CN103527934A - 一种管道泄漏实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道泄漏实验装置及实验方法，实验装置由动力系统、泄漏单元、阀门、温度计、体积流量计和压力表组成，动力系统通过管道与泄漏单元连接，泄漏单元两端分别连接阀门、温度计、压力表、体积流量计。通过比较气体或液体稳态泄漏速率的计算值与计量值得到气体或液体稳态泄漏速率公式的修正模型，可研究管道或储罐在多种不同泄漏工况条件下气、液以及气液混相稳态与动态泄漏的特征与规律，为长输管道的日常安全维护以及泄漏事故的应急救援与事故调查提供理论依据。

Description

一种管道泄漏实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及石油、化工安全工程领域，尤其涉及一种管道泄漏实验装置及实验方法，适用于研究管道、储罐泄漏的特征与规律。

背景技术

管道输送具有成本低、供给稳定及安全性高等优点，在石油化工行业得到了广泛应用。由于部分管道投入使用年限较长，以及频繁受道路施工、车辆碾压、电化学腐蚀、地质沉降等原因影响，石油天然气长输管道泄漏事故时有发生。加之，石油天然气具有易燃、易爆等危险特性，一旦发生泄漏，极易引发火灾、爆炸等恶性事件，对公共安全造成极大威胁。

目前有关管道泄漏特征与规律的研究主要基于流体力学基本方程组的理论推导，开展管道泄漏速率、易燃易爆气体扩散影响范围等预测，与现场实际脱节，预测准确率低。而通过实验室大尺度相似实验模拟管道不同泄漏工况条件下的稳态与动态泄漏过程、泄漏速率实时计量、易燃易爆气体扩散影响范围预测等内容缺乏相关报道。长输管道多埋设于地下，不易测定泄漏速率与时间，难以评估易燃易爆物料的扩散影响范围，因此，构建管道泄漏实验装置研究泄漏特征与规律显得尤为重要。

中国发明专利申请号201110302314.3公开了一种水下输气管道泄漏检测实验平台，可用于水下管道泄漏检测时模拟水下环境，但该平台通过调节针阀开度模拟管道不同泄漏孔径的泄漏状况，不能准确控制泄漏口的形状与大小，且输送介质仅为气相物料。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术预测泄漏速率、易燃易爆气体扩散影响范围等准确率低的缺陷，提供一种能够模拟多种不同泄漏工况条件下的稳态与动态泄漏过程，研究管道或储罐泄漏特征与规律的实验装置。

本发明的另一个目的是提供一种研究管道与储罐泄漏特征与规律的实验方法。

本发明所述的管道泄漏实验装置I由动力系统、泄漏单元、阀门、温度计、体积流量计和压力表组成，动力系统通过管道与泄漏单元连接，泄漏单元两端分别连接阀门、温度计、压力表、体积流量计，可进行泄漏单元的气相或液相稳态与动态泄漏实验。

本发明所述的管道泄漏实验装置I、实验装置II通过进料支管与阀门并联，可进行泄漏单元的气、液混相稳态与动态泄漏实验。

所述的泄漏单元为管道泄漏单元或储罐泄漏单元。

本发明所述的管道泄漏实验方法包括以下步骤：

(1)在初始压力为P、温度为T、泄漏单元的泄漏孔横截面积为S的实验条件下，通过气体稳态泄漏速率公式(2)或(3)计算气体在泄漏单元的泄漏孔的质量泄漏速率Q_气临或Q_气亚；通过液体稳态泄漏速率公式(4)计算液体在泄漏单元的泄漏孔的质量泄漏速率Q_液。

气体稳态泄漏速率大小取决于气体在孔口处为临界流泄漏或亚临界流泄漏，由临界压力比CPR确定：

$\mathrm{CPR}=\frac{P_a}{P_c}{\left(\frac{2}{\mathrm{\κ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\κ}-1}}---\left(1\right)$

