徐孝轩[10]研究的气液两相管流压力波速预测统一模型，其是在双流体模型基础上，通过引入虚拟质量力系数推导出的适用于多种流型的气液两相压力波速预测统一模型，已得到国外公开发表不同流型下压力波实验数据的验证。该统一模型为：
 
式中Cvm为虚拟质量力系数；RG、RL分别为气、液相含气率；ρG、ρL分别为气、液相密度；aG、aL分别为气、液相声速。
    管道发生断裂后，管中的流体立即从开裂处向外流动。流体朝开口处的流动速度沿管长方向各点均不相同，其在减压波前沿处的流动速度为0，在开口处的流动速度最大，即距减压波的前沿越远，流体的流动速度越大。
    流体流出速度的计算方法为[5]：
 
式中u为流出速度；ρ为流体密度；c为流体声速。
    因此，根据减压波波速等于声速与流体流出速度之差即可得出相应的减压波传播速度。
2 模型验证与比较
    为了验证该减压波模型的正确性，开发了相应的计算程序Decomwave。将Decomwave计算的结果与本文参考文献[6]中的实验数据进行比较分析，以验证模型的准确性。由于篇幅限制，在此仅给出2组不同气质的验证结果，其气质组成如表1所示。
 
    图1为气质1减压波波速计算结果与文献实验数据的对比图，初始压力为10.58MPa，温度为-25.59℃。图中“实验测量值”指本文参考文献[6]中通过实验测得的数据，“Decomwave”为开发软件计算的减压波波速结果。
 

   由图1可知，Decomwave计算的减压波趋势与文献实验结果较吻合，在从单相区到两相区时出现了“平台”，两相区的计算结果与文献实验结果比较吻合。

   图2为气质2减压波波速计算结果与文献实验数据的对比图，初始压力为14.21MPa，温度为4.61℃。由图2可知，气质2较气质1减压波波速计算结果与文献实验数据的偏差略大，但是其减压波递减的趋势基本与文献实验数据相同。
    通过以上分析可知，虽然Decomwave与文献实验数据略有偏差，但是仍可准确描述减压波传播特性，尤其是减压过程中出现从气相进入气液两相的减压波特性的变化，可用于输气管道断裂过程中减压波传播特性的研究。
3 天然气减压波特性研究
3.1 气质组成对于减压波特性的影响
    以4种不同组成的天然气来分析满足管道运行条件下的气质组成对减压波特性的影响，其组成如表2所示。
 

    图3为气质3～6的相包络曲线图，由表2和图3可知，从气质3到气质6，气质组成逐渐变“轻”，其相包络曲线的气液两相区域逐渐变小。图4为不同气质组成的减压波传播曲线，初始压力为12MPa，温度为30℃。由图4可知，各曲线出现“平台”的压力逐渐降低，“平台”位置下降。由此可以推测，若气质组成中重组分含量减少至某程度时，减压波曲线中的平台将消失，变为一条光滑的曲线。也就是说，随着重组分含量的增加，减压波曲线容易进入两相区，压力保持在高位不能迅速下降，增大了管道裂纹扩展的风险。

3.2 初始压力的影响
为了研究初始压力对减压波特性的影响，以表2中气质4为例，保持初始温度30℃不变，采用Decomwave软件对不同初始压力(6MPa、10MPa、15MPa)的减压波波速进行计算，结果如图5所示。
 

    从图5可以看出，在相同的初始温度下，随着初始压力的降低，起始点的减压波波速逐渐减小。当减压波曲线出现“平台”时，减压波曲线的“平台”随着初始压力的减小而降低，最终可能消失。
3.3 初始温度的影响
    温度是影响气体特性的一个重要因素，对相态的影响尤为明显。因此，以表2中气质3为例进行分析。采用Decomwave软件计算了在初始压力为12MPa时，在不同初始温度(15℃、30℃、50℃)下的减压波波速，结果如图6所示。

    由图6可知，在相同的气质组成和初始压力下，随着初始温度的升高，减压波“平台”逐渐降低，直至消失。即管道中温度越高，减压波减压过程中越不易进入两相区。对于管道实际运行工况来说，在相同的工况下，夏季将有利于抑制管道裂纹的扩展；反之，冬季温度较低，增大了管道裂纹扩展的风险。
4 结束语
   通过合理的假设，建立了新的输气管道减压波模型，并开发了相应的计算程序Decomwave。该模型采用PR、SRK、BWRS-PR和BWRS SRK4个状态方程来计算管道中流体的密度、逸度、比热等特性。结合经典的气体单相流和中国石油大学(北京)建立的气液两相流声速统一计算模型，给出了天然气管道中减压波传播速度的计算模型。
    应用Decomwave软件计算分析了某管道不同气质、压力、温度条件下的减压波特性。结果表明：重组分含量的微量增加，将导致出现“平台”的压力增大，在减压波曲线图中平台将升高；在相同的初始温度情况下，随着初始压力的降低，减压波波速逐渐减小；相同的初始压力下，随着初始温度的升高，减压波“平台”逐渐降低，最终将消失。
参考文献
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[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.
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[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：宫敬 邱伟伟 赵建奎 中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室)