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压力管道泄漏模式及其特征调研报告专业：安全工程年级班级：安全0701姓名：王成硕学号：200733003压力管道泄漏模式及其特征压力管道发生泄漏扩散是输气管道事故危害的根本原因，因此建立输气管道泄露扩散的合理模型是正确评估输气管道事故损失后果的关键技术之一。
国内外对压力管道泄漏后的扩散过程的研究还不够深入，尚未建立起完全适用于压力管道泄漏扩散的理论模型。
压力管道主要是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管道设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道。
压力管道发生泄漏，将会造成难以估量的损失，因此必须予以研究。
在研究有关气体扩散过程的理论模型中，被广泛采用的高斯模型和Sutton模型是适用于相同压力的两种气体且两种气体间的相对速度较低的条件下的扩散过程的理论模型，二者都没有考虑天然气管道泄漏所特有的初始喷射和重力作用对扩散的影响。
国内学者对高斯模型和Sutton模型进行了修正，提出了板块模型，考虑了重力、浮力和初始速度对扩散的影响，但没有考虑高压气体喷射后的膨胀过程。
另外，有学者用重气模型分析了重气团重气效应的行为过程，考虑了气团的初始密度、泄漏模式、风速、大气稳定度、温度等因素的影响，但主要是针对完成喷射膨胀后的气体的扩散过程模型，没有考虑喷射膨胀过程。
下面我们对压力管道泄露过程进行一下分析。
管道泄露过程分析众所周知，引起管道输送介质大量意外流失的原因不外乎是管道泄漏和管道破裂两种情况。
根据大量的管道事故分析报告的统计结果克制，导致管道泄漏的因素主要有内腐蚀、外腐蚀、施工损伤、焊接缺陷、接头缺陷和第三方破坏等；导致管道破裂的因素主要有第三方破坏、超压、焊接缺陷和腐蚀等。
有时，单一因素即可引起油气、天然气等管道的事故，但在多数情况下，管道事故还是有多种因素联合作用造成的。
液体通过储罐上的孔洞泄漏模型推导过程储罐如下图。
孔洞在液面以下h L 处形成。
液体通过这个小孔的流出可由机械能守恒来表达（即方程1）。
⎰-=+∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+mW F z g g g u dP s cc αρ22（1） 式中：P 是压强（压力/面积）；ρ是液体密度（质量/体积）；u 是液体平均瞬时流速（长度/时间）；c g 是重力常数（长度·质量/压力·时间2）α是无量纲速率轮廓修正系数，其值如下对于层流，α取0.5；对于塞流，α取1.0；对于湍流→α 1.0 g 是重力加速度（长度/时间2）； z 是高与基准面的高度（长度）；F 是静摩擦损失项（长度·压力/质量）； W s 是轴功（压力·长度）； m 是质量流速（质量/时间）。
∆函数代表终止状态减去初始状态。
假设为不可压缩流体，表达式如方程2。
⎰∆=ρρPdP（2）过程容器上的小孔泄漏。
来自小孔上部液体高度所形成的压力的能量随着液体通过小孔流出而转变为动能。
其中部分能量因摩擦流动而被消耗掉。
储罐上的表压为P g ，外界表压为大气压或为0。
轴功W s 为0，且储罐中液体流速为0。
无量纲流出系数C 1定义为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-∆-=-∆-∆-z g g P C F z g g P ccρρ21（3）利用机械能守恒（方程1）可计算出从孔洞中流出液体的平均瞬时速率，u⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=L g c gh P g C u ρα21 （4）式中h L 是孔洞上方液体高度。
