流体机械

序号	管道内压/MPa	管道温度/K	泄漏孔径/mm	孔口形状	泄漏口总质量流量/(kg·s^-1)	误差/%
1	2.12	290.00	51	圆孔	9.50	10.24	8.39
2	2.25	291.55	35	圆孔	4.80	5.06	7.82
3	1.16	286.95	51	圆孔	6.00	5.44	6.50
4	2.18	286.45	15	矩形孔	1.35	1.44	9.31

序号

管道内压/MPa

管道温度/K

泄漏孔径/mm

孔口形状

泄漏口总质量流量/(kg·s^-1)

误差/%

试验值

模拟值

2.12

290.00

圆孔

9.50

10.24

8.39

2.25

291.55

圆孔

4.80

5.06

7.82

1.16

286.95

圆孔

6.00

5.44

6.50

2.18

286.45

矩形孔

1.35

1.44

9.31

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4	2.18	286.45	15	矩形孔	1.35	1.44	9.31

序号

管道内压/MPa

管道温度/K

泄漏孔径/mm

孔口形状

泄漏口总质量流量/(kg·s^-1)

误差/%

试验值

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2.12

290.00

圆孔

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10.24

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圆孔

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圆孔

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矩形孔

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1.44

9.31

项目	C2	C3	C4	C5	C6	C7	C8
数值	3.0	2.2	1.8	1.1	1.2	1.1	1.0

项目

数值

3.0

2.2

1.8

1.1

1.2

1.1

1.0

项目	C2	C3	C4	C5	C6	C7	C8
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项目

数值

3.0

2.2

1.8

1.1

1.2

1.1

1.0

轻烃管道泄漏扩散规律研究

陈利琼 , 熊珍宝 , 赵翔 , 张开

流体机械 | 应用技术 2025,53(4): 93-101

收起

流体机械 |应用技术 2025 , 53 (4) : 93 -101

轻烃管道泄漏扩散规律研究

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陈利琼（1976），女，博士（后），教授，博士研究生导师，主要从事油气储运安全技术、油气储运工艺优化等方向的研究，通信地址：610500四川省成都市新都区新都大道8号西南石油大学，E-mail：121488667@qq.com。

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陈利琼, 熊珍宝, 赵翔, 张开

作者信息

西南石油大学石油与天然气工程学院，成都 610500

作者简介:

Study on leakage diffusion law of light hydrocarbon pipeline

Liqiong CHEN, Zhenbao XIONG, Xiang ZHAO, Kai ZHANG

Affiliations

School of Petroleum and Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China

出版时间: 2025-04-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.013

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摘要

收起

针对轻烃管道泄漏扩散问题，以轻烃管道为研究对象，建立轻烃泄漏扩散过程概念模型，划分泄漏扩散4大过程，并对相关理论进行分析及公式推导。基于CFD建立大气-管道-土壤泄漏扩散数值模型，对轻烃泄漏扩散全过程进行分析；研究各组分轻烃扩散范围的变化，分析多组分与单组分轻烃泄漏差异。模拟结果表明，轻烃泄漏分3个时期，前期轻烃迅速泄漏扩散，中期基本形成稳定区域，后期800 s形成稳定区域。C3，C5分别为气、液烃扩散范围最大的轻烃；C2~C4单组分扩散范围更大，C5~C8多组分扩散范围更大，多组分轻烃因气化及扩散存在先后顺序，重组分气烃扩散得到抑制，从而扩散范围小于单组分，液烃受高速流出气烃携带作用，扩散范围增大。研究可为轻烃管道泄漏扩散应急管理提供理论依据和技术手段。

