（油气储运工程专业论文）天然气输送管线的风险后果研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： r i s kc o n s e q u e n c er e s e a r c ho fn a t u r a lg a st r a n s m i s s i o np i p e l i n e o i l g a ss t o r a g e t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g w a gd a q i n g ( s i g n a t u r e ) 坠丝盥：堂 g a oh u i l i n ( s i g n a t u r e ) 璺：生：垒丝 a b s t r a c i t h ef a i l u r eo fn a t u r a l g a st r a n s m i s s i o np i p e l i n ec a nl e a d t oo u t c o m e st h a tp o s ea s i g n i f i c a n tt h r e a tt op e o p l ea n dp r o p e r t yi nt h ei m m e d i a t ev i c i n i t yo ft h ef a i l u r el o c a t i o n b y t h es t u d yo nt h ec o n s e q u e n c e so fn a t u r a lg a sp i p e l i n e sf a i l u r e ，t h eh a z a r da r e a sc a u s e db yf i r e a n de x p l o s i o nc a nb ef o r e c a s t e d ，a n da c c o r d i n g l yt h es a f ed i s t a n c e sc a nb ek n o w n t h e f o u n d i n g sn o to n l ys h o was i g n i f i c a n tm e a n i n gf o rp r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n ga c c i d e n t s ，b u t a l s op r o v i d eag o o dr e f e r e n c et od e s i g na n ds a f e t yo p e r a t i o no fn e wc o n s t r u c t e dp i p e l i n e s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lg a st r a n s m i s s i o np i p e l i n ei nc h i n a ，t h i sp a p e r s t u d i e sr e l e a s i n ga n dd i s p e r s i n gp r o c e s s i o no fr e l e a s i n gg a s ，a n dd e v e l o p sas i m p l ec a l c u l a t i n g m o d e lo fg a sr e l e a s er a t ea n dad i s p e r s i o nm o d e lf o rf o r e c a s t i n gt h eg a sc o n c e n t r a t i o no fl e a k y g a s b a s e do n t h ep r e v i o u sw o r k ，p o s s i b l eo u t c o m e so fa na c c i d e n t a lg a sr e l e a s ew e r e d e t e r m i n e