式(1)中，P_a为大气压力，P_c为临界压力，κ为绝热系数。

当P≥P_c时，气体在孔口处为临界流泄漏，泄漏速率如式(2)：

式(2)中，Q_气临为气体临界流质量泄漏速率，C₀为流量系数，M为气体摩尔质量，R为气体常数。

当P＜P_c时，气体在孔口出为亚临界流泄漏，泄漏速率如式(3)：

式(3)中，Q_气亚为气体亚临界流质量泄漏速率。

液体稳态泄漏速率如式(4)：

式(4)中，Q_液为液体质量泄漏速率。

(2)在初始压力为P、温度为T、泄漏单元的泄漏孔横截面积为S的实验条件下，模拟现场泄漏过程，计量得到气体或液体在泄漏单元的泄漏孔的质量泄漏速率Q_气实或Q_液实。

(3)重新设定初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积的值，重复上述步骤(1)、(2)，得到多组气体或液体质量泄漏速率的计算值与计量值。

(4)比较气体或液体质量泄漏速率的计算值与计量值，鉴于流量系数C₀的取值主观性较强，稳态泄漏速率公式中，对于锋利的孔，雷诺数大于30000的情况下取0.61，其它情况取1，采用回归分析方法定量描述流量系数与初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积之间的关系，得到气体或液体稳态泄漏速率公式的修正模型。

所述的泄漏单元可分别置于空气、土壤或水中，重复上述步骤(1)—(4)，可分别得到泄漏单元在空气、土壤或水中的泄漏速率规律。

本发明产生的有益效果是：提出一种管道泄漏实验装置及实验方法，可研究管道或储罐在多种不同泄漏工况条件下气、液以及气液混相稳态与动态泄漏的特征与规律，模拟架空、埋地、水下的真实泄漏过程，实现泄漏速率的实时、准确计量，得到压力、温度、流量参数伴随泄漏过程的演变规律。因此，利用本发明可以在室内进行多种不同泄漏工况的相似实验，有助于管道泄漏速率、易燃易爆气体扩散影响范围的准确预测，并为长输管道的日常安全维护以及泄漏事故的应急救援与事故调查提供理论依据。

附图说明

图1为本发明管道泄漏实验装置结构示意图；

图2为本发明管道泄漏单元结构示意图；

图3为本发明储罐泄漏单元结构示意图；

图4为本发明实验方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明管道泄漏实验装置Ｉ由动力系统、泄漏单元、阀门、温度计、体积流量计和压力表组成，动力系统通过管道与泄漏单元连接，泄漏单元两端分别连接阀门4，阀门6，体积流量计1，体积流量计9，压力表2，压力表8，温度计3，温度计7。

参照图1，本发明管道泄漏实验装置Ｉ、实验装置II通过进料支管与阀门10并联，泄漏单元两端分别连接阀门41，阀门61，体积流量计1，体积流量计11，体积流量计91，压力表21，压力表81，温度计31，温度计71。

所述的泄漏单元为管道泄漏单元5或储罐泄漏单元51。

参照图2，管道泄漏单元5为穿心管状结构，两端为连接法兰，在内管5a的管壁上开有泄漏口，外管5b的管壁通过支管5c连接质量流量计。

所述的泄漏口为圆形孔5d或条形孔5e。

参照图3，储罐泄漏单元51为罐状结构，罐体51c上安装有进料管51a和出料管51b，罐体51c的罐壁上开有泄漏口，在罐体51c的罐壁外安装有环形外罩51d，环形外罩51d的罐壁通过支管51e连接质量流量计。