关键词

轻烃管道 / 泄漏扩散 / 数值模拟

Abstract

收起

To address the leakage and diffusion issues in light hydrocarbon pipelines，this study establishes a conceptual model of the leakage diffusion process，dividing it into four stages and conducting theoretical analysis with formula derivation.A numerical model of atmosphere‑pipeline‑soil leakage diffusion was developed using CFD to analyze the entire leakage process，focusing on the diffusion range variations of different hydrocarbon components and comparing multi‑component versus single‑component leakage characteristics.Simulation results show that light hydrocarbon leakage occurs in three phases：rapid diffusion in the initial phase，stabilization during the middle phase，and full stabilization after 800 s in the final phase.C3 exhibits the largest gaseous diffusion range，while C5 shows the largest liquid diffusion range.Single‑component C2~C4 demonstrate broader diffusion ranges，whereas multi‑component C5~C8 exhibit larger diffusion extents.In multi‑component leakage，sequential vaporization and diffusion suppress the diffusion of heavy gaseous components，resulting in smaller ranges compared to single components，while liquid components expand their diffusion due to gas‑phase entrainment.This study provides theoretical foundations and technical support for emergency management of light hydrocarbon pipeline leaks.

Key words

light hydrocarbon pipeline / leakage and diffusion / numerical simulation

引用本文

陈利琼, 熊珍宝, 赵翔, 张开. 轻烃管道泄漏扩散规律研究. 流体机械, 2025 , 53 (4) : 93 -101 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.013

Liqiong CHEN, Zhenbao XIONG, Xiang ZHAO, Kai ZHANG. Study on leakage diffusion law of light hydrocarbon pipeline[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (4) : 93 -101 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.013

正文

收起

0　引言

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轻烃（C2~C8）低密度、低沸点，是优良的燃料。轻烃是天然气净化、原油稳定、石油加工的副产物，在石油化工行业的快速发展和全球原料轻质化的趋势下，其在化工行业中逐渐发挥出重要作用。轻烃的碳-碳和碳-氢键相对较弱，造成了其化学性质的多样性。轻烃输送的主要方式为管道输送，轻烃管道具有输送介质多变、运行环境复杂、管道强度低等特点。目前，仅在大庆油田每年就有超过80万吨轻烃通过管道输送至下游。由于油田城市化发展，轻烃管道穿越主要城区、邻近国家重要设施的情况逐渐显现，这使得轻烃管道安全问题受到高度重视^［1］。2021年9月10日，大连市普兰店区商业大街发生液化轻烃管道泄漏爆炸事故，造成9人死亡、4人受伤，主要原因是轻烃管道在穿楼板地面处发生腐蚀减薄穿孔致轻烃泄漏爆炸。轻烃管道泄漏有火灾爆炸、环境污染、毒害等严重后果。轻烃泄漏后，因管道内外压差，释放管内轻烃介质，气烃扩散至大气后当遇明火且浓度达到爆炸极限，则发生爆炸，超过爆炸上限到达燃烧极限则发生燃烧；液烃扩散至土壤层后，下渗扩散污染土壤及地下水，并在土壤表面形成液池，遇明火引发池火灾，伤害进一步增加。轻烃管道泄漏扩散过程复杂，造成伤害严重，管道风险因素涉及广，火灾爆炸事故后果类别众多且存在连锁反应，轻烃管道安全应受到高度重视。

目前，国内外关于管道相关研究主要为：轻烃管道泄漏监测技术、轻烃管道安全讨论、轻烃管网优化设计^［2-7］，而针对轻烃管道泄漏扩散规律研究相对较少，只能从油气管道泄漏和油气两相扩散理论借鉴相关原理及研究过程。

对油气管道泄漏扩散的研究主要分为试验研究和数值模拟。试验研究方面，杜思雨等^［8］对不同管道结构和材质的天然气管道泄漏进行了试验系统设计；曹伟烨等^［9］基于湿度传感器建立的埋地管道泄漏监测方法，能定量地判断管道泄漏情况。数值模拟方面，朱红钧等^［10］针对管道中天然气的泄漏，对平坦地区含硫化氢天然气管道泄漏扩散进行了数值模拟；付明福等^［11］运用Fluent，研究了隧道内天然气埋地管道泄漏后的时空演化规律及管道埋深对泄漏扩散的影响。

