埋地输氢管道泄漏源分析与氢扩散规律研究

《Petroleum》：The leakage source analysis and the diffusion law of buried hydrogen pipeline

　　

为探究埋地输氢管道的氢泄漏与扩散行为，研究人员建立了专用于埋地管道的流体域模型，考察了操作压力、泄漏尺寸、土壤类型及泄漏方向对氢弥散的影响。结果表明，气体扩散速度与泄漏率均随管道操作压力及泄漏尺寸增大而成正比增加。氢在低黏度土壤中表现出更高的扩散速度，砂土中的泄漏率为黏土中的3.9倍。因此，处于低黏度土壤中的高压运行管道具有更高的风险系数。为预测不同操作条件下的危险区域，研究人员以数值模拟数据为训练样本构建了GA-BP神经网络模型，该模型具备可靠的预测能力，最大平均偏差误差为-2.12。

研究背景方面，全球主要经济体日益认识到过度依赖煤、石油、天然气等传统化石燃料会加剧温室效应，寻求清洁高效能源替代成为全球优先事项。氢能源因质量比能量密度高、零污染、生产方式多样等优势，是替代化石燃料、推动全球能源结构转型升级的有力候选。石油化工作为化石燃料主要消费端与能源基础设施关键利益相关方，在此能源转型中面临显著压力与机遇，诸多大型油气公司正积极布局氢能并寻求融入现有能源系统。当前高压气态储氢是主流储运方式，但存在压缩能耗高、加氢站建设成本高、安全风险大、运输距离有限等弊端。依托油气管道输送经验，将现有天然气管网改造为掺氢或纯氢管道，是实现大规模长距离输氢的经济可扩展方案，行业亟需安全、低成本、大规模的储运方式，管道输运因高效、低能耗、经济效益好成为未来氢输运方向。氢分子小、密度低、扩散快，泄漏后扩散范围远大于其他气体，高压下氢泄漏速度可达甲烷的2.8倍，因此需聚焦埋地输氢管道泄漏源分析与扩散行为，研究适用于纯氢、天然气、石油产品气相及氢天然气混合物的场景，为当前及未来多能管网安全运行提供基础安全洞察，支撑碳中和时代气态氢大规模输运与氢能规模化应用。现有研究存在四点不足：一是多聚焦掺氢管道，纯氢管道研究有限；二是氢环境裂纹扩展多靠实验，少将实验结果用于管道裂纹扩展计算，裂纹扩展规律认知不足；三是数值模拟常将泄漏源简化为定压定流定孔径的压力出口，泄漏点压力不等同操作压力，且多假设氢扩散系数为常数，近泄漏处压力梯度大，扩散系数与压力成正比不能视为常数；四是模拟后多笼统描述参数影响，未准确量化关系，对工程应用助益有限。为此研究人员采用Abaqus静态模型结合Franc3D裂纹扩展模型研究埋地输氢管道裂纹扩展规律，结果作为ANSYS Fluent模拟与神经网络建模的泄漏点识别与裂纹尺寸预测的初值，创新建立可动态计算由压缩因子修正的扩散系数的模型，解决中高压多介质非理想气体扩散计算精度不足问题，量化各因素对氢扩散的影响，设计氢泄漏后危险区域预测框架，开发基于GA-BP神经网络的预测模型，实现泄漏源定位与危险区域预测的精确同步求解，形成从机制创新到工程计算与智能预测的完整技术链，为大规模氢管道输运提供低成本风险预测方案。该论文发表在《Petroleum》。

关键技术方法方面，研究人员依托内蒙古乌兰察布至京津冀直径450 mm输氢管道工程，建立4.5 m×4 m×4.8 m三维流体域泄漏模型，集成大气层、土壤介质与管道内流场，裂纹尺寸由X80钢裂纹扩展实验数据拟合后导入Franc3D模拟获得，等效矩形泄漏口宽度取焊缝厚度4 mm，长度取泄漏上端尺寸，设4个监测点。数学模型采用k-ε湍流模型、多孔介质模型描述土壤对气体扩散的阻碍，组分输运模型描述氢在空气中扩散，引入压缩因子Z修正Fuller公式计算氢扩散系数，由Peng-Robinson状态方程动态计算Z。Fluent中离散计算域并局部加密泄漏口网格，最大表面歪斜率限0.5，最小体积正交质量超0.4，设质量入口、压力出口等边界条件，选取砂土、壤土、黏土三种土壤参数，设定3.5、4.0、4.5、5.0 MPa四级压力，3.5、4.4、4.8、5.0 mm四种泄漏尺寸，0°、30°、60°三种泄漏角度，共11种工况模拟350 s，时间步长5×10^-4 s，采用基于压力的求解器，PISO算法进行压力速度耦合，动量与能量方程对流项用二阶迎风离散。经网格独立性验证（3.71×10⁶网格满足精度）与数值方法验证（对比Schefer氢泄漏实验与Xie多孔介质甲烷泄漏实验，稳态浓度偏差3.56%）后开展研究。