所述的泄漏口为圆形孔51f或条形孔51g。

结合图1，对本发明实验方法说明如下：

在进行气相泄漏实验时，本发明的动力系统由空气压缩机、缓冲罐与气体调节阀组成，提供压力恒定的实验气体，调节气体调节阀，将压力表2、压力表8读数的平均值作为设定的初始压力，将温度计3、温度计7读数的平均值作为设定的温度，关闭阀门10，开启阀门4、阀门6，实验气体经体积流量计1、压力表2、温度计3进入泄漏单元开始稳态泄漏过程，泄漏速率保持恒定，未泄漏的实验气体经温度计7、压力表8、体积流量计9对大气进行放空。泄漏单元为管道泄漏单元5或储罐泄漏单元51，模拟管道或储罐发生圆形孔5d、圆形孔51f或条形孔5e、条形孔51g泄漏，通过更换泄漏单元设定管道泄漏单元或储罐泄漏单元的泄漏孔横截面积，在管道泄漏单元支管5c或储罐泄漏单元支管51e处连接质量流量计精确计量气体泄漏速率。重新设定初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积，重复上述过程，得到多组气体稳态泄漏速率的计量值，将计量值与通过气体稳态泄漏速率计算公式得到的相同实验条件下的计算值进行比较，采用回归分析方法定量描述流量系数与初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积之间的关系，得到气体或液体稳态泄漏速率公式的修正模型。气体稳态泄漏进行过程中，关闭压缩机模拟上游紧急关断后的动态泄漏过程，泄漏速率持续变小，初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积的设定与稳态泄漏过程相同，实时计量动态泄漏速率，采用回归分析方法定量描述动态泄漏速率随时间的变化关系。通过体积流量计1、体积流量计9，压力表2、压力表8，温度计3、温度计7的实时检测可定性描述流量、压力、温度参数伴随稳态泄漏过程与动态泄漏过程的演变规律。将管道泄漏单元5或储罐泄漏单元51置于大气、土壤、水中分别模拟架空、埋地、水下的气体稳态泄漏与动态泄漏过程。

在进行液相泄漏实验时，本发明的动力系统由柱塞泵、缓冲罐与液体调节阀组成，提供压力恒定的实验液体，通过调节液体调节阀，将压力表2、压力表8读数的平均值作为设定的初始压力，将温度计3、温度计7读数的平均值作为设定的温度，关闭阀门10，开启阀门4、阀门6，实验液体经体积流量计1、压力表2、温度计3进入泄漏单元开始稳态泄漏过程，泄漏速率保持恒定，未泄漏的实验液体经温度计7、压力表8、体积流量计9回流储罐，通过更换泄漏单元设定管道泄漏单元或储罐泄漏单元的泄漏孔横截面积，具体过程与气相泄漏实验相同。

在进行气、液混相泄漏实验时，开启实验装置I、实验装置II动力系统，调节气体调节阀和液体调节阀保证气相压力高于液相，将压力表21、压力表81读数的平均值作为设定的初始压力，将温度计31、温度计71读数的平均值作为设定的温度，关闭阀门4、阀门6，开启阀门10、阀门41、阀门61，实验装置I、实验装置II并联，实验气体经体积流量计1、阀门10，实验液体经体积流量计11，气、液混合后进入泄漏单元开始稳态泄漏，泄漏速率保持恒定，未泄漏的两相流经温度计71、压力表81、体积流量计91回流储罐，通过更换泄漏单元设定管道泄漏单元或储罐泄漏单元的泄漏孔横截面积，在管道泄漏单元支管5c或储罐泄漏单元支管51e处连接质量流量计精确计量气、液混相泄漏速率。重新设定初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积，重复上述过程，得到多组气、液混相稳态泄漏速率的计量值，采用回归分析方法定量描述气、液混相稳态泄漏速率与初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积之间的关系。气、液混相稳态泄漏进行过程中，关闭压缩机与柱塞泵模拟上游紧急关断后的动态泄漏过程，泄漏速率持续变小，初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积的设定与稳态泄漏过程相同，实时计量动态泄漏速率，采用回归分析方法定量描述动态泄漏速率随时间的变化关系。通过体积流量计1、体积流量计11、体积流量计91，压力表21、压力表81，温度计31、温度计71的实时检测可定性描述流量、压力、温度参数伴随稳态泄漏过程与动态泄漏过程的演变规律。将管道泄漏单元5或储罐泄漏单元51置于大气、土壤、水中分别模拟架空、埋地、水下的气、液混相稳态泄漏过程与动态泄漏过程。

Claims (9)