对油气两相扩散理论的研究主要是关于两（多）相流扩散迁移模型理论研究。MARCHIOLI等^［12］研究了分散相（由颗粒、液滴、气泡组成）输送规律及相间的相互作用。曹学文等^［13］利用双流体模型建立气液两相流泄漏系统数学模型，模拟分析分层流和段塞流下，气液两相流管道的泄漏规律。SCHNEIDERBAUER等^［14］用解析和数值方法，研究了界面和流体颗粒流的湍流调制。

目前，相关研究并未对轻烃管道泄漏扩散进行过程分析及相关规律研究，且缺少泄漏全过程分析。轻烃管道泄漏扩散过程不同于天然气管道泄漏，其同时涉及气液两相的扩散，扩散规律预测难度大。因此，本文以轻烃管道为研究对象，采用数值模拟方法研究轻烃管道泄漏全过程及泄漏扩散规律，为轻烃管道安全运行提供理论基础，对轻烃管道事故预测及应急救援提供技术手段。

1　轻烃管道泄漏扩散模型

收起

1.1　轻烃泄漏扩散过程概念模型

结合轻烃泄漏过程中能量、受力、相变分析，梳理轻烃泄漏过程概念模型，如图1所示。

过程1（①→④）：当管道穿孔破裂时，由于内外压差的影响，轻烃获得初始动能从孔口高速喷出，受温度、压力影响，轻组分轻烃将直接气化为气态轻烃，其先以气相扩散出土壤层，后进入大气层继续扩散。

过程2（②→③→④）：重组分轻烃在发生泄漏后，在土壤中发生液态扩散，其中气化能力较弱但能发生气化的轻烃，在气化能力强的轻烃直接气化后，受温度、压力影响，仍在土壤中发生气化，穿过土壤孔隙后进入大气层进行气态扩散。

过程3（②→⑤→⑥）：液态轻烃在土壤中逐渐扩散，浸入土壤孔隙并逐渐向大气层扩散，液烃在地面聚集流淌，受温度、压力影响，少部分未气化的轻烃在出土后才发生气化，并直接在大气层直接发生气体扩散。

过程4（②→⑤）：重组分轻烃泄漏后，在土壤中以液态形式逐渐扩散至地面，并在地面四周聚集扩散。

对于以上4种情景，轻烃最终的扩散情况均可归结为大气层的气态扩散和地面处的液态流淌。其中，液态流淌范围受到土壤阻碍，为研究轻烃管道泄漏最严重情形，故本文以裸露轻烃管道为研究对象，不考虑轻烃在泄漏口处相变及管道内部轻烃流动情况，主要研究泄漏轻烃在大气层中的气态扩散和其在地面的液态扩散情况。泄漏过程主要涉及流体力学基本方程、湍流方程和多孔介质模型。

1.2　数学模型

1.2.1　流体力学基本方程

对于轻烃管道，介质泄漏过程为混烃多相流，根据流体力学基本方程，引入多相流连续性方程、动量方程和能量方程。

混烃连续性方程通过混烃密度和质量平均速度表示为^［15］：

∂ (ρ m) ∂ t + ∇ ⋅ ρ m v ⃗ m = 0

（1）

其中：

ρ m = ∑ k = 1 n α k ρ k

（2）

v ⃗ m = ∑ k = 1 n α k ρ k v ⃗ k ρ m

（3）

式中，

ρ m

，

v ⃗ m

为混烃密度和质量平均速度；α_k为第k项轻烃的体积分数。

混烃动量方程通过对所有相单个动量方程求和得到：

∂ ρ v ⃗ m ∂ t + ∇ ⋅ ρ m v ⃗ m v ⃗ m

= - ∇ p + ∇ ⋅ [μ m (∇ v ⃗ m + ∇ v ⃗ m T)] + ρ m g ⃗

+ F ⃗ - ∇ ⋅ (∑ k = 1 n α k ρ k v ⃗ d r, k v ⃗ d r, k)

（4）

其中：

μ m = ∑ k = 1 n α k μ k

（5）

v ⃗ d r, k = v ⃗ k - v ⃗ m

（6）

式中，μ_m为混合物黏度；

v ⃗ d r, k

为第k项轻烃的漂移速度。

1.2.2　湍流模型

轻烃管道泄漏属于湍流流动，标准k-ε模型更符合管道泄漏湍流流动的模拟。该模型基于2个输运方程，对高雷诺数Re的湍流效果较好，由湍流动能方程k和湍流耗能方程ε组成的双方程，计算方程如下^［16］。