新的流出系数C 0定义为α10C C = （5）从孔洞中流出液体的瞬时流速方程为：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=L g c gh P g C u ρ20 （6）对于孔洞面积A ，瞬时质量流率Q m 为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+==L g c m gh P g AC A u Q ρρρ20 （7）随着储罐渐渐变空，液体高度减少，速度流率和质量流率也随之减少。
假设液体表面上的表压P g 是常数。
几类不同石油泄漏问题的数学模型 无限空间中的瞬时源扩散（油轮失事）无限空间中的连续源扩散（钻井平台泄露——墨西哥湾） 有限空间中的扩散问题（海岸受到的污染总是最严重的） （菲克定理的一些解释）无限空间中的瞬时源扩散（油轮失事） 一维情况 二维、三维情况 随流扩散（不做讨论）一维情况考虑一根长水管，水管中的水流静止不动，在O 点处泄露了总质量为M 的石油。
则C=ƒ（M,D,x,t ） D 为分子扩散系数 C 为扩散物质浓度由22xC D t C ∂∂=∂∂，通过量纲分析，可得==DtM t x C π4),()4(Dtx f令Dtx 4=η 则)(4ηπf DtM C ==∂∂tC -t DtM 1412π（f +ηηd df）22x C ∂∂=2244ηπd fd Dt Dt M而=∂∂tC22x C D ∂∂代入化简可得 02222=++f d dfd f d ηηη即0)2(=+f d dfd d ηηη 即const f d df=+ηη2，不妨取const =0故2)(ηη-=Ae f ，A 为一实数，现在来确定A 的值 由题知 C=DtM π42η-Ae 而M=⎰⎰∞+∞--∞+∞-==MA dx AeDtM Cdx Dtx 424π故A=1 即C （x,t ）=DtM π4Dtx e42-从而可以发现，一维情况下的无限空间瞬时源石油泄漏问题呈正态分布。
二维情况 三维情况二维情况下，C （x,y,t ）=),(),(21t y C t x C ⋅ 故)44(21224tD y t D x yx y x eD D Dt M C C C --=⋅=π⎰⎰+∞∞-+∞∞-=dxdy t y x C M ),,(同理，三维情况下，)444(23222)(8),,,(tD Z t D y t D x zy x z y x eD D D t Mt z y x C ---=π⎰⎰⎰+∞∞-+∞∞-+∞∞-=dxdydz t z y x C M ),,,(一般情况下，z y x D D D ==于是)4(23222)(8),,,(Dtz y x etD M t z y x C ++-==π随流扩散情况（即考虑海风、洋流等情况）可假设液体流速为μ，且沿力的方向，从液体中某一点为坐标原点建立新坐标系，则原坐标系坐标为力的点在新坐标系中为x-μt 。
裂缝性地层钻井液漏失模型及漏失规律摘要：裂缝性地层中经常出现钻井液漏入裂缝的现象，这不仅增加了采油成本，也为其他井下事故埋下了安全隐患。
这一缺陷一直困扰着矿工，并日益成为制约中国石油工业持续进步的关键因素。
影响钻井液泄漏的常见原因包括裂缝表面的粗糙度和裂缝表面本身的高渗透性。
有关专家指出，钻井液在裂缝性地层中的泄漏有一定的规律。
因此，采用相关模型，在考虑相关因素的前提下，全面分析该模型中影响泄漏规律的因素，应该是一项具有普遍现实意义的工作。
关键词：裂缝性；地层钻井液；漏失模型；漏失规律；随着我国经济的不断发展以及科技水平的显著提高，石油开采等工作取得了显著的进步。
但是在开采的过程中经常会出现钻井液泄露的问题，这一问题的出现不仅降低了石油开采的效率，而且加大了一些安全隐患出现的几率。