1.一种管道泄漏实验装置，包括至少一个由动力系统、泄漏单元、阀门、温度计、体积流量计和压力表组成的实验装置，其特征是：实验装置中的动力系统通过管道与泄漏单元连接，泄漏单元两端分别连接阀门(4)、阀门(6)、温度计(3)、温度计(7)、压力表(2)、压力表(8)、体积流量计(1)、体积流量计(9)。

2.根据权利要求1所述的一种管道泄漏实验装置，其特征是：包括实验装置I和实验装置II两个实验装置，实验装置I、实验装置II可通过进料支管和阀门(10)并联。

3.根据权利要求1或2所述的一种管道泄漏实验装置，其特征是：所述的泄漏单元为管道泄漏单元(5)或储罐泄漏单元(51)。

4.根据权利要求1或2所述的一种管道泄漏实验装置，其特征是：管道泄漏单元(5)为穿心管状结构，两端为连接法兰，在内管(5a)的管壁上开有泄漏口，外管(5b)的管壁通过支管(5c)连接质量流量计。

5.根据权利要求4所述的一种管道泄漏实验装置，其特征是：所述的泄漏口为圆形孔(5d)或条形孔(5e)。

6.根据权利要求1或2所述的一种管道泄漏实验装置，其特征是：储罐泄漏单元(51)为罐状结构，罐体(51c)上安装有进料管(51a)和出料管(51b)，罐体(51c)的罐壁上开有泄漏口，在罐体(51c)的罐壁外安装有环形外罩(51d)，环形外罩(51d)的罐壁通过支管(51e)连接质量流量计。

7.根据权利要求6所述的一种管道泄漏实验装置，其特征是：所述的泄漏口为圆形孔(51f)或条形孔(51g)。

8.一种管道泄漏实验方法，其特征是：包括以下步骤，

(1)在初始压力为P、温度为T、泄漏单元的泄漏孔横截面积为S的实验条件下，通过气体稳态泄漏速率公式(2)或(3)计算气体在泄漏单元的泄漏孔的质量泄漏速率Q_气临或Q_气亚，通过液体稳态泄漏速率公式(4)计算液体在泄漏单元的泄漏孔的质量泄漏速率Q_液；

气体稳态泄漏速率大小取决于气体在孔口处为临界流泄漏或亚临界流泄漏，由临界压力比CPR确定：

$\mathrm{CPR}=\frac{P_a}{P_c}{\left(\frac{2}{\mathrm{\κ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\κ}-1}}---\left(1\right)$

式(1)中，P_a为大气压力，P_c为临界压力，κ为绝热系数；

当P≥P_c时，气体在孔口处为临界流泄漏，泄漏速率如式(2)：

式(2)中，Q_气临为气体临界流质量泄漏速率，C₀为流量系数，M为气体摩尔质量，R为气体常数；

当P＜P_c时，气体在孔口出为亚临界流泄漏，泄漏速率如式(3)：

式(3)中，Q_气亚为气体亚临界流质量泄漏速率；

液体稳态泄漏速率如式(4)：

式(4)中，Q_液为液体质量泄漏速率；

(2)在初始压力为P、温度为T、泄漏单元的泄漏孔横截面积为S的实验条件下，模拟现场泄漏过程，计量得到气体或液体在泄漏单元的泄漏孔的质量泄漏速率Q_气实或Q_液实；

(3)重新设定初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积的值，重复上述步骤(1)、(2)，得到多组气体或液体质量泄漏速率的计算值与计量值；

(4)比较气体或液体质量泄漏速率的计算值与计量值，鉴于流量系数C₀的取值主观性较强，稳态泄漏速率公式中，对于锋利的孔，雷诺数大于30000的情况下取0.61，其它情况取1，采用回归分析方法定量描述流量系数与初始压力、温度、泄漏单元的泄漏孔横截面积之间的关系，得到气体或液体稳态泄漏速率公式的修正模型。

9.根据权利要求8所述的一种管道泄漏实验方法，其特征是：所述的泄漏单元可分别置于空气、土壤或水中，重复权利要求8所述步骤(1)—(4)，可分别得到泄漏单元在空气、土壤或水中的泄漏速率规律。

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