海底管道泄漏天然气扩散规律数值模拟

为研究浅水区域海底管道泄漏天然气扩散规律,减少重大事故的发生,基于计算流体动力学(CFD)理论,建立海底天然气管道泄漏事故后果预测和评估模型。通过用户自定义函数(UDF)给出海流流速分布情况,结合VOF模型和k-e湍流模型,实现对泄漏天然气扩散行为的模拟,研究不同泄漏速率、泄漏孔径及海流流速对天然气在海水中扩散行为的影响。结果表明:海底天然气泄漏扩散大致经历气云团→大气泡→小气泡3种形态的变化过程;泄漏速率越大,扩散气体气泡半径越大,与海水掺混比例越小,抵达海面的时间越短;泄漏孔径变化对天然气扩散的影响与泄漏速率变化影响相同,但泄漏孔径变化对天然气扩散形态的影响更为明显;海流流速越大,气体扩散轨迹与海底的夹角越小,沿海流方向的扩散距离越大。     

海底管道波流力数值模拟

波流荷载是影响海底管道稳定的一个主要因素,为得到海底管道在波流共同作用下动力响应过程,基于边界造波法,通过叠加潮流,在Fluent软件中实现了波流条件的耦合,构建了垂向二维波流数值水槽,并将其应用于了海底管道波流力数值模拟计算。计算结果表明:模型计算结果与相关规范计算结果较为吻合,在波流耦合条件下,管道周围涡旋呈现周期性脱落,管道水平受力及垂直受力均呈现周期性波动,水平受力的波动周期及波动幅值要大于垂直受力情况的波动周期及幅度,管道各方向受力最大值及波动频率随着合流速的增大而增大。     

河流穿越管道小孔泄漏数值模拟

针对河流穿越管道泄漏后油品在水中的迁移扩散问题,采用计算流体力学中的有限体积法,选取标准K-ε湍流模型,建立河流穿越管道小孔泄漏的数值仿真模型。模拟了柴油在水域中的迁移扩散过程,并分析比较不同泄漏孔径、泄漏速度和水流速度条件下的油品体积分数和扩散范围。研究结果表明：泄漏速度、泄漏孔径和水流速度不仅直接影响油品在水中的扩散轨迹及迁移方式,而且会改变油品在水中的体积分数和扩散范围,该研究可为建立河流穿越管道漏油应急预报系统提供理论畚考。（图10,表1,参10）     

城市燃气管道稳态泄漏数值模拟

针对城市燃气管道分布与建筑物距离较近的特点,综合考虑风速、建筑物对燃气管道泄漏后气体分布情况的影响,建立城市燃气管道泄漏模型并对其进行网格划分,利用计算流体力学软件对天然气、人工煤气和液化石油气3种城市燃气的稳态泄漏过程进行数值模拟,考察风速分别为1 m/s和5 m/s情况下,泄漏时间为5 s、20 s、60 s和240 s时3种燃气在建筑物附近的分布情况.结果表明:风速越大,风对燃气向下风向的输送作用越强;燃气易在建筑物周围和街道峡谷内长时间堆积,形成较大危险区域.研究结果可为合理规划城市燃气管网和事故救援提供理论依据.     

海底管道泄漏事故统计分析

统计分析了墨西哥湾和中国海域203起海底管道泄漏事故,得出第三方破坏、冲刷悬空、管道腐蚀为事故主要致因。分析了第三方破坏的起因,提出了应对措施和维护方法。建立了海底管道悬跨鱼刺图模型,认为设计埋深不合理、施工埋深不足、未采取保护措施、施工质量不达标和地形数据不准确是导致悬跨的深层次原因,并提出悬跨防控措施。指出引起海底管道腐蚀的因素包括防腐层失效、阴极保护失效、管道自身缺陷等,给出了减少腐蚀泄漏的措施。统计分析结果可为降低海底管道运行风险水平、提高日常作业管理和事故应急能力提供参考。（图4,表1,参15）。     

海底管道立管局部冲刷数值模拟

基于κ-ε湍流模型,建立了海底管道立管与海洋平台桩腿相连接、海流流经海洋平台桩腿发生绕流现象的三维流场模型,模拟了冲刷过程中不同条件下立管附近流场及压力的变化,研究了海底管道立管局部冲刷机理.模拟结果表明:随着与立管连接的横管悬空量增大,立轴漩涡越来越密集,海底管道局部冲刷速度加快;在一定范围内,随着桩腿与立管间距的增大,冲刷速度加快,但是当该间距增大到一定程度时,冲刷速度逐渐减慢;增大桩腿的直径,可以减少海流携带泥沙量,冲刷作用得以减缓.     