研究结果部分保留小标题说明如下：

4.1 扩散规律分析，研究人员定义氢下限可燃浓度为4%的危险范围，以Case 3为例，各监测点氢体积分数变化分快速上升、缓慢下降、稳定三阶段，初始泄漏未稳时泄漏速度可达2×10³ m/s，随后稳定趋恒，浓度先升后降最终稳定。距泄漏源越近峰值越高，监测点1峰值0.1，监测点4仅0.02；距源越远达峰值时间越长，监测点1约10 s达峰，监测点4约35 s达峰。ZY平面0.5、10、60、200 s时刻氢体积分数云图显示，泄漏点附近成气云后向四周均匀对称扩散，0–10 s三梯度曲线范围明显扩大，下降阶段0.5%梯度曲线继续扩大而1%、2%等高浓度梯度曲线缩小，高危范围先增后减最终稳定。四条采样线显示0.5 s仅近源线1检出氢（最大0.37%），10 s线1、2、3检出，线1最大8.1%达下限，ZY面线1高度危险范围1.7 m；60 s四线均检出，线1降至5.2%，危险范围缩至0.86 m；200 s线1最大4.1%略超下限，线2、3、4分别降至2.3%、1.5%、0.8%，扩散范围继续增大，线4高度范围从10 s的3 m扩至3.5 m。

4.2 影响因素分析

4.2.1 操作压力影响，氢扩散速率与管道压力成正比，同泄漏时长下压力越高扩散范围越大，管道压力每增0.5 MPa，氢沿Y轴扩散范围增0.05 m。不同压力下氢体积分数均经历快速上升、下降、稳定三阶段，相同压差下距泄漏源越近氢体积分数差异越大，泄漏孔附近扩散主要驱动力为压力，远处为浓度差。

4.2.2 泄漏尺寸影响，氢扩散速率与孔径成正比，孔径从3.5 mm增至5.0 mm时，危险范围高度从625 mm增至685 mm。不同工况下氢体积分数同样呈上升、下降、稳定三阶段。

4.2.3 土壤类型影响，氢在砂土中扩散显著快于壤土与黏土，稳态时砂土计算域内最低浓度达0.8%且已扩散至全域，黏土扩散范围明显更小。砂土中泄漏质量流量为黏土的3.9倍，敷设氢管道宜避开低黏阻系数的土壤。

4.2.4 泄漏角度影响，非垂直泄漏初期氢先沿泄漏方向喷射一定距离，受浮力与重力影响部分向地表扩散、部分向深层土壤扩散。不同泄漏角度低浓度区范围相近，高浓度区范围与泄漏角度呈反比，以危险浓度为例，泄漏角从0°增至60°时，沿Y轴扩散范围从1.41 m降至1.15 m，沿Z轴从0.59 m降至0.42 m。

总结讨论部分，研究人员通过埋地输氢管道泄漏扩散数值模拟，以Case 3为代表考察氢全程扩散过程，分析操作压力、土壤类型、泄漏角度、泄漏尺寸对氢扩散的影响，并基于模拟结果预测不同工况危险范围。研究形成从裂纹扩展机理、流体域与多孔介质耦合模拟、动态修正扩散系数到GA-BP神经网络同步预测泄漏源与危险区域的完整链条，弥补了纯氢管道、变扩散系数、量化影响关系等方面的不足，为工程风险预测提供低成本方案。

结论部分翻译总结如下：

（1）泄漏全过程各监测点氢体积分数变化总体分快速上升、缓慢下降、稳定三阶段；缓慢下降阶段氢扩散范围持续扩大，泄漏孔附近氢浓度逐渐降低。

（2）不同工况下氢扩散具上升、下降、稳定三阶段；氢泄漏速度与管道操作压力及裂纹尺寸成正比，与土壤阻力系数及泄漏角度成反比。

（3）管道泄漏后少数管内监测点可有效捕获内流场速度分布，结合GA-BP模型可预测泄漏位置与泄漏口尺寸，与实际值最大平均绝对误差（MAE）仅0.37（相应单位）；结合GA-BP模型与管道压力、土壤类型等变量可准确预测氢危险范围，最大平均偏差误差仅2.12。