db y p e r f o r m i n gt h e f a i l u r ee v e n tt r e ea n a l y s i sa p p r o a c h ，a n das e r i o u so f n u m e r i c a l l yc a l c u l a t i n gm e t h o d sf o rt h ef a i l u r ec o n s e q u e n c e sa n dr i s kv a l u eo fap i p e l i n ea r e p r e s e n t e dw i t hc o n s i d e r a t i o no ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc h i n a w i t hr e a lc a s e sc o n s i d e r e d ，t h e b a di m p a c t sf r o mt h ep i p e l i n ef a i l u r eo np e o p l ea n db u i l d i n g sa r ea n a l y z e d t h ec o n t r i b u t i o no f t h i sp a p e ri st h a tt h em e t h o do fr i s ka s s e s s m e n tf o rg a st r a n s m i s s i o np i p e l i n ei si m p r o v e dt oa l e v e lo fq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s k e yw o r d s ：n a t u r a lg a sp i p e l i n e ，r e l e a s e ，f a i l u r ec o n s e q u e n c e ，r i s ka s s e s s m e n t t h e s i s ：d e v e l o p m e n ts t u d y ( t h ep a p e ri ss u p p o s e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ) i i 学位论文创新性声明 x1 4 1 ；4 1 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一l 司工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名：矛礁日期：西f 乡z 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究牛在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：孤厶日期：油z 皇名 导师签名：曲夏日期：肋白s - - i g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 管道运输作为一种经济、有效、环保的运输手段，在石油工业发展的今天已成为世 界范围油气运输的首选工具，油气田集输管道以及许多跨省、跨国、跨洲的高压、大口 径油气长输管道正以每年4 x 1 0 4 千米的速度增长。目前，全世界油气管线总长估计已超 过2 0 0 x 1 0 4 千米，主要分布于中北美洲、西欧、中东、日本等地区。我国是管道工业起 步较晚的国家，现有长输油气管线1 8 6 1 0 4 千米。目前我国的在役油气长输管道8 0 以 上已进入“老龄”期( 管道设计寿命的晚期) 或“延期服役”，其中6 0 的管道已进入事故 多发期。这些管线9 0 以上埋设于地下，穿越地区广，地形复杂，土壤性质差别大，输 送介质易燃易爆且工作压力高，潜在危险很大，而且事故发生有隐蔽性。一旦发生失效， 管内气体介质就会泄漏到大气环境中。如果泄漏气体在扩散过程中遇到火源，将会引发 火灾或爆炸等事故，不仅对人身安全、环境造成重大威胁，同时也给国家带来巨大的经 济损失。 