因此从科技的角度对裂缝性地层钻井液的漏失模型进行设计，然后在此基础上对漏失规律进行全面的分析与探讨应该是一项重要的工作。
一、探究裂缝性地层钻井液漏失模型及漏失规律的必要性目前我国石油行业通常采用分形手段建立裂缝性地层钻井液漏失模型，以此将其表层的粗糙程度更加直观的表示出来。
在进行分析的过程中要通过相应方程式的计算确保各项参数的准确性。
在应用控制方程进行计算之前一定要确认裂缝的开度满足变形规律需求，从而对裂缝地层的表面粗糙程度是否会对漏失规律产生影响而做出合理判断。
但是在技术人员通过平板模型对钻井液漏失规律展开实际研究时，所得出的结果往往都会产生一定的误差现象，最终使整个分析结果失去准确性。
在这种情况下，技术人员需要采取有效措施对误差现象进行控制，针对不同的裂缝开度给与相应的定义，将所得的准确参数作为裂缝性地层钻井液漏失建模的重要依据，继而将裂缝表层粗糙度对钻井液缝内流体流动的规律全面体现出来。
二、当前裂缝性地层钻井液漏失建模的主要手段当工作人员在地层环境中进行钻井作业时，出现一条处于任意倾角状态的矩形裂缝，并且该裂缝的表层表现出明显的渗透性特点该模型的建立是沿着裂缝表层先创建一个直角坐标系，其中的x轴代表水平方向，而此裂缝的走向也与x轴的方向相一致。
科技资讯2017 NO.16SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION工 程 技 术67科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 经济与环境和谐发展已经成为当前世界共有的理念，天然气的广泛应用响应了环保理念，但由于天然气为易燃易爆气体，运输过程中存在一定的风险。
而我国天然气资源并不丰富，天然气资源的存在区域距离天然气使用区域较远，因此，空间上的距离使得天然气的运输更加具有难度。
而天然气运输过程中的危险因素主要来自于管道泄露，管道系统之间的连接部位密封性差、管道泄露以及人为因素都会造成天然气管道泄露，除人为因素的可控原因外，这两个因素具有不可控性，但对此进行风险评估和控制可以降低事故发生率。
所以，对天然气运输进行泄露扩散模型研究非常有必要,并且对天然气运输有着重要的防范作用。
1 天然气管道泄露扩散模型1.1 天然气管道泄露模型通常情况下，天然气管道泄露模型有两种：一种是孔隙模型，另一种是管道模型。
而孔隙模型根据孔隙的大小又分为大孔模型和小孔模型，如若泄露孔直径与气管直径的比值小于0.2，是使用小孔模型进行计算，如果比值是在0.2和0.8之间，那么就选用大孔模型。
如果泄露孔直径与气管直径的比值大于0.8，则选用管道模型进行拟算和研究。
其实，天然气泄露理论上是非稳态扩散，而由于泄露率是难于精确计算的，动态计算方式实施起来有难度，所以，一般情况下，选用稳态和非稳态相结合的方式来进行模型研究。
国内目前最新的研究结果是将泄露率简化，由王大庆等人研究所得，该方法可以消除考虑流型的必要，因为流型的研究又是相当复杂的，因此，该方法排除了这方面的因素可直接进行研究。
另一方面，天然气管道有时会出现孔口亚流临界面的问题，这一问题会使泄露率在计算时出现解不变的情况，而简化泄露率可以解决这一问题。
1.2 天然气管道扩散模型天然气管道的扩散模型是比较多的，以下简单介绍几种经典的扩散模型。
泄漏和扩散模拟一、训练目的1.通过训练，了解PHAST软件的基本功能，学会使用PHAST软件解决石油化工装置泄漏、扩散等问题，掌握使用PHAST软件建立相关模型，模拟分析气体获液体泄漏扩散后浓度的变化。
2.掌握气体扩散的模拟分析方法。
二、训练内容要求气体或液体泄漏扩散过程模拟三、训练仪器本训练所用软件为PHAST6.7四、训练方法和步骤：1 学习使用软件，了解软件的界面及输入和输出数据2 选择Vessel/pipe source 模型3 输入相关参数（甲烷储罐数据）4 对结果进行分析五、气体泄漏扩散浓度的计算1.泄漏量的计算气体从容器的裂缝或者小孔泄漏时，其泄漏速度与空气的流动速度有关。
