【埋地天然气管道泄漏的相关理论基础综述12000字】

埋地天然气管道泄漏的相关理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u18097埋地天然气管道泄漏的相关理论基础综述 1284771.1事故统计 2215061.1.1国外事故统计 2169321.1.2国内事故统计 2151931.2天然气管道泄漏的原因 3312561.1.1外来损伤 479881.1.2安装缺陷 4108891.1.3管材缺陷 5318731.1.4设计缺陷 5160991.1.5操作、维护管理不当 5210701.1.6腐蚀失效 5158801.3泄漏气体的概述 6102011.3.1气体扩散模型 6180741.3.2气体泄漏危险特性 7276921.3.3泄漏事故严重程度 8293441.4土壤概述 8173351.4.1土壤基本分类 913541.4.2土壤的冻融 10152251.4.3土壤冻融对管道影响 1071371.5多孔介质 11222041.5.1孔隙率 1189961.5.2渗透率 12213631.6气体射流理论 1273291.6.1射流概念及分类 1288851.6.2紊流射流场的形成与结构 12235041.7天然气状态确定 13158541.7.1天然气的物性参数 13248171.7.2气体在土壤中的流动状态 1417271.8流体力学基本理论 15266281.8.1连续性方程 1537401.8.2动量方程 16133921.8.3组分方程 18196311.9小结 18采用管道运输天然气是最主要的输送方法，天然气的产地大多都在偏僻地区，输送给用户使用，管道需要铺设很长的距离，在此之间管道会受到地理地貌、土壤因素等各种干扰，总会时不时的发生一些安全方面的问题，天然气的泄漏问题是发生次数最多，最为常见的问题。管道的内在因素和外界因素都会是泄漏事故产生的原因。泄漏在空气中的天然气遇火源极易造成火灾、爆炸等严重事故[29]。1.1事故统计1.1.1国外事故统计据相关统计，美国在最近20年由管道运输天然气引起的事故达800多起，已经导致了300多人死亡，上千人受伤，各方面的财产都受到了严重的损失。管道泄漏事故由此在美国得到了高度的重视，美国已经对输气管道加强了管理，制定了一些针对输气管道方面的法律和法规，以及子啊管道的调查、维护和安全措施等方面都做出了相关的一些明确规定。管道运输安全水平大幅提高，管道事故总体呈逐年下降趋势。欧洲在天然气工业领域相对于其他地方发展的比较早些，已经变的十分发达了。输气管道在欧洲经过多年的努力建设，已经将许多的欧洲国家连接了起来。输气管道在欧洲已经形成了复杂密集的系统网。1970至2007年，共发生管道事故近1200起。在2007到2010年这三年之中间，输气管道事故有80多次。其中，外界人为导致的事故率为48%，16%以上是因为材料问题和施工错误造成的，超过30%的管道事故是由腐蚀穿孔引起的。为了能够更好的了解天然气管道发生事故的原因和次数，自1982年起，欧洲的六家输气公司开始联合起来做调查工作，对各自所有的公司所发生的输气管道事故进行统计，还得到了其他输气公司的积极响应，到2005年，在欧洲西部地区已经有十多家的大型输气管道企业参与到该项目的研究工作，并且在此基础上成立了欧洲输气管道事故数据组织（EGIG），其组织所建立的相关数据信息推动了管道事故研究的发展。1.1.2国内事故统计近50年来，我国越来越重视油气管道产业的发展，天然气管道建设已具有相当规模。