长期以来，因外部干扰破坏、腐蚀、材料缺陷和施工缺陷等原因造成的易燃易爆气 体泄漏而导致灾难性后果的报道在国内外屡见不鲜。根据美国1 9 8 6 - - - 2 0 0 3 年输气管道事 故统计i lj ，共发生事故1 3 7 1 次，造成5 9 人死亡，2 2 4 人受伤，财产损失达3 2 8 3 3 万美元。 在国内，从四川石油管理局对输气管道事故的分析中可以看出【2 1 ，1 9 7 1 1 9 9 0 年间，在 四川1 3 0 0 千米长的天然气输送管线上共发生了1 0 8 次爆炸事故。近十年来，我国的天然 气管道事业得到了迅速发展，但在管道建设、运行管理、日常维修、风险管理和故障排 除等方面还缺乏经验和技术，管线失效事故不可避免，安全的隐患和潜在的危险普遍存 在。为了预防事故的发生并为事故发生后提供积极补救措施，最大限度的减少事故的发 生所造成的经济损失、人员伤亡和对环境的破坏，对输气管线的风险后果进行深入的分 析和研究理所当然成为当前面临的一项新课题。 1 2 研究目的和意义 风险评估是一种基于数据资料、运行经验、直观认识的科学方法。通过风险量化、 为科学决策提供可靠的依据，以能够合理运用有限的人力和物力，采取最为适当的措施， 达到最为有效地减少风险的目的。随着在实践中开展风险评估的经验积累以及计算机应 用技术的发展，风险评估在长输油气管道上的应用是一个大有发展的新领域，它是风险 管理的基础，是安全生产的需要，是对管道进行全面和科学管理的重要方面。 通过风险分析和风险评价，能对管道所涉及的风险做出恰当决策，把发生风险的概 率降低到能合理做到的水平，有效防止油气输送管道危险事件发生。即使危险事件发生， 通过改进了的防范和控制措施，也可以大大降低损失的程度。这样在增强管线安全性的 西安石油大学硕士学位论文 同时又能合理利用资源获取最大经济效益。 对输气管线的失效后果进行分析，需要开展事故泄漏过程和泄漏源模型研究，用理 论描述事故泄漏发生发展的动态过程，提供物质的泄漏速率、总泄漏量等许多有用的定 量化信息。在此基础上对油气输送过程中可能产生的后果进行研究，建立灾害分析的事 故模型和数学模型，模拟分析危险介质泄漏扩散、火灾、爆炸灾害过程，同时根据失效 后果模型精确计算各种参数，如危险介质泄漏扩散后随时间在空间的浓度分布、燃烧热 辐射及爆炸冲击波在空问的分布等，以此划定灾害事故影响区域，划定安全范围。这对 于事故的预防与控制具有重要的指导意义，同时可为新建管线的安全设计、选择合适的 运行路线提供参考依据。 1 3 国内外研究现状 关于输气管线的风险分析，国外已进行了近3 0 年的研究，并取得了一定的成绩，已 经实现了由安全管理向风险管理的过渡，由定性风险分析向定量风险分析的转化，风险 分析已逐步规范化。如t r a n s c a n a d a 管线公司1 5 年前就开展了管道风险管理方法的 研究，其开发的p r i m e 方法是一个基于风险的高度结构化的定量方法，包括详细的参考 管线的空间位置、环境、标记杆信息，估算管道失效频率、可能后果和风险的模型；通 过对3 8 x 1 0 4 千米的管网分析，对输出的风险根据项目成本和效益进行评估，达到了最佳 的基于风险的项目管理。英国b g 天然气研究与技术中心在1 9 9 8 年推出了最新的管线风 险评价软件p i p e s a f e i 引。美国几家管道公司联合开发了l a p 风险评价软件【4 1 ，该软件采 用了半定量的风险指数风险评价方法，适用于管线失效数据库不完整时进行管线风险评 价的情况，在美国得到了广泛的应用。m u h l b a u e r 撰写的管道风险管理手册【5 1 ，详细 叙述了管道风险评估模型和评估方法，为世界各国普遍接受且作为开发风险评估软件的 重要依据。该书在1 9 9 6 年再版时增加了约1 3 篇幅介绍了不同条件下的管道风险评估修 正模型，目前它已成为世界各国开展油气管道风险评价研究工作的指导性文献。另外， 加拿大c f e r 公司在基于管线完整性管理优化工程项目中，研制开发出管线维护和检测 的风险分析软件包( p 删m d ) 1 6 j ，用于分析近海、陆地油气管线的失效概率、失效后果和 总风险的计算。 