姜洪峰 高利平 杨 津

(内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

实际工程的天然气在管道运输中，天然气会长期与管道内壁接触。由于运输中的天然气包含诸如水，H2S,CO2对钢结构的管道有腐蚀作用。同时在气体运输中，管道自身也会因温度、运输速度、压力等实际因素，在管道内壁发生腐蚀。管道经过长期使用后，腐蚀性物质在穿过腐蚀层后，会影响管道钢结构整体的性质，使其自身强度降低，最终导致管道泄漏。因为管道腐蚀引起的泄漏，爆炸事故难以被发现也难以控制，会造成较大的人员和财产损失，所以对管道的安全性研究是很有必要的[1]。

一些学者[2-4]通过计算机模拟，研究了不同环境条件、多种影响因素的天然气泄露情况的扩散规律。孙英杰等[5]研究了地下岩石环境中天然气的扩散模型，同时研究了不同地层时，天然气发生泄露时气体的扩散规律。唐保金等[6,7]分析了天然气的扩散机理，并结合泄露模型，分析了天然气在岩土环境下的扩散规律。谢昱姝[8]研究了管道发生泄漏时，气体的扩散性质。晏玉婷等[9]对土壤建立了模型，使用FLUENT软件模拟了气体的扩散规律和土中浓度分布，也研究了泄露时的危险区域的范围。

目前对管道泄漏的研究有很多，其中气体的扩散研究多采用模拟方法。其模拟计算方法主要包括2种：一种是利用计算流体力学软件[3，10，11]进行数值模拟；另一种是建立数学模型进行研究。本文选择了第一种方法，使用FLUENT对既有腐蚀天然气管道进行数值模拟研究。

1 天然气管道内壁腐蚀特征与腐蚀等级

1.1 天然气管道内壁腐蚀特征

天然气管道在水蒸气、H2S，CO2，氯离子等腐蚀性物质的作用下，导致管道钢材内壁组织腐蚀脱落，内壁变薄，钢结构强度降低，引起水蒸气腐蚀、硫化氢腐蚀及应力腐蚀，使管道发生泄漏。天然气管道内壁腐蚀特征如图1，图2所示。

管道内壁腐蚀的影响因素有腐蚀区域深度、腐蚀区域的纵向尺寸和环向尺寸。

1.2 天然气管道内壁腐蚀等级

对于天然气管道腐蚀等级的评价并没有明确的规范，本文采用SY/T 0087.1—2006钢制管道及储罐腐蚀评价标准+埋地钢质管道内腐蚀直接评价，确定出管道内壁腐蚀评价表，如表1所示。

表1 管道腐蚀评价表

本次模拟，预设使用DN500钢管，管壁厚度为3 cm，管壁平均腐蚀深度设为6 mm。建模设置中，腐蚀形式假设为环形腐蚀，深度、长度、宽度规格分别为6 mm，12 cm，12 cm。

2 数值模拟的影响因素

2.1 气体流速

CJJ 63—2016聚乙烯燃气管道工程技术规程，允许气体流速为5 m/s；目前我国开始大量使用天然气，其杂质含量减少很多，参考相应的天然气使用较多的国外经验，本文将天然气流速设为20 m/s。同时选取了14 m/s，16 m/s，18 m/s，20 m/s几种气体流速进行研究。

2.2 管道弯折半径

参考GB 50028—2006城市燃气设计规范，管内压力低于1.6 MPa的工程，制作管道的弯头，曲率半径可为1.5d，即为1.5×500 mm=750 mm。

2.3 管道直径

本文选择模拟了DN500～DN350之间的钢结构管道，这些管道的壁厚差距并不大，故模拟时设定的管壁厚度为30 mm。

4.高温高湿是本病的一个重要诱因，因此，夏天霉雨季节(4～8月)应对10～15日龄雏鸡进行药物预防，以免暴发本病。

3 数值模拟计算结果及分析

3.1 不同弯折度时的模拟研究

通过模拟，取值点设置为管壁底部的中点，管道弯折度由0°到90°，各个取值点对应压强数值为8.68 Pa，22.10 Pa，24.63 Pa，27.41 Pa，28.82 Pa，由此得到关闭弯折度与抗压强度值关系图，如图3所示。

由图3可知：

1)随着管道弯折度的增加，管壁中点处抗压强度也会增加，弯折度为0°时抗压强度最小。

2)随着管道的弯折度增加，斜率趋于放缓，中间点压强值增加的量在减少。

3)安全性方面，未经弯折的管道更为安全。

3.2 不同运行速度时的模拟研究

通过模拟，得到不同运行速度下管壁腐蚀位置的压强值，其中管道在运行速度为14 m/s，16 m/s，18 m/s，20 m/s时，其计算得到的压强值分别是18.12 Pa，21.66 Pa，29.65 Pa，33.76 Pa，由此得到不同运行速度时的压强值如图4所示。

由图4可知：

1)已发生腐蚀的管道，被腐蚀区域的压强值最大。

3.3 不同管径下的模拟研究

经过模拟，分析管道的抗压情况。管道直径分别选择DN350～DN500之间4种管径，得到对应的压强值分别为25.16 Pa，21.60 Pa，14.66 Pa，10.60 Pa，由此做出不同管道直径下的压强值如图5所示。

由图5可知：

1)气体运行速度相同，管径越大，管道腐蚀处的抗压强度越小。

2)气体运送速度相同时，管径增加，管道整体安全性也会增加。

4 结语

本文使用FLUENT软件数值模拟，对气体运输管道进行了模拟研究，得到了管道安全性方面的一些发现[13]。

1)对于有弯折度的管道，随着弯折度增加，管道弯折处下部所受压强也会逐渐增加，其安全性会降低。因此，选择直线型管道安全性最好。

2)已发生腐蚀的管道，气体运行速度的增加，会增大腐蚀位置所受的压强。已腐蚀管道不适合继续增加运行速度，因为其管道的安全性有所降低。

3)管道出现腐蚀情况后，当管径增加，气体的腐蚀性效果在减小。可以说，选择管道时，管径越大，其使用过程中安全性就越好。