（1）k（湍动能）方程：

∂ (ρ k) ∂ t = ∂ ∂ x μ + μ i σ X i ∂ k ∂ x i + G k + G b - ρ ε Y M

（7）

式中，μ为流体黏度；μ_i为湍流黏度，μ_i=ρC_uk²/ε；G_k为平均速度梯度产生湍流动能项；G_b为浮力产生湍流动能项；Y_M为可压缩湍流波动扩张引起的耗散项。

（2）ε（湍耗能）方程：

ρ ∂ (ε) ∂ t = ∂ ∂ x i μ + μ i μ k ∂ ε ∂ x i + c 1 ε k (G k +

（8）

式中，c₁，c₂，c₃为经验常数，分别取1.4，1.9，1.0。

1.2.3　多孔介质模型

轻烃管道泄漏模型包括土壤层和空气层，其中土壤层为多孔介质模型，需要设置孔隙度、黏性阻力系数、惯性阻力系数。土壤颗粒直径和土壤孔隙度是影响阻力系数的关键因素，黏性阻力系数C_n、惯性阻力系数C_g的经验公式^［17］如下：

C n = 150 D p 2 1 - ε 2 ε 2

（9）

C g = 3.5 D p 1 - ε ε 3

（10）

式中，D_p为土壤颗粒直径；ε为土壤孔隙度。

1.3　物理模型

1.3.1　物理模型的建立

以管道前视图为研究视角，建立长260 m、宽130 m的大尺寸“大气‒管道‒土壤”三要素轻烃管道泄漏模型——上层100 m区域为大气层，下层30 m为土壤层；模型参数设置如下：管道位于距模型边界左侧60 m处、管道直径244.5 mm、管道壁厚10 mm；泄漏孔口位于管道正上方，孔口直径20 mm；大气层左侧为自然风入口、右侧和上部为扩散出口。轻烃管道泄漏扩散模型如图2所示。

1.3.2　网格划分及无关性验证

在Workbench基础上，通过SpaceClaim建立几何模型，利用Meshing进行网格划分，如图3所示。泄漏孔口和管道尺寸远小于整体模型尺寸，因此，对管道壁面和孔口进行局部网格加密，这样既可保证数值模拟的准确性，又降低了计算量。

调整网格单元尺寸及网格加密倍数，生成网格数量分别为53 050，109 160，123 819，199 294，网格质量均在0.8以上，模拟泄漏后800 s时泄漏口正上面C2浓度，如图4所示。可以看出，网格数量为123 819与199 294时，浓度十分接近，通过网格无关性验证，确定网格数量设置为123 819。

1.3.3　边界条件及模型求解设置

（1）边界条件设置。

管道边界条件：设置泄漏口为压力入口；管道外壁表面定义为无滑移静止壁面，设置组分边界条件为轻烃质量分数/质量通量为0，即泄漏轻烃无法从外壁面进入。

大气层边界条件：设置大气层左侧为进风速度入口，大气层顶部和右侧为压力出口，设置压力为大气压。

土体层边界条件：土壤四周及底部定义为对称面，土壤上表面（地面）定义为内部区域。

（2）多相流模型设置。

混合模型是一种简化的多相流模型，通过单流体方程来模拟各相具有不同速度的多相流，并假定在较短的空间尺度上各相之间的耦合非常强^［18］，因此适合用于模拟各相速度存在差异的多相流。

1.3.4　模拟准确性验证

为了确保模型准确性，利用已完成的管道泄漏试验进行验证^［19］，设置模拟管道内介质同试验一致，管道基本工况如表1所示。可以看出，模型计算结果与试验值误差在允许范围内。该试验只给出了泄漏初始20 s内管道泄漏质量流量。其中，孔径为15 mm、孔口形状为矩形泄漏孔的模型模拟时等效为圆孔，由于孔径较小导致试验值与模拟值误差较大，为9.31%。试验组1中，试验温度未知，考虑到试验温度在285~300 K范围内，模拟中设置温度为290 K，模拟误差8.39%。因此，模型具有准确性。