但是，由于我国管道技术相对落后，管道材料的研发水平不是特别高，造成了施工管理等方面的问题较多，因此管道时常出现事故。而且，我国相对与美国、欧洲等一部分国家，输气管道的泄漏事故发生次数多一些，事故统计分析也不是特别完善，事故处理水平有待大幅度提高和改善。对国内的106起输气管道事故进行了一个统计，爆炸和泄漏事故是主要的事故类型，其中55起事故是人为、地质和气候这种外界因素导致的，其中人为因素造成的事故最多，达到了44起，这与我国在对城镇化进行建设时，盲目施工和野蛮施工存在一定的关系；11起事故是气候灾害和地质灾害导致的，这与这些年自然灾害，例如地震、泥石流等发生的次数增加有关系；仅有30起泄漏事故是腐蚀穿孔导致的，常理腐蚀应该占很大的比例，但这次所占比例缺很少，这或许是这些年对旧管道进行了更换，新管道使用的时间较短，或许这次收集管道事故案例的范围是比较有限导致的。9起事故是由于管道的设计问题、施工质量和焊接质量的缺陷以及安装缺陷等人为造成的；7起事故是由于工作人员管理问题或不按规则操作导致的；5起是由于管道材料老化等原因导致的。具体见表1.1。表1.1近年来国内事故统计Table1.1statisticsofdomesticaccidentsinrecentyears破坏原因案例个数（106）比例（%）外来损伤（人为因素）4441%外来损伤（地质、气候）1111%腐蚀（内外腐蚀、应力腐蚀）3028%材料、施工、焊接、安装缺陷98.5%违规操作或管理不当76.5%材料老化及其他55%1.2天然气管道泄漏的原因现如今，天然气在中国的使用量在快速增加，输气管道安全的事故已为我国除了工业事故和交通事故之外的另一大杀手。中国石化企业的油气管道分布的十分广泛，穿越的地方较多，沿途自然条件大不相同。输气管道穿过沼泽、沙漠和山地，贯穿中原和中国西部的工业区和人口密集区，在这些地方都存在着环境对管道的威胁，并伴随着一些危险源。中国新疆等地区储藏了大量的天然气资源，但是每个地区的地貌千变万化，地理环境十分的复杂。输气管道百分之九十以上都长期埋在地下，管段类型也特别多，管道的自动系统控制的地方也很多，工艺非常的繁杂，每段输气管道的技术条件和服役条件的要求差别大，途中的社会和自然环境的变迁也很大，因此，输气管道的安全性和所处的环境问题尤为明显[31]；而天然气主要消耗地分布在中国东部地区，其原因是该地区沿海分布，经济发展速度较于西部来说很快，同时，跨境贸易和国内外学术交流的发展，使得城市的开放性高于西部地区。输气管道要经过的地区上的工程建设较多，建筑物和人员也很多，天然气具有易燃、易爆、扩散速度快等特点。所以在管道输送中，输气管道的断裂能够导致爆炸、火灾或中毒等一系列事故，不仅会造成经济上的巨大损失和环境上的污染，还会造成政治性的影响[32]。1.1.1外来损伤第三方施工破坏：指施工的工作人员野蛮施工会和车辆违章行驶会对管道进行碾压，输气管道都会受到破坏，还有一些人会故意的破坏管道[33]。主要是施工单位人员专业能力欠缺、违规作业、监管不到位和没有定期进行巡查，这些都是人为因素造成的。施工人员在进行施工作业时，由于没有经验，缺乏判断，根本不了解地下输气管道的铺设情况。相关资料显示，过去的十年间，上海发生的20起输气管道的泄漏和爆炸事故，其中19起是由人为因素造成的[34]。部分输气管道可能会被挤压，作用在管道上的压力不均匀，会让管道损坏的概率增加，造成输气管道的变形破裂，因此发生泄漏事故[35]。