高压埋地纯氢管道泄漏扩散行为的多参数耦合机制与动态风险评估模型研究

针对高压长距离埋地纯氢管道泄漏引发的安全风险，研究人员通过多相流理论数值模拟，系统研究了土壤孔隙度、管道压力、埋深等参数对氢扩散的影响，建立了基于动态参数加权的自适应多源数据融合模型，预测精度达R2=0.964，为氢能基础设施实时风险映射与应急策略制定提供方法论支撑。

　　

随着全球能源结构向绿色低碳转型，氢能作为零碳二次能源的战略地位日益凸显。然而，氢气的低分子量（2.016 g/mol）、宽爆炸极限（4%-75.6% vol）和极低最小点火能量（0.02 mJ）等特性，使得高压长距离输氢管道的泄漏风险成为制约氢能规模化应用的"阿喀琉斯之踵"。当前全球已建成超5000公里输氢管道，但中国仅占400公里，安全顾虑是主要瓶颈。尤其当管道因腐蚀、施工缺陷导致泄漏时，氢气在土壤中的扩散行为会形成地面可燃云团，可能引发灾难性链式反应。现有研究多集中于中低压（<6 MPa）掺氢管道或加氢站场景，对≥7 MPa纯氢管道这一未来主流的扩散动力学认知仍存在理论空白。

中国石油天然气集团有限公司资助的研究团队通过计算流体力学（CFD）仿真，首次系统揭示了高压埋地纯氢管道的泄漏扩散规律。研究采用Fluent软件构建多孔介质模型，量化了土壤粘性/惯性阻力系数、管道压力（7-10 MPa）、埋深（0.8-1.6 m）及泄漏孔径（5-20 mm）等多参数耦合效应。创新性地提出动态权重自适应数据融合模型，将地面氢积累达可燃下限（LFL）时间的预测误差降至6.48%，显著优于传统静态模型。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为氢能"西氢东送"国家战略提供了关键安全技术支撑。

关键技术方法包括：1）基于多相流理论的CFD数值模拟；2）采用动态参数加权的非线性回归算法；3）建立包含土壤-管道耦合效应的三维泄漏扩散模型；4）通过可燃性极限（LFL）时间阈值构建风险映射框架。

【物理模型】
研究突破传统气体管道模型的局限，将土壤视为各向同性多孔介质，通过Ergun方程计算粘性/惯性阻力系数。仿真显示：当泄漏发生在管道顶部时，氢羽流呈轴对称球状扩散，而侧向泄漏则形成倾斜椭球体，这种形态差异直接影响地面可燃区域分布。

【氢浓度分布】
监测网络数据显示，氢体积分数在泄漏源近场呈指数衰减。典型工况下（10 MPa压力，1.2 m埋深），30秒内氢云可穿透1米厚土层，100秒时地面中心浓度达15.7% vol，远超LFL阈值。土壤孔隙度每增加10%，扩散速率提升23%，但粘性阻力系数增大会显著延缓上升时间。

【结论与意义】
该研究首次量化了高压纯氢管道泄漏的多参数耦合效应：1）泄漏质量流量主要受管道压力与孔径控制，二者贡献度达62%；2）土壤含水率>15%时会产生"毛细阻滞"效应，使扩散速度下降40%；3）建立的动态权重模型成功解码参数间非线性关系，预测R²达0.964。这些发现为制定《高压纯氢管道安全间距标准》提供了理论依据，其自适应风险评估框架已应用于中石油"鄂尔多斯-北京"示范管线设计，推动中国氢能基础设施安全水平与国际接轨。值得注意的是，作者团队指出当前模型未考虑冻土/季节变化影响，下一步将结合分布式光纤传感技术开展现场验证，进一步完善氢能安全理论体系。