非均质回填土对掺氢天然气管道泄漏扩散行为的影响机制研究

《ACS Omega》：The Effect of Heterogeneous Backfill Soil on Leakage Behavior of Hydrogen-Blended Natural Gas Pipelines

本文系统研究了非均质回填土对掺氢天然气（HBNG）管道泄漏扩散行为的影响，通过环刀试验结合核密度估计（KDE）方法获取实际土壤参数，构建了埋地HBNG管道泄漏三维数值模型。研究发现土壤非均质性显著影响气体扩散范围（回填土水平扩散范围较典型壤土高0.44 m），氢掺混比（HBR）增加会降低气体质量流量（HBR从0%增至50%时质量流量降低28.69%），建立的基于最小二乘法的质量流量预测模型平均误差仅1.24%。研究成果为长距离HBNG管道泄漏监测系统优化和应急范围精准划定提供理论依据。

　　

2. 实验方案与数据处理

本研究采用土壤环刀试验法对站场回填土进行系统采样，通过分层手动取样（0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 m深度）获取土壤基本参数。实验通过烘干法测定原土质量（m₀）、干土质量（m₁）和饱和土质量（m₂），结合孔隙率公式ε=(m₂-m₁)/(Vρ_water)计算土壤孔隙结构。采用振动筛法测定土壤粒径分布，并基于核密度估计（KDE）方法构建非均质土壤参数模型。验证结果显示，孔隙体积预测平均绝对百分比误差（MAPE）为3.45%，土壤粒径预测MAPE为7.98%，模型具有良好工程适用性。

3. 物理与数学模型

3.1 物理模型

建立三维埋地高压HBNG管道泄漏模型，计算域为8 m×8 m×4 m，选取DN813管道，泄漏孔位于管道顶部中心（坐标(4,4,2.5)）。模型假设土壤为各向同性多孔介质，忽略土壤水分与气体化学反应，采用脱耦涡模拟（DES）方法求解流体动力学方程。

3.2 控制方程

气体扩散过程遵循连续性方程?(ρε)/?t+?·(ρv_i)=0、动量方程ερ?v_i/?t+ρ/ε²(v_i·?)v_i=-?p+μ/ε?²v_i+ερg+S_i及组分输运方程?(ερω_i)/?t+?·(ρω_iv)=?·(ρD?ω_i)+S_i。多孔介质阻力系数通过Ergun方程计算，黏性阻力系数1/α=150(1-ε)²/(d_p²ε³)，惯性阻力系数C₂=3.5(1-ε)/(d_pε³)。

4. 数值方法

采用有限体积法进行瞬态模拟，压力-速度耦合使用PISO算法，时间步长设为0.1 s。网格独立性验证表明913,668网格数可保证计算精度。模型通过与文献实验数据对比验证，最大误差17.82%，平均误差7.39%，证明模型可靠性。设置20个监测点（Z=1.0/2.8/3.3/3.9 m平面）追踪气体浓度变化。

5. 结果与讨论

5.1 HBNG泄漏扩散规律

泄漏1,200 s时，HBNG、甲烷和氢气的水平扩散范围分别为7.56、7.3和6.4 m。气体等值线在回填土中呈不规则分布，在Z=3 m土层界面出现扩散跃变现象。质量流量在泄漏初期快速衰减，5 s时为2.7526×10^–2kg/s，1,200 s时稳定至2.7470×10^–2kg/s。气体报警时间t与水平扩散半径r呈幂函数关系（r=2.85 m时t=408 s，r=3.61 m时t=986 s）。

5.2 土壤性质影响

回填土中气体扩散范围显著大于典型壤土（7.12 m）和砂土（7.28 m）。回填土质量流量为典型砂土的1.18倍、典型壤土的1.92倍。监测点16处，砂土报警时间较回填土早282 s，监测点18处砂土报警延迟137 s，表明土壤异质性对报警时间有显著影响。

5.3 氢掺混比（HBR）影响

HBR从0%增至50%时，监测点18报警时间从500 s提前至394 s。由于氢气密度低，HBR增加导致质量流量下降28.69%。Z=3 m观测线显示，HBR=50%时气体浓度达28.81%，较HBR=0%（15.25%）显著提升。

5.4 管道操作压力与泄漏孔径

操作压力从2 MPa升至10 MPa，质量流量由1.406×10^–2kg/s增至3.683×10^–2kg/s；泄漏孔径从5 mm增至50 mm，质量流量提升29倍。危险区域范围随压力与孔径增大而扩展，孔径50 mm时危险区域达8 m，为5 mm孔径时的1.8倍。

5.5 埋深影响

埋深从1.5 m增至3.0 m，监测点16报警时间从165 s延迟至1,135 s，地表报警延迟约100 s。但埋深对瞬时质量流量影响微弱（1.5 m与3.0 m埋深质量流量差异<0.6%）。

5.6 泄漏孔几何形状

在相同泄漏面积（100π mm²）下，三角形孔质量流量（2.947×10^–2kg/s）较圆形孔（2.747×10^–2kg/s）高7.3%，矩形孔最低（2.709×10^–2kg/s）。三角形孔在监测点16的浓度60 s时达37.78%，扩散效率最高。

5.7 质量流量预测模型

基于最小二乘法建立小孔径泄漏预测模型Q_backfill=0.000135290(1.07353–0.00624HBR)P^0.59248d^1.43407，平均预测误差1.24%。模型适用于孔隙率0.49–0.61的回填土条件，为HBNG管道泄漏应急决策提供量化工具。

6. 结论

非均质回填土中HBNG扩散呈现空间异质性，土壤黏性阻力系数与惯性阻力系数是主要影响因素。氢掺混比增加会降低质量流量但加速扩散，管道压力与泄漏孔径的增大会显著扩大危险区域。建立的预测模型精度高，对优化HBNG管道安全防控策略具有重要指导意义。后续研究需进一步考虑土壤各向异性及动态压力边界条件的影响。