因此，首先要判断泄漏时气体流动属于亚音速还是音速流动，前者称为次临界流，后者称为临界流。
满足下列条件时，气体流动属于亚音速流动：而当满足下列条件时，气体流动属于音速流动：上面两式中，P0---环境压力，PaP---管道内介质压力，Paγ---比热比，γ=CP /CV,定压比热与定容比热之比（1）气体呈亚音速流动时，泄露速率Q(2)气体呈音速流动时，泄露速率Q上面两式中 Cd-气体泄露速率，泄露裂口为圆形时取1.00 Y-气体膨胀因子，对音速流动，Y=1-气体密度，kg/m³R-气体常数，R=8.314472J/(K*mol)T-气体温度，K2.射流扩散及气团扩散模型气体泄露时从裂口射出形成气体射流，一般情况下，泄露气体的压力将高于周围环境的大气压力，温度低于环境温度，在进行射流计算式，应该以等价射流孔径来计算，等价射流的孔径按下式计算：其中，—裂口直径，m—泄露气体的密度，kg/m³—周围环境条件下气体密度，kg/m³射流气体泄露出来之后，在大气环境和地形地貌的影响下，在泄露上方形成气团，气团在大气中进一步扩散，影响范围广。
气团在大气中的扩散情况与气团自身性质有关，甲烷相对密度约为0.55，比空气的密度低，甲烷将向上扩散。
燃气中的小孔泄漏探讨（转载）泄漏检测技术2010-09-13 15:54:59 阅读14 评论0 字号：大中小订阅摘要：论述了城市燃气泄漏模型(小孔泄漏模型、管道泄漏模型、其他泄漏模型)和扩散模型(高斯模型和重气扩散模型)的主要内容及适用条件。
关键词：燃气泄漏；泄漏模型；扩散模型Discussion on Models for Gas Leakage and DiffusionPENG Shi-ni，ZHOU Ting-heAbstract：The main content and applicable conditions of city gas leakage models(pore leakage model，pipeline leakage model and other leakage model)and diffusion models(Gaussian model and heavy gas diffusion model)are discussed.Key words：gas leakage；leakage model；diffusion model燃气泄漏是燃气供应系统中最典型的事故[1]。
在燃气的储存、输配及使用过程中，由于人为或自然原因导致泄漏，燃气泄漏后在空气等介质中扩散并积聚，当达到一定浓度时遇到火源会产生爆炸并引起火灾。
燃气泄漏后果的严重程度主要取决于泄漏量和扩散范围，而泄漏量又与泄漏源强度及泄漏时间有关。
因此，燃气的泄漏强度和扩散范围是分析泄漏与扩散以及预测评价事故后果的基础和参考依据。
本文针对城市燃气泄漏模型和扩散模型进行探讨。
1 泄漏模型1.1 小孔泄漏模型小孔泄漏模型适用于穿孔泄漏的情形，穿孔泄漏是指管道或设备由于腐蚀等原因形成小孔，燃气从小孔泄漏。
常见的穿孔直径在10mm以下，对于穿孔直径在20mm以下的泄漏可以使用该模型。
小孔泄漏一般是长时间持续稳定泄漏且具有泄漏点多、不易察觉、潜在危险大的特点。
对于小孔泄漏模型，按照其泄漏燃气相态的不同，可分为气体流泄漏、液体流泄漏和气液两相流泄漏3种形式[2]。
①气体流泄漏强度[1～6]较普遍的气态燃气泄漏强度的计算是按照伯努利方程推导所得，气体从孔口泄漏的强度与其流动状态有关。
因此，要确定泄漏时气体流动属于声速流动(临界流)还是亚声速流动(次临界流)，可以用临界压力比来判断：式中β——临界压力比p0——环境绝对压力，Papc——泄漏口燃气的临界压力，Paκ——燃气等熵指数燃气等熵指数，κ是温度的函数，理想气体的，κ可近似当作定值，对于双原子气体取1.4，多原子气体取1.29，单原子气体取1.66。