在春冬季节，输气管道受到外界人为破坏较频繁，而夏秋两季输气管道受到的破坏的次数比较少些。自然灾害：如沙尘暴、洪水、地震和飓风等一系列的自然界的灾害，可能会让覆盖管道的土体塌陷和移动，从而会导致输气管道的直接断裂，或者弯曲变形，输气管道就会大量的向外界泄漏。环境温度的变化也会对管道正常运行工作造成负面影响，由于热胀冷缩效应，埋地管道周围的土壤会变的松散，管道会因此而下沉一段距离，丛而会导致输气管道发生泄漏[36]。1.1.2安装缺陷输气管道的安装有非常细致的流程，并且需要十分规范的操作，如果铺设管道的工人不具备一定的专业能力，没有严格执行相应的规范和操作流程，焊工职业素质和技能不过关，无节制地加班赶工期，现场监管工作缺失焊接质量不合格就会产生管道各类的缺陷，从而导致管道失效，让管道使用质量大大降低。铸铁材料的机械连接接头容易发生失效而漏气，造成管道密封性缺乏。一个原因是接头处所用的垫圈和填料等出现老化、损坏。另一个原因是管道在安装和制造过程中施工过程存在问题。施工过程中的问题可能是焊接的质量不达标，或者输气管道穿越障碍物时管道壁面受到破损。根据输气管道泄漏的气体引起的火灾数据统计，管道间的焊接缺陷是造成火灾次数最多的原因[37]，焊接质量缺陷能够直接对天然气管道的运行过程产生影响，牵系管道安全性能。大部分的长距离输气管道采用埋地铺设，建成的管道投入使用后，一直是持续工作的状态。施工中的缺陷会增大运行以后的管道维修难度，管道在危险状态下进行工作，存在很大的事故隐患。长距离的输气管道还会沿着公路、铁路、河流等进行铺设，对于这些管道，完成铺设后要加强定期的维护。输气管道的维修起来特别的困难，所以在施工安装的时候，必须严格把控住质量这一关[38]。1.1.3管材缺陷输气管道材料的缺陷是导致输气管道发生泄漏事故的另一个关键因素。目前，中国输气管道的材质中铸铁管、钢管和塑料管所占比例较大[39]。管道的出厂质量缺陷、材料和工艺等因素都是能引起输气管道发生泄漏事故的因素。在输气管道的制作流程中，必须每个步骤严格把关以及生产工艺必须全面，才能够达到管道运行工作时的强度要求。输气管道的安装施工中，主要依据管道本身的材质去选择合适的连接方法，焊接是连接钢管的方式中最经典的。管材选择的不合适以及其他零部件的缺陷会造成管道的原始质量问题进一步引起输气管道的泄漏事故[40]。输气管道的铺设和制造过程中，会因为需要存在开口或分支的接头，管道的不连续性会让管道的应力在某一点上过度集中，交变应力的作用可以直接引起管道和部件的疲劳裂纹[41]。发现裂纹必须即刻修善完整，否则疲劳裂纹会逐渐外扩把管壁穿透，引起输气管道的泄漏事故。1.1.4设计缺陷设计缺陷经常发生在管材或管道上面，达不到对外界环境的要求，一直将气体输送到管道中。设计人员需要具备良好的相关专业知识，需提前考虑输气过程中的意外情况，杜绝管道的事故发生率，减少管道的维修工作量[42]。1.1.5操作、维护管理不当一方面，如果管道阀门在工作人员操作的时候受力过大，没有即刻泄漏口进行修复，管道的密封性不好，如不及时更换受损管道会造成泄漏引发的事故灾害。另一方面，管道也需要定期的维护和防腐保养。管道老化受损也容易诱发事故灾害。据相关统计，国内大约百分之九十的输气管道使用年限超过了二十多年，部分已经远超过他所预定的使用期限，如果不及时更换，财产损失会很大[43]。1.1.6腐蚀失效输送天然气的管道一直被土壤所覆盖，土壤具有异质性、多态性性、稳定性和空隙性四个独特的特征，因此土壤的不同性质分别会以不同的形式对管道进行腐蚀。