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【摘 要】输气管道断裂容易造成重大事故,减压波在管道开裂处向两端各传播,减压波速度的最大值即裂尖处的减压波速度为声速.高压富气输送管道减压过程中容易发生相变,出现气液两相共存的现象,导致减压波特性发生明显的变化.因此,富气的减压波特性研究对于裂纹止裂具有重要的意义.
【关 键 词 】输气管道；断裂；减压波
前言
近年来,国内外很多著名专家对单相气体和两相流体压力波的传播波速做了大量的研究,但在天然气由气相进入气液两相的减压速研究方面不是很多,本文利用两相流声速计算统一模型结合新的输气管道减压波模型,比较准确的描述减压波传播特性,能够计算干气输送管道断裂过程中的减压波传播特性,尤其是减压过程中出现从气相进入气液两相的减压波特性的变化,在输气管道断裂过程中减压波传播特性的研究具有重大意义.
1.减压波模型概述
管道刚刚开裂的时候仅仅是裂开1个小缝,然后裂纹逐渐扩展,裂缝逐渐变大,最终整个泄放气体的通道与管道的截面相当.采用PR、SRK、BWRS-PR及BWRS-SRK状态方程进行相态计算.假设：管道处于热力学完全平衡状态；绝热流动,不考虑传热和摩擦带来的影响；气相和液相之间没有速度滑移；不考虑由液滴引起的界面张力效应；管道中为一维等熵流动.由于所输送介质为多组分流体.因此状态方程所使用的混合物规则对气-液平衡计算结果有重要影响.输气管道在理想的输送工况下,管道中所输送的为单相气体,其声速可表示为：
式中c为声速；p为压力；ρ为气体混合密度.
管输气体在管道断裂过程中一旦进入两相区,减压特性将发生很大变化.此时应用多种流型的气液两相压力波速预测统一模型,该模型为：
式中Cvm为虚拟质量力系数；RG、RL分别为气、液相含气率；ρG、ρL分别为气、液相密度；aG、aL分别为气、液相声速.
有模型可以看出：管道断裂发生后,流体在管中迅速从裂缝处向外流动.流体在开口处的流速在管长方向各点均不相同,通常状态下,在前沿减压波的流动速度为0,在开口处的流动速度最大,即距减压波的前沿越远,流体的流动速度越大.
流体流出速度的计算方法为：
式中u为流出速度；ρ为流体密度；c为流体声速.
因此,由以上模型及计算公式,我们可以根据减压速等于声速与流体流出速度之差即可得出相应的减压波传播速度.
2.管道天然气减压波传播特性研究
2.1气体组分的影响
在管道满足正常运行条件下,选择4种不同组分的天然气进行分析,分析气质组成对减压波特性的影响.如图1,由统计数据可知,从气质3到气质6,天然气逐渐变“轻”,在图上的反映是曲线的气液两相面积逐渐减小.由图2,不同气质组成的减压波传播曲线可以看出,初始压力为12MPa,温度为30℃,各曲线出现“平台”的压力逐渐降低,“平台”位置下降.
则可以推断,当气质组成中重组分含量逐渐减少至一定比重时,减压波将不会有平台出现,曲线变的光滑.反过来说,当重组分比重逐渐增加时,减压波曲线进入两相区,压力在高位保持时间较长而不能迅速减小,直接导致管道裂纹扩展.
2.2原始压力对减压波的影响
研究压力对减压波特性的影响,也是以假设条件为基础,以气质4为例,初始温度保持30℃恒定,采用Dewe软件对不同初始压力（6MPa、10MPa、15MPa）的减压速进行计算.根据计算结果判断,初始温度保持不变的情况下,起始点的减压速与初始压力成正比.当减压波曲线出现“平台”时,减压波曲线的“平台”随着初始压力的减小而降低,最终可能消失.
2.3初始温度对减压波的影响
温度是影响气体特性的一个重要因素,对相态的影响尤为明显.因此,以气质3为例进行分析.采用Dewe软件计算了在初始压力为12MPa时,在不同初始温度（15℃、30℃、50℃）下的减压速,由结果分析可知,在相同的气质组成和初始压力下,随着初始温度的升高,减压波“平台”逐渐降低,直至消失.即管道中温度越高,减压波减压过程中越不易进入两相区.对于管道实际运行工况来说,在相同的工况下,夏季将有利于抑制管道裂纹的扩展；反之,冬季温度较低,增大了管道裂纹扩展的风险.
3.结束语
本文通过对减压波模型的概述及管道天然气减压波传播特性研究的分析,结果表明：重组分含量的微量增加,将导致出现“平台”的压力增大,在减压波曲线图中平台将升高；在相同的初始温度情况下,随着初始压力的降低,减压速逐渐减小；相同的初始压力下,随着初始温度的升高,减压波“平台”逐渐降低,最终将消失.