对于天然气等由多原子分子组成的气体，κ可近似取1.29。
式中qm——泄漏强度，kg/sCg——气体泄漏系数A——泄漏口面积，m2p1——容器内燃气的绝对压力，PaM——燃气的摩尔质量，kg/molZ——压缩因子R——摩尔气体常数，取8.314J/(mol·K)T1——容器内的燃气温度，K气体泄漏系数与泄漏口的形状有关，泄漏口为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90，由内腐蚀形成的渐缩小孔取0.90～1.00，由外腐蚀或外力冲击形成的渐扩孔取0.60～0.90。
压缩因子可以根据燃气的对比压力和对比温度查燃气压缩系数图得到，当压力小于1.6MPa时，常温燃气可近似认为是理想气体，取Z=1。
一般情况下，管道或压力容器中的燃气以气态储存，发生泄漏后的泄漏量可以按照气体流泄漏强度模型进行计算。
②液体流泄漏强度[1、7、8]燃气以加压液化或低温液化的形式储存在压力容器内，当发生泄漏时可认为燃气以液相流出，在通过孔口的同时可能急剧气化流出到大气中。
假设在液面以下某一高度处发生泄漏，分别选取液面和泄漏孔口出流断面收缩处为截面列出伯努利能量方程，并整理可得液体流泄漏强度的计算公式：式中C1——液体泄漏系数p2——容器内液体的绝对压力，Pag——重力加速度，取9.8m/s2h——泄漏口之上的液体高度，m液体泄漏系数与液体的雷诺数及泄漏口的形状有关。
当雷诺数Re＞100时，泄漏口为圆形孔取0.65，三角孔取0.60，长形孔取0.55；当雷诺数Re≤100时，对应上述形状泄漏口的泄漏系数分别取0.50、0.45和0.40；不明流态时泄漏系数取1。
由式(4)可以看出，压力容器中液态燃气的泄漏强度取决于压力容器内外的压力差和泄漏口之上的液体高度。
当液化石油气、液化天然气等从压力容器液相空间中泄漏时，其泄漏量可使用液体流泄漏模型进行计算。
③气液两相流泄漏强度[1、2、8]对于过热液体的泄漏，在流过泄漏孔时会出现气、液两相流动，这种流动兼有气体泄漏和液体泄漏双重特点。
均匀两相流泄漏的泄漏强度可以按照下式计算：式中Cd——两相流泄漏系数ρm——两相混合物的平均密度，kg/m3pm——两相混合物在容器内的绝对压力，Papm,c——两相}昆合物的临界压力，Pa，一般取0.55pmFv——闪蒸率，即液体蒸发的质量占液体总质量的比例ρg——液体蒸气的密度，kg/m3cp——两相混合物的比定压热容，J/(mol·K)T2——液体的储存温度，KTb——液体在常压下的沸点，K当Fv＜＜1时，可认为泄漏的液体不会发生闪蒸，此时按照液体流泄漏强度公式计算，泄漏出来的液体会在地面上蔓延，遇到防液堤而积聚成液池。
当Fv＞0.2时，可以认为不会形成液池。
当Fv＜1时，泄漏量按两相流泄漏强度公式计算。
当Fv=1时，泄漏出来的液体发生完全闪蒸，此时按气体泄漏强度公式计算。
对于液化石油气、液化天然气等液体从压力容器气相空间中泄漏时，其泄漏量可使用气液两相流泄漏模型进行计算。
1.2 管道泄漏模型管道泄漏模型适用于开裂泄漏的情形[2、3、5]。
开裂泄漏的原因通常是由于外力干扰或超压破裂，属于大面积泄漏，泄漏口面积通常为管道截面积的80%～100%。
开裂泄漏瞬时泄漏量大，导致管道或设备中的压力明显降低。
这时，在泄漏口处的燃气压力和周围环境的压力相差不太大，可以运用动量守恒方程和能量守恒方程建立如下方程：式中u——气体泄漏时的速度，m/sp——气体的绝对压力，Paρ——气体的密度，kg/m3F——摩擦力，NH——气体的焓，Jμ——气体的动力黏度，Pa·sL——泄漏点距起始端的距离，mD——管道内径，m假设在来气方向上距管道泄漏点长度为L处设有调压装置或阀门，且认为沿程阻力系数不变，便得到管道泄漏模型的泄漏强度计算公式：式中Cp——管道泄漏系数，根据泄漏情况分别为Cg、C1和CdT3、T4——泄漏点处、泄漏点上游L处管道内的燃气温度，Kp3、p4——泄漏点处、泄漏点上游L处管道内的燃气绝对压力，Pa燃气管道由于第三方破坏等原因造成的大面积断裂或全部断裂，此时发生的泄漏量可使用管道泄漏模型进行计算。