输气管道会受到化学和微生物化学的作用，管壁的硬度会一点点变小，管壁会因为逐渐的腐蚀而产生穿孔现象[44]。输气管道受到土壤的腐蚀是安全问题的最大隐患，因管道腐蚀效应导致的天然气管道事故占到总计的百分之三十至百分之四十之间。外力对防腐层的严重破坏、防腐层附着力的降低和年久老化等都使能防腐保护层脱落[45]。此外，阴极保护电位高，材料保护不起作用以及防腐层中存在杂散电流都是管壁上涂抹的防腐层损坏的原因。在施工时，施工不规范和环境差，可能会致使管道整体的腐蚀质量和稳定性达不到要求[46]。输气管道中的气体中会夹杂一小部分气体具有腐蚀性，这小部分的气体及从土壤中混杂的水气在管壁上的凹陷位置聚集，逐渐在管壁上形成腐蚀穿孔。针对上文的各种问题，需对管道的运行工作加强管理和定期的维护，对管道的制作工艺和管道的操作规定必须严格执行，要对输气管道的运行流量、压力、温度和交变负荷深入的了解。建立巡回检查制度，对工艺指标参数、运行工况、系统稳定性、管道接头和阀门等关键位置的密封性以及管壁的防腐层等方面进行巡回检查，输配气系统的关键位置和关键管段要是为重点的检查对象，如天然气储罐、计量站的进出口、道路河流穿越、住宅区输气管线等。在此基础上也不能忽视管道的维护保养工作，要保持管壁表面完整，阀门开关灵活，压力表的灵活度准确、螺栓不松动等。在门站、储配站的安全运行及管理中，需注意储气罐的升降幅度，检修和涂漆防腐进行一个定期的工作安排。由于天然气本身具有一定的化学腐蚀性，因此管道必然会发生腐蚀穿孔。在有关规范允许的加固范围内，采用相应的维修手段立即修复，完工后还需要进行探伤、强度、气密性试验及检查验收。压缩机的安全维护管理应根据机型和气体特性来确定。压缩机运行中，应及时检查各机械摩擦部位的润滑情况，并测试轴承转动部位的壳体温度。1.3泄漏气体的概述1.3.1气体扩散模型依据气体和空气密度的大小对比，可以分为三种类型：轻气体（空气密度大于气体密度）；中气体（空气密度约等于气体密度）；重气体（空气密度低于气体密度）。对于气体因泄漏散发的相关求解算法主要包括建模求解法、实验分析法、风动实验分析法。甲烷是天然气中的最主要的组分，密度是0.7167kg/m3，天然气在空气中易扩散，由此可见，天然气气体密度低于空气密度，所以属于轻气体。所以泄漏类型属于轻气体泄漏范畴。表1.2是三个种类气体泄漏扩散流动的客观陈述。表1.2气体扩散过程描述Table1.2Descriptionofthegasdiffusionprocess气体类型密度扩散过程重气开始时候气体在自身惯性力和空气中风的作用下向外扩散，扩散的过程会产生卷吸效应，初始动量消失后，进入重力沉降阶段，由于气体的密度大于空气的密度，气体会沿着地表扩散，空气会一直对气体进行稀释，气体与空气温度存在差异还会有个热量交换的阶段，由于被空气稀释冲淡，重气会逐渐变为非重气，大气的湍流作用会对非重气的运动起主导作用。中性开始时气体受到自身惯性力和空气中风的影响，在运动中慢慢变形，大气的湍流作用对气体的运动起主导作用。轻气气体受到自身惯性力和外界风的作用在空气中流动。1.3.2气体泄漏危险特性输气管道发生泄漏时，扩散的天然气会被空气逐渐稀释，浓度值在爆炸和燃烧的范围内时，遇明火就会发生相应的事故，造成经济和环境等方面的损失。由于输气管道泄漏引起的爆炸事故，是气体泄漏事故中对社会造成的损失最为严重的。一下为泄漏气体的特点：（1）易扩散性：天然气的密度小于空气的密度。土壤中的输气管道发生泄漏时，泄漏的气体会穿过土壤到达地面上，然后在空气中会迅速向外扩散开去，扩散速度比较快。