2　轻烃管道泄漏扩散全过程分析

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2.1　轻烃管道泄漏全过程数值模拟

通过现场调研、专家咨询，以及新疆塔里木牙哈某处理站采集轻烃管道数据（输送介质、管材、工况资料、生产数据），分析轻烃管道特征。确定模拟各项参数：组分比例（C2为10%，C3为30%，C4为20%，C5为20%，C6为10%，C7为5%，C8为5%）、土壤性质（孔隙度0.3、颗粒直径0.25 mm、惯性阻力6.56×10⁵ m^-1、黏性阻力3.38×10¹¹ m^-2）、环境参数（温度25 ℃、风速5.0 m/s）、管道参数（管道直径244.5 mm、运行压力3.0 MPa、泄漏孔径20 mm、孔口方向为垂直向上），进行轻烃管道泄漏模拟。同时，依据轻烃爆炸极限，设置轻烃关注浓度为爆炸下限，如表2所示。

从模拟结果来看，将泄漏扩散分为前期（5~40 s）、中期（80~400 s）、后期（600~1 600 s），并选取部分组分泄漏扩散时间云图如图5（前期）、图6（中期）和图7（后期）所示。

泄漏前期，轻组分轻烃（C2~C4）迅速气化，在孔口射流出后受风影响形状偏移，其扩散范围随泄漏时间的增加逐渐增加，水平扩散半径随时间变化尤其明显；重组分轻烃（C5~C8）扩散范围在泄漏初期差异较小，泄漏后受风影响，呈锥形在空中散开，后因受重力作用逐渐扩散至地面，最后继续在地面及地下发生扩散。

泄漏中期，气态轻烃扩散范围逐渐增大，在泄漏口附近出现明显的气烃聚集区域和高浓度区域，但在300~400 s扩散速度明显逐渐减弱，垂直扩散高度变化幅度小；液态轻烃扩散呈现出水平扩散和下渗扩散，其中，水平扩散更为明显，垂直扩散高度基本不变，整体扩散状态在300~400 s时，扩散范围基本保持稳定。

泄漏后期，轻烃泄漏水平扩散半径、垂直扩散高度、地下扩散深度均在800 s基本不变，处于稳定状态。

进一步分析轻烃泄漏全过程扩散范围变化规律，图8示出全时间段各组分扩散范围随时间变化云图。

由图8可以看出，最大水平扩散半径、最大垂直扩散高度、最大地下扩散深度均在800 s后趋于稳定，且均呈现为先快后慢的特征，即泄漏扩散范围变化初期及中期变化大、后期变化小，液烃扩散稳定时间总体早于气烃，且组分越重趋于稳定的时间越快；在泄漏扩散初期（0~40 s），轻组分扩散速度明显高于重组分，其中，C2到C3水平扩散半径从22.3 m增加到57.5 m，垂直扩散高度从15.0 m增加到30.1 m，C2扩散范围变化明显高于C3，且水平扩散半径变化率C2（1.44 m/s）也明显高于C3（0.75 m/s）；C2泄漏扩散速度虽前期大于C3，但由于C3组分高于C2，使得C3最终扩散范围大于C2，而液烃中C5作为组分比例最高且最轻的组分，其扩散范围最大，因此，对C3和C5扩散范围研究将会是轻烃管道泄漏扩散规律研究的重点；轻烃泄漏扩散最佳应急处置时间为泄漏后800 s内，管道发生泄漏后应及时采取堵漏补漏措施，减少轻烃泄漏，并杜绝一切火源，泄漏口附近人员应穿戴防毒装备，及时疏散至安全区。