1.3 其他泄漏模型由于小孔和管道泄漏模型分别只适用于小孔泄漏和管道大面积泄漏，而对于介于两者之间的大孔泄漏(孔径为20～80mm)就不再适用了。
燃气运输事故、超压爆炸等原因造成储存容器或设备的破裂，在短时间内有大量燃气泄漏出来，这样的大孔泄漏在实际工程中常见。
一些专家根据连续性方程，在假设气体为理想气体的前提下，得到了适用于各种孔径的泄漏模型，其泄漏强度的计算公式如下[3]：此公式解决了大孔泄漏的模型问题，但由于是在理想气体的前提下推导的，因此该公式只适用于中低压(此时容器内的燃气可视为理想气体)的情况，而不适用于高压的情况。
以上各泄漏模型适用于燃气从管道或设备中直接泄漏到大气中的情形。
而对于埋地管道或设备，燃气泄漏后在土壤中渗透再泄漏到大气中，该类泄漏应按照渗透泄漏来处理，此时若使用这些公式会使计算出的泄漏量偏大。
然而渗透泄漏考虑的因素很多，计算相当复杂。
因此，可以在上述公式计算结果的基础上酌量减少以符合实际情况。
2 扩散模型2.1 高斯模型燃气泄漏后会在泄漏源附近形成气团，气团在大气中的扩散计算通常采用高斯模型。
高斯模型的基本形式是在如下的假设条件下推导出来的[1、9]：假定燃气在扩散的过程中没有沉降、化合、分解及地面吸收的发生；燃气连续均匀地排放；扩散空间的风速、大气稳定度都均匀、稳定；在水平和垂直方向上都服从正态分布。
泄漏燃气相对密度小于或接近1的连续泄漏采用高斯烟羽模型。
以泄漏点为原点，风向方向为x 轴的空间坐标系中的某一点(x，y，z)处的质量浓度计算公式如下[9]：平均风速＞1m/s时：平均风速=0.5～1m/s时：平均风速＜0.5m/s时，假设气团围绕泄漏点浓度均匀分布，则距离泄漏点r处的燃气质量浓度为：式中ρd(x，y，z)——扩散燃气在点(x，y，z)处的质量浓度，kg/m3x、y、z——x、y、z方向上距泄漏点的距离，mua——平均风速，m/sδx、δy、δz——x、y、z方向的扩散系数，mh——泄漏点高度，mρd(r)——距离泄漏点r处的燃气质量浓度，kg/m3r——空间内任意一点到泄漏点的距离，ma、b——扩散系数，mt——静风持续时间，s，取3600的整数倍扩散系数可查HJ/T 2.2—93《环境影响评价技术导则大气环境》得到。
2.2 重气扩散模型液化石油气密度比空气密度大，属于重气。
该类气体泄漏时在重力的作用下会下沉，这时使用高斯模型计算的结果会使泄漏燃气扩散速度偏大，泄漏源附近的浓度偏小。
为了解决这个问题，可以引入最早由Van Ulden提出，并由Manju Mohan等发展的箱式模型[1]。
箱式模型分为两个阶段：泄漏后的重气扩散阶段和重气效应消失后的被动气体扩散阶段。
重气泄漏后首先是重气扩散阶段。
在这个阶段，重气云团由于重力作用逐渐下沉并不断卷吸周围的空气，在卷吸空气的同时，气云受热，最终当重气云团与空气的密度差＜0.001kg/m3时，可认为气云转变成中性状态。
随着重气的继续扩散，气云所受的重力不再是影响扩散的主要因素，而大气湍流扩散逐渐占主要地位，这时便是被动气体扩散阶段，可以应用高斯模型计算泄漏燃气的扩散。
3 结论使用泄漏模型可以计算出燃气泄漏的理论量，此量为扩散计算提供基础数据，可以依据此量分析泄漏后的扩散范围以及预测评价事故后果。
使用扩散模型可以对燃气泄漏后的危险区域进行预测。
泄漏模型和扩散模型都有各自的适用条件和范围，应该根据泄漏扩散的具体情况分析选择相应模型。
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