（2）易燃性：由《石油天然气工程设计防火规范》，按照爆炸危险性下限大小分析，因天然气泄漏发生的火灾一般划分为危险等级中的甲B等级。（3）易爆性：输气管道的泄漏气体爆炸极限范围较大，以空气中存在的泄漏气体的体积分数作为标准，发生爆炸的极限在百分之五和百分之十五之间[47]。输气管道的泄漏气体在空气中的浓度高于百分之十五的时候，泄漏气体在高温环境中或者在明火的诱发下，极易发生燃烧以及爆炸的危险，燃烧分解的产物是、C。（4）可压缩性：输气管道泄漏的气体具有可压缩的性质，气体分子间存在大空隙，在输气管道中，管道的运行压力会进行压缩，泄漏后流动到空气中就会不受限制，体积瞬间膨胀，管道内外的压力差会加大泄漏速率。（5）隐蔽性：输气管道基本上都是以埋地的方式为主，泄露的初始阶段不易被察觉，一般土壤中的泄漏气体的浓度值已经变的很大。现在的路面基本都做了硬化处理，泄漏的气体会在土壤中慢慢的聚集在一起，形成一定的高压区域，爆炸的潜在危险系数很高。1.3.3泄漏事故严重程度目前，我国的行业规范中对输气管道的事故严重程度没有明确的定义，都是对事故后果进行分析和总结，再将其进行归纳分类，大多数的抢修措施都是各个单位采用自己的经验进行操作的。所以，这里根据各个单位的维修经验、工程实践经验和管道泄漏事故的严重程度以及需要维修的紧迫性，将输气管道泄漏情况进行了分类，分为下面三个级别：（1）严重：输气管道压力比较高，管道大面积受损，气体的泄漏量大，受其影响区域很大，极易发生爆燃或爆炸，需要即刻对其抢修。如管道受第三方外力破坏导致断裂，泄漏气体扩散至有限空间等；（2）中等：输气管道压力低，管道小面积受损，气体的泄漏量大，受其影响的范围广，在合适的时间段进行维修即刻。如化学腐蚀和土地坍塌导致的管道泄漏;（3）轻微：输气管道运行的压力较低，管道小面积受损，气体泄漏速度缓慢，其影响的范围较小，合适的时候修复就可以。比如，杂散电流腐蚀引起的管道泄漏。表1.3天然气泄漏程度等级划分Table1.3classificationofnaturalgasleakagedegree级别影响范围后果维修严重泄漏地区人口较多，使用者多可能会产生爆炸、火灾事故，让附近的建筑物受损必须即刻隔离现场，立刻进行维修中等泄漏地区人口较多，使用者较少泄漏的气体多，停止输送影响的范围广必须立刻隔现场，在合适的时间维修完善轻微泄漏地区偏僻，人口少，使用者也较少泄漏的气体少，影响较小定期检测泄漏量，在合适的时间进行维修完善1.4土壤概述输气管道在地下铺设时，会因为周围土壤的性质不同，会受到不同程度的腐蚀。土壤是自然界不可缺少的组成部分，具有以下四个基本特征：（1）土壤多态性：土壤的主要成分包括土壤颗粒、空气和水。不同种类土壤的组成成分和颗粒大小都存在差异，其中土壤成分既能是有机土壤也能是无机土壤。而且受气候环境的影响，不同的气候环境，土壤中所包含的水分和空气颗粒也不同。在这里，三类比例和含量形成了三套土壤腐蚀体系。（2）土壤孔隙性：土壤中的颗粒成分是呈现不规则形状分布的，所以在颗粒与颗粒之间存在缝隙，土壤中的水和空气会充斥在缝隙中。如果水在颗粒面上形成想连结的线，之后再形成面，则称为水膜。并且土壤中的有（无）机物土壤会和水形成水合物，因此变成电解质溶液。（3）土壤异质性：这个性质会因土壤的位置、季节和深度的不同而不同。土壤中的颗粒大小、水和空气含量在不同位置都会有所不一样。这一特性使其在埋地钢管腐蚀电池的形成中起着重要作用。（4）土壤稳定性：土壤以颗粒分布存在，其次是空气和水分占一小部分。