我国由于受管线建设时期的技术限制，许多管线营运至今存在不同的隐患，对管道 本身存在的安全问题，国内许多石油公司早在2 0 世纪9 0 年代初就开展评价工作。但对 于天然气管线的风险评价工作国内还处在起步阶段，而国外油气管线风险管理的研究成 果不一定完全适用于我国管道现状，因此，应根据我国管道的实际情况，有针对性地进 行有关风险评价的理论和方法研究。而且只有将这种研究建立在定量分析的水平上，管 第一章绪论 气体泄漏率的方法，如孔模型、管道模型、管一孔综合模型，这些计算方法己被国内的一 些文献初步引用。但是，对于管道的泄漏孔径大于孔隙而小于管径的稳态泄漏和非稳态 过程泄漏率的确定则没有较好的简便计算模型，尚待进一步研究。对于输气管线的失效 后果，国外研究机构，如s h e l l 、t h o r n t o n 研究中心1 7 j ，以甲烷、丙烷、乙烯及液化石油 气等作为泄漏介质，对其泄漏后果进行了大量的风洞和场地试验，获得了大量的试验数 据。特别是对紊流扩散的垂直射流火焰进行了大量的研究并建立了相应的火焰模型，对 于闪燃火灾、火球等失效后果也有一定的研究。对于泄漏发生更为严重的蒸汽云爆炸后 果，国外也有大量的文献报道。国内在开展这方面的研究起步较晚，再加上试验耗资大、 技术设备不完善等原因，没有开展大量的试验，主要针对储罐或压力容器的气体和液体 泄漏爆炸进行了一些研究。对于输气管线泄漏产生的蒸汽云爆炸的研究文献仅有零星的 几篇报道。由此可以看出，国内在天然气输送管线风险后果方面的研究确实有所欠缺。 以上分析可以看出，随着近些年我国老管线、老设施步入老龄服役期和高压、大口 径管线的建设，对油气管线进行风险后果的研究正引起重视，呈现出不断加强的趋势。 对事故后果模拟分析是进行灾害防治的基础，模拟分析的结果能够给石油、化工等企业 防灾救灾和安全设计提供重要的指导和参考，具有重要的理论价值和应用前景。 1 4 主要研究内容 输气管线风险分析是当前国外十分活跃的研究领域，已取得了创新的科研成果和明 显的经济效益。而我国在这方面尚处于初级研究阶段，基本上是采用定性分析方法。本 课题为国家自然科学基金项目“油气管线定量风险分析的理论和方法研究”的部分内容， 主要针对我国长距离输气管道，通过对现有模型的分析、研究和修正，进行气体泄漏率 计算、泄漏扩散范围模拟和失效可能发生的灾难性后果进行分析，建立灾害分析的数学 模型，确定风险值，从而把输气管线的风险评价建立在定量分析的基础之上。本论文的 研究成果在理论上具有创新性，在实践上可为我国输气管线的风险管理提供技术指导。 各章主要内容研究如下： 第一章简述了输气管线风险分析的研究背景、目的和意义，以及国内外研究现状。 第二章对国内外关于气体泄漏率的计算方法进行了介绍，重点针对在稳态和非稳态 泄漏情况下，泄漏孔径大于孔隙而小于管径的气体泄漏率计算模型进行了进一步研究， 提出了一种较为简便的稳态气体泄漏率计算方法。 第三章通过对高斯气体扩散模型的研究和修正，给出了天然气管线泄漏扩散的危害 模型。对比了各种典型管线事故情景下扩散天然气对人体造成的危害情况，并对危害区 域的范围进行了数值模拟，同时对影响气体扩散范围的因素进行了分析。 第四章采用事件树分析方法分析了天然气管道失效后果的形式，并分别对火球、射 流火灾、闪燃火灾和蒸汽云爆炸的特性规律进行了研究，给出了这四种危害后果的数学 模型，此外还推导了个体和建筑物安全距离的计算公式。 西安石油大学硕士学位论文 第五章结合具体工程实例，对天然气管线四种失效后果的数值计算方法进行了验 证，并且对各种后果给个体和建筑物造成的影响进行了分析和评价。 第六章对天然气管线的失效概率进行了研究，在此基础上对管线失效造成的个体风 险和社会风险进行了研究，给出了管线风险值的计算方法和管线风险评价标准。 第七章结合第二章至第六章的相关计算公式，利用v b 语言编制了输气管线定量风 险后果评价程序g p q r c a ，并对程序的主要功能模块及其使用方法进行了介绍。 第八章结论。 第二章气体泄漏率计算方法研究 2 1 前言 第二章气体泄漏率计算方法研究 输气管线的定量风险分析包括管线的失效概率计算和失效后果计算两部分，失效后 果计算是风险评价中关键的一步。