海底管道腐蚀缺陷处阴极保护数值模拟

海底管道表面很容易因为腐蚀形成缺陷点,具有深度大、传播快且检测困难的特点,对管道安全运行产生很大隐患。通过数值模拟方法研究了X80海底管道钢表面存在腐蚀缺陷时缺陷点内部对阴极保护产生的屏蔽作用,利用有限元方法模拟缺陷处的局部电位和阳极/阴极反应电流密度。结果表明:在腐蚀缺陷处阴极保护电流被部分屏蔽,特别是在缺陷的底部位置;缺陷处对阴极保护的屏蔽作用随着缺陷深度的增加和宽度的减小而越来越强。研究结果可为现场海底管道腐蚀状况和剩余寿命的评估提供指导。     

天然气长输管道泄漏工况数值模拟

针对无风和有风情况下埋地天然气管道的管状扩散和渗透扩散泄漏过程建立了物理数学模型,使用Gambit软件对模型进行网格划分,运用计算流体软件Fluent进行数值模拟,研究了两种泄漏过程在不同时刻的扩散区域和安全避让区域,以及土壤渗透率对天然气泄漏扩散区域和浓度分布的影响。结果表明：天然气泄漏在有风情况下对地面扩散的影响更大,当风速增大到一定程度时,仅在泄漏口上风向存在安全区域;泄漏天然气穿过土壤层后剩余速度的大小决定了扩散高度、范围和气流形态,相对低渗透土壤,穿过高渗透率土壤层的天然气在空气中形成的扩散区域更大,扩散高度更高,但后期两者扩散范围基本相同。（图8,参10）     

海底管道泄漏快速封堵试验

针对目前管道快速封堵技术存在的各种问题,基于新型橡胶复合材料的开发,开展了海底管道泄漏柔性自黏式气囊封堵技术研究,研制了具有自主知识产权的自黏式快速封堵气囊。模拟试验和海上现场试验结果表明:该封堵气囊具有承压和保压能力强、施工时间短、操作简便、成本低廉、安全可靠等优点,能够满足水深不小于25 m、管内压力为0.5 MPa、管径为80~600 mm的穿孔、裂口或管道弯曲等多种泄漏形态的海底管道快速临时封堵要求,同时可以满足清管及管道维修更换的应急处理要求,工程应用前景广阔。     

水流环境下海底管道溢油轨迹数值模拟

为了研究横流作用下海底管道微孔溢油运动轨迹及其影响因素,采用雷诺时均Navier-Stokes方程,结合标准k-e两方程模型和多相流VOF方法,在Fluent平台上建立二维数值模型。模拟结果与前人实验值对比,吻合较好。讨论了不同溢油初始速率与水流速率比值R0、溢油口密度弗劳德数Fr0(油品密度ro)对溢油水下漂移轨迹的影响,数值模拟结果反映出速率比值R0较小和油品密度ro较大时,由于溢油上浮慢,使污染范围增大,海面初现油膜的位置离溢油口水平距离较远,增加了溢油事故的发现和清理工作的难度。研究成果在海底管道溢油事故应急预报方面具有实际意义。     

原油管道油气爆炸实验与数值模拟

为研究油气体积分数对爆炸的影响,采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对输油管道油气爆炸发展机理进行研究。结果表明:油气体积分数是影响油气爆炸强烈程度的重要因素,原油油气爆炸的最大压力与初始体积分数有关。当油气体积分数为5.51%～7.06%时,体积分数越大,爆炸压力越大;当油气体积分数为7.06%时,爆炸压力达到最大值;当油气体积分数超过7.06%时,随着油气体积分数增大,爆炸最大压力反而变小。研究结果对揭示原油管道油气爆炸传播规律,减少管道爆炸事故具有指导意义。     

海底管道油水两相混合输送的数值模拟

建立了海底管道油水两相混合输送的数学模型,采用非结构化网格、有限容积法和均质流模型对海底管道的水力热力问题进行了研究,计算结果与某上岸管道运行数据吻合良好,说明该数值模拟方法是研究油水两相混输问题的一种有效方法.     