2.2　多组分泄漏与单组分泄漏对比分析

轻烃管道输送介质为多组分轻烃混合物（主要为C2~C8），混合轻烃泄漏受所含各轻烃影响，其泄漏扩散规律同单一组分轻烃泄漏不同。设置多组分轻烃泄漏模拟条件与基准组条件一致，同时模拟质量流量相同的单组分轻烃泄漏，设置轻烃管道泄漏扩散时长为800 s，通过研究各组分轻烃扩散范围的变化，分析多组分与单组分轻烃泄漏差异，选取C3和C5扩散云图适当区域，如图9所示。可以看出，在相同泄漏状态下，C3在多组分条件下的泄漏扩散相较于单组分，泄漏过程在受到抑制，多组分条件下的水平扩散半径、垂直扩散高度均小于单组分，但多组分泄漏时在孔口附近浓度较高；C5多组分轻烃泄漏相较于单组分来说，其扩散范围增加，多组分条件下的水平扩散半径、垂直扩散高度均大于单组分。

单组分和多组分水平扩散半径及垂直扩散高度统计如图10所示。可以看出，在控制管道内各轻烃泄漏初始条件相同，由于多组分轻烃间的相互作用，多组分泄漏扩散范围与单组分相比存在差异，且各组分变化规律不一致。C2~C4单组分扩散范围更大，且C3/C4组分的单组分与多组分泄漏扩散范围差异更大，其中，C2单组分/多组分的水平扩散半径和垂直扩散高度分别为126.0 m/119.9 m和28.6 m/26.9 m，变化率为5.1%和6.3%，而C3相应数值为223 m/172.8 m和59.8 m/49.0 m，变化率为22.0%和29.1%，C4相应数值为126.2 m/119.9 m和28.6 m/25.4 m；C2~C4泄漏后以气烃扩散为主，多组分泄漏时，重组分的气化受轻组分抑制，轻组分气化和扩散速度更快，因此C3/C4差异更大。C5~C8多组分扩散范围更大，其中，C5单组分/多组分的水平扩散半径和垂直扩散高度分别为56 m/58.2 m和14 m/14.9 m，C5~C8泄漏后以液相形式扩散，由于多组分气烃携带作用，使得多组分情况下其扩散范围变大，但变化程度并不大，C5的变化率为3.9%/6.4%。虽然对C2~C4轻烃而言，单组分泄漏扩散范围更大，但由于受到抑制的轻烃未能直接气化而聚集在泄漏孔口处，导致孔口处轻烃浓度较高，一旦发生泄漏更容易导致中毒、窒息，且高浓度区可能造成火灾爆炸，危害更大。轻烃管道在输送过程中应对管线中轻烃组分比例进行动态监测，明确管网汇点处轻烃来源组分比例，C4及以下组分比例高的轻烃管道发生泄漏后，及时疏散泄漏口附近人员，穿戴防毒/窒息装备，避免高浓度区人员中毒、窒息。

3　结论

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（1）基于轻烃泄漏扩散过程概念模型，为研究轻烃管道泄漏最严重情形，确定裸露轻烃管道在大气和土壤扩散为本文的研究要点。

（2）轻烃泄漏扩散分前、中、后3个时期，前期，轻烃迅速泄漏扩散，泄漏扩散主体形状逐渐形成；中期，轻烃扩散范围逐渐增大，包括水平扩散、垂直向上扩散、地下扩散3种扩散形式及气烃扩散、液烃扩散2种状态，其中，气态水平扩散范围最广，且扩散范围持续增加，但变化率逐渐降低，液烃扩散基本形成稳定区域；后期，轻烃扩散范围变化逐渐稳定，最终在800 s时轻烃泄漏扩散形成稳定区域，且C3，C5分别为气、液烃扩散范围最大的轻烃，泄漏时应重点关注。

（3）多组分轻烃泄漏扩散范围因气化及扩散存在先后顺序，重组分气烃扩散得到抑制，从而扩散范围小于单组分泄漏扩散，液烃受高速流出气烃携带作用，扩散范围增大；但多组分轻烃泄漏出现气烃聚集现象，泄漏口附近轻烃浓度较高。

参考文献

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文献

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2025年第53卷第4期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.013

接收时间：2024-07-29
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-04-30

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收稿日期：2024-07-29
修回日期：2024-12-25

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西南石油大学石油与天然气工程学院，成都 610500

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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