在对失效后裹进行分析时，首先需要知道气体的泄漏 率，然后才能选用相应的气体扩散模型进行浓度预测和失效后果估算。欧洲输气管道事 故数据组织( e u r o p e a ng a sp i p e l i n ei n c i d e n td a t ag r o u p ) 按泄漏孔径大小将管线失效分为 三种类型【8 j ：孔隙失效( 泄漏孔径不超过2 0 m m ) 、穿孔失效( 泄漏孔径大于2 0 m m ，小于管 径) 和全截面破裂。对不同失效模式下的气体泄漏率有不同的计算方法。如美国工程院院 士l e v e n s p i e l 提出了储罐发生孔隙泄漏和管道全截面断裂时气体泄漏率的计算模型l 州； 英国学者c a t l i n 和尼日利亚学者o l o r u n m a i y e 分别用计算流体力学和特征值法计算了高 压输气管线破裂时的气体泄漏率【1 0 , 1 1j 。这些文献大多数只研究了孔隙泄漏和管线全截面 断裂时的情形，而对于泄漏孔径大于孔隙而小于管径的泄漏率计算，仅有西班牙学者 m o n t i e l 最先进行了初步研究，提出了管- 孑l 模型1 2 j 。但该模型的应用计算过程较为复杂， 需要寻求更为简便的计算方法。此外，一般的泄漏模型只考虑了稳态泄漏过程，即泄漏 率不随时间而改变。实际上，管线发生失效时气体的泄漏率是随时间发生改变的。而且， 在计算管线失效后离泄漏点不同距离处的气体浓度时需要知道气体的平均泄漏率。因此， 本文基于上述文献对输气管线在不同失效孔径条件下的气体稳态泄漏率及非稳态情况的 平均泄漏率进行了进一步的研究。 2 2 流体动力学基本方程 当气体在管内作高速流动时，管内流场中的压力变化较大，因此必须考虑气体密度 的变化，把管内气体看成是可压缩的流体。由流体动力学可知，管内可压缩流体作一元 稳定流动的过程可用以下方程来描述，即： 管内单位质量流体稳定运动的总能量守恒方程【9 】： a h + g a z + ( u 2 2 ) = q 一比 ( 2 1 ) 式中：h 一流体焓值，j k g ； g a z 一流体的位能变化，j k g ； u 一流体平均流速，m s ； g 一流体从外界吸收的热量，j k g ； 职一流体对外界作的功，j k g 。 单位质量流体稳定流动的机械能守恒方程【9 】： 西安石油大学硕士学位论文 g a z + ( u 2 2 ) + 陋p + w , + z f = o ( 2 2 ) 式中：p 一流体密度，堙伽3 ； p - 压力，m p a ； f 一摩擦损失，j k g 。 连续性方程： p u l l = c o n s t a n t ( 2 - 3 ) 式中：么一管道横截面积，m 2 。 状态方程： p m = p z r t ( 2 - 4 ) 式中：m 一气体摩尔质量，k g k m o l ； z 一气体压缩因子； r 一气体常数，取8 3 1 4g j ( k m o l i q ； 丁一气体温度，k 。 泊松方程： p o = c o n s t a n t ( 2 5 ) 式中： 一气体比容，m 3 k g ； k 一气体比热比，对于单原子气体取1 6 7 ，双原子气体取1 4 ，多原子气体取1 3 。 2 3 稳态气体泄漏率的计算方法研究 通常气体在管内的流动按管道绝热情况可分为等温流动和绝热流动两个过程，而实 际气体的流动过程则介于两者之间。不过，对于长距离输气管线而言，用等温过程和绝 热过程描述气体运动结果相似【1 引。描述管内气体泄漏示意图如图2 - 1 所示【14 1 。距管线起 点等效长度。处管线发生破坏。图中1 、2 和3 分别代表管线起点、失效处对应的管内 某点和泄漏点；p 、t 、u 和p 分别表示各点的压力、温度、流速及气体密度。 p 1 兀 “1 p l 图2 1 气体泄漏示意图 相关假设条件：( 1 ) 一维稳态流动模型；( 2 ) 管内天然气服从理想气体行为；( 3 ) 气体在 第二章气体泄漏率计算方法研究 管内的流动为绝热流动( 忽略气体与管道的热交换) ；( 4 ) 气体在泄漏口的流动为等熵流动 ( 可逆的绝热流动) 。 