爆炸载荷作用下海底管道动力响应数值模拟

为研究爆炸载荷对海底管道破坏作用机理,考虑爆心距、管中所充流体等因素,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对爆炸载荷作用下的裸露充流体、埋地充流体、空管裸露、空管埋地4种工况下的管道分别进行动力学响应的数值模拟。研究表明:海底管道在裸露时受到的爆炸载荷作用力明显比埋地时大;在相同条件下,充流体管道比空管更能抵抗爆炸冲击;当受爆炸载荷冲击时,管道迎爆面和背爆面均可能发生破坏失效;爆心距越小,海管正对爆心垂向加速度越大,加速度峰值产生的时间越短,对管道破坏力越大。研究结果可为海底管道优化设计、安全施工及运行提供参考。     

含缺陷海底管道横向屈曲行为的数值模拟

海底管道在制造、敷设及运行过程中不可避免地会产生局部或整体初始几何缺陷。为了研究海床表面敷设的含缺陷管道横向屈曲行为,建立了含5种初始几何缺陷管道的横向热屈曲非线性数值计算模型,并验证了有限元模型的准确性,重点分析了缺陷类型、不直度对管道横向屈曲行为的影响。结果表明:横向屈曲变形是海底管道安全运行的一个重要威胁,不直度越大,临界温升越小,管道越容易发生横向热屈曲;在不直度相同的条件下,管道初始几何缺陷中心处曲率绝对值越小,抗横向热屈曲能力越强。基于无量纲分析法,提出了适用于含多种通用的初始几何缺陷海底管道的临界温升计算一般表达式,以期为海底管道抗热屈曲工程设计提供参考。(图10,表1,参23)     

海底输油管道阴极保护数值模拟

海底输油管道通常埋设在海底淤泥中,随着时间推移,海床的变化使得部分海底管道出现悬空,直接与海水接触,而海底管道在海水与海泥中的阴极保护和腐蚀状态不一样。通过建立数学模型,确定边界条件,利用有限元方法分别对海底管道在海水和海泥中的阴极保护情况进行数值模拟分析。结果表明:管道在海泥中的电位变化较小且较稳定;管道在牺牲阳极阴极保护下,海水和海泥中的腐蚀速率分别为0.064μm/a和0.053μm/a,远小于没有牺牲阳极阴极保护时钢结构在海泥区的平均腐蚀速率;牺牲阳极在海水中和海泥中的使用寿命分别为4.58年和13.3年。该结果可为海底管道腐蚀防护设计和安全管理提供理论参考。     

管道泄漏水力瞬变模拟研究

当管道某处突然发生泄漏时，泄漏处将出现瞬态压力突降，形成一个负压波，并以一定的速度向管道上、下游两端传播。根据泄漏产生负压波的原理，利用VB语言编写了泄漏水力特性分析程序。以设定的管道为例，分析了因泄漏引起的水力瞬变特性，分析结果可以为准确定位泄漏点提供帮助。     

中缅原油管道澜沧江跨越段原油泄漏扩散数值模拟

中缅原油管道澜沧江跨越段是整个中缅原油管道的"咽喉工程",确保其安全运行显得尤为重要.在相对于澜沧江跨越段下游的二维河流地图轮廓基础上,建立了跨越段溢油事故下游河道的二维计算域.采用SSTk-omega湍流模型,结合追踪多相流界面的VOF方法,针对澜沧江不同水期、不同泄漏位置、不同泄漏方式共12种泄漏工况分别进行了模拟...     

大庆油田天然气管道泄漏事故后果模拟

为防止天然气管道泄漏造成灾难性后果,采用蒸气云爆炸模型对天然气管道泄漏的火灾爆炸行为进行了模拟,计算出天然气管道泄漏后的死亡半径、重伤半径等,其结果可以为大庆油田天然气分公司应急救援提供技术支持。     

城市燃气管道泄漏的CFD模拟

通过建立3D和2D的CFD模型,对城市燃气管道遭受破坏后燃气的泄漏情况进行模拟,结果表明:风速与障碍物对燃气的扩散影响显著。风速越大,风沿下风向对燃气的输送作用越强,使燃气扩散加剧;障碍物前聚集的气体达到一定程度将漫过障碍物,从而在障碍物周围形成很大的危险区;当处于街道以下的燃气管道破裂时,街道峡谷效应对燃气扩散的影响较大。CFD模型具有较好的实际应用价值,可以更好地为城市燃气管道的安全管理、风险评估、事故调查、应急措施等提供依据。     

震后输气管道泄漏扩散数值模拟与对策研究

对地震引发天然气管道的泄漏与扩散过程进行了研究,建立了天然气管道泄漏量和扩散瞬态计算模型,提出了相应的求解方法,并以此为基础对天然气泄漏事故进行了危害性评价.介绍了震后天然气管道泄漏事故的维抢修方法,提出了包括应急响应程序、应急组织系统、应急防护与救援、应急预案和应急状态终止在内的一套完整的应急响应系统.该系统的应用可缩短维抢修时间,减少经济损失.