由于其独特的分布存在，土壤中只有空气和水是气相和液相，其他成分基本都保持不变，所以比较稳定。1.4.1土壤基本分类我们对土壤进行分类时，需要系统地了解土壤，熟悉土壤的发生和发展规律。通过比较不同种类土壤的相同处和不同处，再客观的对各种土壤合理的归纳，可以更准确的安排各种土壤的分类位置。土壤的分类可以反映出不同种类土壤之间的自然发展关系，以此土壤类型进行适当的命名。陆地表面上土壤的多样性，与自然地理条件的综合变化息息相关。从土壤的结构性质来看，主要可以分成壤土、黏质土、砂质土。（1）壤土：粒径在介于0.2mm～0.02mm。壤土中孔隙大，包含液相和气相，加上本身具有的固体颗粒有机介质性质，所以具有固相。是包含一部分沙子的粘土，所以说，粘土和沙子的优点，壤土都具有。（2）黏质土：含沙量少，颗粒细腻，黏土含量达45%～100%，只有0-35%的砂粒直径为0.02mm～2mm。黏质土质地比较粘重，可耕性差，颗粒之间的间隙较小，渗水速度慢，通风性能差，能耗好。因此，土壤透气性差，空气少，水分多，土壤温度变化范围小，好氧分解不旺盛。（3）砂质土：沙土一种以沙粒为主的土壤，可明显看到各种大小的沙粒。含沙量多，颗粒粗糙，其中含沙量可达85%～100%，而细土量仅占0～15%，通常说明土壤中含有比较多的砂砾。这些砂砾会导致土质疏松，土壤渗透流失的速度加快，如黄土高坡土壤，但不可否认，砂砾土壤中孔隙大，能够包含更多的空气，通风效果好。人为因素和自然因素的影响都会形成沙土，其中人为因素最为重要。沙土的是由地表松散的沙质沉积物逐渐形成的。1.4.2土壤的冻融冻融实际上是土壤的两种状态，冻结就是土壤中的水分会随着气温极度下降而结冰，形成结实的冻土。当白天时，温度上升，土壤中的冰块融化，而到了晚上继续冻上，这样一个反复的过程。或者呈季节性改变，冬季结冰，夏季消融的这样一个反复状态。20世纪30年代，冻土科学问题得到诸多专家学者的广泛关注成为一项重要的科学研究，研究初期主要考虑在工程实践等问题上的应用。上个世纪五十年代起，我国就有诸多学者将研究的重点转向冻土上，并且在建筑业、农业和生态环境等领域中形成了完整的科学理论与技术[48]。我国大部分为季节性冻土类型，也就是说，冬季结冰，夏季融化，永久冻土类型较少。季节性冻融土壤除与常规土壤基本性质一样外，还与环境温度和含冰量密切相关。在土壤冻结与融化过程中伴随着一系列的物理、力学及能量演变过程，导致土壤结构、水分分布及水分运动发生了明显改变。因此，季节性冻融土壤的演变过程对人类生存环境、农业生产活动和土壤可持续发展具有重要的影响[49]。1.4.3土壤冻融对管道影响冻土分布十分广泛，根据我国冻土学家多年的研究调查结[50-51]，中国是仅次于俄罗斯和加拿大的世界第三大冻土国家。由于我国南北跨度和东西部海拔落差都很大，因此境内涵盖的冻土类型差别也很大。冻土有季节冻土、永久和短期冻土三种类型。冻土对地下的资源起到了很好的保护作用，所以蕴藏着很多煤矿、石油、天然气等丰富资源。由于许多油气资源储存在寒冷地区，其开发利用需要管道运输，管道运输必须经过多年冻土区和季节性冻土区[53]。在铺设这些管道的过程中，由于石油管道的跨度大和距离远，输气管道所穿越地区的地理环境特别的复杂。因此，在管道的铺设过程以及后期的管道的输气的过程中，由于各个地区的地貌、地质的不同，不可避免地就会发生各种事故[54]。冻胀是因为土壤中水分的结成冰后，相比之前体积会增大，土壤会因此膨胀，使地下的天然气管道逐渐向上翘起，造成管道的不均匀变形，甚至严重的管道弯曲和泄漏；融沉是输油气管道在正温输送的情况下，管道会一直向外界释放热量，管道附近的气温也会发生周期性的变化，在两者共同的作用下会造成管道周围的土体融化，从而在管道周围形成积水。