2 3 1 管道模型【9 】 管道模型是由于某种原因管线发生全截面断裂或泄漏孔径与管径接近相等时计算气 体泄漏率所采用的模型，该模型考虑了流体在管道中流动的内摩擦影响。泄漏处对应的 管内和泄漏t l - - - 者之间不存在等熵膨胀，且状态一样，即p 2 = p 3 = r 。利用机械能守恒 和总能量守恒来描述管内气体的绝热流动过程的方程微分形式如式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) ： u d u + 咖p + 2 丘蹦2 d l d = 0 ( 2 - 6 ) 砌+ u d u = 0( 2 7 ) 式中：d 一管道内径，m m ； h 一流体的焓值，j k g ； 厂f 一为范宁摩擦系数； 厂一达西摩擦系数，f = 4 厂f 。 这里引入马赫数尥，作为衡量气体压缩性大小的相似准则。当尥 1 时气体在管内为超声速流动。其 表达式如下： m o = u a ( 2 8 ) 以= x k e l p = 4 k z n t m ( 2 9 ) 式中：a 一气体当地声速，m s 。 引入质量流速公式： g=p u( 2 - 1 0 ) 式中：g 一气体的质量流速，k g ( m 2 s ) 。 摩擦系数是管道的相对粗糙度2 e d 和雷诺数r 。的函数【9 】似为泄漏孔径，m m ；e 为 管道的绝对当量粗糙度，m m ，取值参见附表1 1 1 。 在层流区，即当rs 时，e 2 0 0 0 ，f = 1 6 r ( 2 1 1 ) 在过渡区和湍流情况下，厂f 与凡关系由柯列勃洛克( c o l e b r o o k ) 公式给出： 去刊i 守万e + 焉) 弦 当心较大，达到完全湍流时，厂，与尼无关。 粗糙管道 去刊。g ( 半) 沼 qf 。 。 e 黼髓 去刊。g ( 篆) 弦 西安石油大学硕士学位论文 管道有效长度三。包括直管部分和相应的管件部分，其计算公式为： l 。2t p 枷+ 叫蒜舻( l 叼) 2t 。p 枷+ m 。k ( d 厂f ) ( 2 1 5 ) 式中：。一管道有效长度，m ； l 。* p 枷一直管长度，m ； l 阳一各管道附件的等效长度，m ；取值参见附表1 2 ； m 一管道附件个数； k 一各管道附件的压降系数。 假设整条管道摩擦系数一样，将式( 2 8 ) n 式( 2 - 9 ) 代入质量流速式( 2 1 0 ) n 可得： 乳m 一2m a l 皇嵩砒z 刮嵩 眩 气体热力学关系式： h ：l z r t( 2 1 7 ) k 一1 朋 代入式( 2 7 ) 并结合式( 2 4 ) f f l 式( 2 9 ) ，然后积分整理可得质量流速的另一种表达式： g = c o 。 式中：c o 一气体泄漏系数；在r 3 0 0 0 的非临界流条件下取0 6 1 ， 止i c t , t - ，对式( 2 7 ) 积分并结合式( 2 1 6 ) 禾1 1 式( 2 - 8 ) ，整理可得： 乏2 + ( 七一1 ) 讹。2 r l2 + ( k 一1 ) 此2 2 t l一_ l - 口1 结合式( 2 1 6 ) 矛h 式( 2 4 ) 有： 墨一些十 e l1 , 2 鱼一丝 一。 p im ，2 ( 2 1 8 ) 其它情况取1 0 。 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 对式( 2 6 ) 积分，并结合式( 2 8 ) 、式( 2 1 6 ) 、式( 2 - 1 9 ) 着- 1 1 式( 2 2 0 ) 整理可得仅与马赫数相 关的描述管内气体流动的方程式为： 丝圣! 生二! ! 竺! ： 讹。22 + ( 七一1 ) 地：2 _ ( 壶素) + 警= 。 沼2 1 ， n + 盖降种( 等) _ o ( 2 - 2 1 a ) 考虑式( 2 1 8 ) ，上式也可写为： h 坐2 成写或 第二章气体泄漏率计算方法研究 等，n ( 嚣) - 专( 等) ( 孵) ( 去一去) + 了4 f f l e = 。( 2 - 2 1 b ) 当管道较长，压差较大时，气体在泄漏孔处的流速可以接近声速达到临界流。此时， 尥2 = 1 ，所以，式( 2 1 6 ) 、式( 2 1 9 ) 、式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 可简化为： g + 砒鹰叫辱 互2 + ( 七一1 ) 他，2 互 k + 1 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 等l n 1 + 南i - ( 去。) + 警- o ( 2 - 2 1 c ) 式中：上标术代表临界流条件下的相关参数。 2 3 2 孔隙模型【9 】 孔隙模型将泄漏口看成是一个足够小的孑l ，将管道看成是一个足够大的容积的容器， 因而管内压力不受泄漏影响而发生变化，忽略管内摩擦的影响；气体膨胀过程为等熵过 程，因而气体泄漏率恒定，等于起始最大泄漏率。孔模型主要适用于储罐和管道发生小 孔失效时泄漏率的计算。描述气体流过泄漏孔的机械能守恒方程的微分形式为： h d h + 4 p p + f = 0 ( 2 2 4 ) 式中：f 一气体通过泄漏孔时产生的局部摩擦损失，j k g 。 对上式积分并结合式( 2 4 ) 和质量流速公式得孔口处气体泄漏率的计算式为： q d ，= c 0 4 ， ( 2 2 5 ) 式中，q d ，一气体泄漏率，堙居； 彳d ，一4 , t l 横截面积，m 2 。 孔口处气体泄漏率的大小取决于气体在孔口处是临界流还是非临界流。当点2 的压 力逐渐增加，达到某一临界值p 2 时，气体泄漏速度逐渐增加直到气体的声速。此时，点 2 的压力继续增加，泄漏速度保持不变，这种状态称为临界流状态。临界压力比 c p r ( c r i t i c a lp r e s s u r er a t i o ) 的表达式为： 肌 肌 = = 譬一暑。堕n 西安石油大学硕士学位论文 c p r 2 每_ ( 爿1 ( 2 2 6 ) 当只1 2 ( 即c p r ) 时，气体在孔口为临界流泄漏，将式( 2 - 2 6 ) 代入式( 2 - 2 5 ) 得临界流状态下孔口处气体泄漏率的表达式为： q o ，= a o ，t 2 ( 2 2 5 a ) 当 c p r ) 时，气体在孔口为亚临界流泄漏，此时孔口处气体泄漏 率用式f 2 2 5 ) 表示。 2 3 3 管一孔模型【1 2 1 4 】 当管线泄漏孔径大于孔隙而小于管径时，孔模型和管道模型计算结果误差较大，均 不再适用。然而这种泄漏在实际工程中总是存在的。西班牙学者m o n t i e l 针对此种情形 提出了一种新的理论模型【1 2 】。该模型考虑了理论上可能出现的三种情况，即当管内气体 为亚临界绝热流动时，在泄漏孑l 口处的可以是临界流等熵流动或是亚临界流运动；当管 内气体为临界流动时，在孔口处必为临界流动。国内学者董玉华f 1 4 】对m o n t i e l 提出的管 一孔模型进一步研究发现，管内和孔口均出现临界流动的情况在工程实际中并不存在， 因而在气体泄漏率的计算中只保留了前两种情形。 a 管内亚临界流，孔口临界流 当流动过程满足条件只 、 艇0 曼2 区 撂一d 一6 一4 v 0 6 01 i 下风向距离x ( m ) ( a ) 静风条件( u = l m s ) ，d o r = l o m m 一0 名专弋2 长i ! 夕7 下风向距离x ( m ) ( c ) u = 2 m s ，d o i _ = l o m m 言 、- 一 霾 鲁 尽 区 餐 5 0 3 0 j 嘉1 0 叵1 0 区 颦一3 0 5 0 ：、， 么扒2 i l l 长竺夕1 2 下风向距离x ( m ) ( b ) 静风条件( u = l m s ) ，d o r = l o o m m 一、：，1 坛* 2j 义：二少 下风向距离x ( m ) ( d ) u = 2 m s ，d o r = l o o m m 踟加。加舳 8 6 4 2 o乏4石巷 第三章天然气管线泄漏扩散危害分析及评价 g 、_ 一 h 扫匣 叫 h 尽 匿 蜒 下风向距离x ( m ) ( e ) u = 5 m s ，d o , = l o m m 吕 、- ， h 疆 l 亡u h 足 区 颦 ：、1 彩研2 ! ! 少 下风向距离x ( m ) ( du =