通过反复的变化，管道附近的冻土就会融化甚至会对离管道距离远处的多年冻土融化造成影响，让其也发生融化，管道附近的冻土融化的范围会一直扩大。基于管道的持续放热和冻土受季节变化周期性两者互相作用，会造成管道局部不均匀沉降。为保障输油气管道在冻土区安全的运营，管道的冻胀和融沉危害来说是一项必须解决的问题[55]。1.5多孔介质多孔介质通俗的讲就是由多个物质组成的一个共同体，并且这种共同体是存在一个空间中的。共同体中固体称之为骨架，固体骨架间存在参差不一的间隙空间，有的是全部连接在一起，有的只是一部分连接在一起；固体骨架以外的缝隙空间称之为孔隙，一般充斥着液体和气体。多孔介质可以根据不同的条件进行不同的划分。多孔介质也有人造类型和天然两类型，天然主要包括动植物的生物组织、身体组织等，人造有砖瓦和活性炭等。另外，从孔隙的分布结构来看，可以划分为裂缝、孔隙、多重孔隙三种类型。本文研究对象为埋地输气管道，管道所处环境的为土壤环境天然气的人扩散介质就是土壤，土壤就是典型的多孔介质结构。通常在天气干燥时，地表下的输气管道所处为的环境就属于多孔介质环境，即土壤颗粒间的空隙完全被空气（气相）所填充；在下雪或者下雨的天气时，地表下的输气管道所处为的环境就是多孔介质环境，即土壤颗粒间的空隙被空气（气相）、水（液相）所填满，并且空气和水互不相容。1.5.1孔隙率在对输气管道进行埋地铺设时，根据填埋需求的不同，大多数选择碎石土和砂土作为填埋所用的土壤。考虑到土壤作为多孔介质的复杂性和土壤颗粒大小的不均匀性，因此需要对多孔介质的孔隙率进行定义，将多孔介质中的孔隙体积和总体积进行比值，得到的数值就是孔隙率，则： （2-1）是一个无量纲。上式中和分别为一组分形孔集合的总体积和单元总体常指的是有效孔隙，这些孔隙间错综复杂的连接形成了小管道，可以让流体在其中流动。孔隙分布和孔隙率的大小是由材料或者介质本身的性质直接决定的，所以，孔隙率的概念就是对物性参数大小进行说明。在土壤中，孔隙率的大小主要取决于土壤颗粒间的分布情况和颗粒间空隙的大小。由于地球重力的原因，土壤承受的压力会跟随深度的变深逐渐变大，所以下方土壤的孔隙率比较小，土壤上方的孔隙率会大一些。1.5.2渗透率本文中的渗透率是形容管道泄漏出的气体穿过土壤的能力大小。输气管道正常工作的时候，压力持续不变，管道发生泄漏事故的时候，不容易被人所察觉，并且输气管道会一直处于带压泄漏的状态。因此，输气管道的泄漏孔会在土壤中一直喷射气体，然后穿过土壤颗粒间的空隙缓慢的渗透到大气中去。一般来说，渗透率可以分为相对渗透率、绝对渗透率和有效渗透率三种类型。存在多种相流时，相对渗透率实际上是每个相流的有效渗透率与有效渗透率的比值。绝对渗透率是指流体能够直接的穿过多孔介质，并且在这个过程中流体中的组分不会与多孔介质中的组分发生化学反应；有效渗透率是指存在多相流时，其中只有一种流体拥有穿过多孔介质的能力。1.6气体射流理论1.6.1射流概念及分类射流主要是说流体流过或者射出道口，然后注入另一个介质中的情景。从流体本身区别来划分，可以分为气体射流、液体射流两种类型；当流体射入到另一个空间时，可流体分布的空间来划分，可以分为淹没和自由两种类型。按射出状态划分，可分为紊流和层流两种类型。所以，可以看出射流可以依据不同状态划分为不同类型。输气管道的泄漏气体流动状态来说为气体射流，也就是从管口、道口、缝隙等向外射出形成的射流[56]。也可划分为气体射流中的淹没射流，但是在实际的工程应用中大多是湍流射。1.6.2紊流射流场的形成与结构紊流射流场内部有许多微团分子的横向脉动，会引起射流与附近物质间的质量和动量发生交换，使周围介质被涉及到其中，就是紊流扩散过程，或是附近物质与射流混合的过程[57]。自由射流的主要特点是沿射流轴线方向的压力以及动量持续不变。气体紊流射流结构图如下图1.1所示：图1.1气体紊流射流结构Figure1.1Gasturbulenceflowstructure1.7天然气状态确定研究泄漏气体在扩散过程中的流动特性，必须确定气体的流动状态，然后才能创建一个合适的流动模型。气体在穿过土壤的过程中，气体的流动状态与土壤的性质和物理参数都有关系，如土壤的密度和温度等物理因素。1.7.1天然气的物性参数天然气作为一种有多重化合物组成的混合物，天然气中的最主要组分是甲烷气体，甲烷在天然气的组分中所占的比例一般都在百分之九十以上[58]。以下的计算都是假设天然气中全是甲烷气体的基础下进行的。天然气在某压力、温度下的密度为： （2-2）式中：是泄漏气体在一定压力、温度下的密度，；是气体的绝对压力，；是气体的相对分子量；是气体压缩因子；是气体绝对温度，；=8314.4是通用气体常数。根据美国加州天然气协会（CNGA）给出的压缩因子计算公式，式(2-2)中的压缩因子有： （2-3）式中：是气体的绝对压力，；是气体温;Δ是气体相对密度。式(3-3)中的相对密度Δ[59]是在相同压力和温度下天然气密度和空气密度之比，即 （2-4）式中：相对密度；压缩因子；天然气密度。天然气流动时，气体分子间的摩擦会影响气体的流动性，气体粘度是起到决定性作用的一个物理条件。假设输气管道在某一确定的压力、温度条件下的密度和标准状态下的相对密度，则可得到为： （2-5）式中：；；根据天然气温度T=300,压缩因子∆=0.5534利用式（2-5）进行计算，天然气粘度。1.7.2气体在土壤中的流动状态可以用表示流体流动状态的雷诺数对输气管道泄漏的气体在土壤的流动状态进行判断[60]。雷诺数Re有如下公式： （2-6）式中：是流体的密度，；是流体的流动速度，；是管道半径，；是流体的粘性系数，。已知天然气密度=29.5067，天然气粘度μ=6.4017×。土壤颗粒间的空隙很小，管道半径=0.05。泄漏气体在土壤空隙间的流动速度估算为U=20。汇总如下表1.1所示。表1.1参量汇总Table1.1parametersummary流体密度/流动速度/管径/粘性系数/29.5067200.056.4017由式(3-5)，得到天然气在土壤孔隙中流动的雷诺数Re=9.2184×。流体的运动状态取决于雷诺数Re的大小，当雷诺数大于2000时，流体的流动状态定义为湍流流动，其中流场中的质点速度脉动和动量混合非常剧烈。经过上文的计算可知，雷诺数远高于湍流的临界值，泄漏气体在土壤空隙中的流动状态为湍流流动。1.8流体力学基本理论输气管道发生泄漏事故时，气体的流动扩散过程符合物理守恒定律。扩散的过程可以用能量、动量和质量守恒定律来进行计算和分析。在输气管道发生泄漏扩散的过程中，各种成分相互融合并且在此过程中彼此发生作用和影响，但这样情况下同样符合物理守恒定律。同时，由于输气管道在泄露口出喷射出的气体的流动属于湍流流动，所以在计算的过程中需要将流体的湍流方程考虑进去，有利于提高计算结果的精确性和可靠性。1.8.1连续性方程天然气在土壤中泄漏时，主要表现为持续性输出，所以连续性方程的物理意义与天然气在土壤中