混合了氢气的天然气在埋设管道中的泄漏和扩散行为的实验研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental investigation of leakage and diffusion behavior of hydrogen-blended natural gas in buried pipelines

　　摘要
氢气混合天然气（HBNG）提供了一种通过现有天然气基础设施输送氢气的实用方式。然而，埋地管道的泄漏可能导致复杂的地下迁移和积聚，尤其是在地表覆盖形态多样、与相邻地下空间的距离各不相同的城市环境中。本研究开发了一个实验平台，用于探究含5%氢气（HBR）的HBNG从埋地管道泄漏和扩散的行为。通过分布式气体浓度测量，研究了管道压力、泄漏孔径、埋设深度、气体组成、泄漏速率、地表覆盖情况以及源到入口的距离等因素的影响。结果显示，管道压力和泄漏孔径显著影响了泄漏速率，而埋设深度则没有明显影响。计算出的地面泄漏速率是埋地管道相应值的5.8至7.4倍，这凸显了周围土壤的阻碍作用。与天然气相比，5%的HBNG显示出平均浓度略高的趋势。泄漏速率从0.05升/分钟增加到0.15升/分钟时，点1处的气体浓度显著增加，预警时间缩短了约51%，点3处缩短了约53%。地表覆盖限制了气体垂直释放，促进了地下积聚；浓度响应的幅度与覆盖比例不成正比，还取决于覆盖位置。相邻地下空间中的气体积聚对源到入口的距离特别敏感；距离从40厘米减少到20厘米时，点6处的浓度增加了约12.9倍。这些发现为理解复杂城市边界条件下HBNG的迁移提供了实验证据，可能有助于泄漏后果评估、气体监测策略、检测器布置以及埋地HBNG管道的应急响应规划。

引言
随着全球变暖问题日益严重，减少化石燃料消耗并转向更清洁、可再生的能源已成为全球能源系统发展的主导趋势（Ishaq和Dincer，2021年）。氢气因其高比能量密度以及在低碳生产和无碳终端使用方面的潜力而受到广泛关注（Jamil等人，2024年；Kim等人，2024年）。其广泛应用对于建立绿色、低碳的工业体系至关重要。然而，氢气的运输仍然是限制氢能系统大规模部署的关键瓶颈（Liu等人，2025年）。管道运输是一种经济高效的方式（Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang和Tian，2024d；Wang等人，2024e）；然而，专用纯氢管道仍面临重大的技术和经济挑战（Wallington等人，2025年）。将氢气按特定比例混合到天然气中形成氢气混合天然气（HBNG）（Cristello等人，2023年；Haeseldonckx和D’haeseleer，2007年；Zhou等人，2022年），并通过现有的天然气管道运输，是一种经济高效的气体输送策略（Hanto等人，2024年；Islam等人，2024年；Wang等人，2023年）。然而，氢气混合可能会在管道中引起氢相关的损伤，如氢脆化、氢气泡和氢诱导裂纹，从而显著增加管道泄漏的风险（Nguyen等人，2022年；Shang等人，2025年；Zhang等人，2025年）。氢气的固有低密度、高扩散性、更宽的燃限和更低的最低点火能量加剧了气体泄漏后的次生事故风险（Amer等人，2024年；Martin等人，2024年）。此外，增加天然气中的氢气混合比例（HBR）会提高甲烷-氢-空气混合物的层流和湍流燃烧速度，扩大它们的燃限（Hao等人，2021年；Okafor等人，2014年；Wang等人，2020年），从而增加爆炸事故的可能性和严重性。现有的城市地下天然气管网结构复杂，使用寿命长，老化的管道经常导致泄漏和爆炸，对公共财产和个人安全构成严重威胁（Peng等人，2024年）。因此，全面研究埋地HBNG管道的泄漏和扩散特性对于制定有效的安全管理框架至关重要，从而促进氢气的广泛采用。

已有大量研究关注可燃气体泄漏、气体扩散、危险形成及泄漏源预测。在泄漏源处，泄漏速率和近场流动主要由管道压力、泄漏几何形状、气体性质和热力学过程控制。Ma等人（2024年）进行了全尺寸高压乙烷泄漏实验，证明了泄漏方向和孔径大小显著影响浓度分布、易燃区域持续时间以及管道内的瞬态压力和温度。Wang等人（2025年）进一步表明，多组分气体的扩散从近场喷射主导阶段发展为远场扩散主导阶段。随着气体远离泄漏源，其扩散越来越多地受到湍流、浮力和通风以及周围障碍物的影响。例如，Mei和Shuai（2022年）发现Kelvin-Helmholtz不稳定性和Rayleigh-Taylor不稳定性的相互作用会促进封闭建筑布局中的气体积聚，而Jiang等人（2025年）研究了从动量主导扩散向湍流和浮力共同控制的转变。基于这些传输现象，研究人员结合了数据驱动框架（如贝叶斯推理、神经网络和声学特征检测）来提高在大气或障碍物影响流动场下的泄漏源定位和速率估算（Wang等人，2022年；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang和Tian，2024d；Wang等人，2024e；Xu等人，2026年）。这些研究阐明了可燃气体的一般泄漏和扩散机制，可以据此评估氢气混合引入的行为。与天然气相比，HBNG表现出更复杂的扩散和危险特性，因为氢气的分子量更低、扩散性更高、燃限更宽、点火能量更低。先前的研究表明，氢气混合会增加体积泄漏速率并促进气体的空间扩散（Lowesmith等人，2009年；Peng等人，2025年）。对于HBR低于50%的HBNG，总体积聚模式与天然气相似，尽管气体通常更快达到危险浓度。在更高的HBR下，易燃区域变得更厚且持续时间比纯氢或天然气在相同条件下的更长（Li等人，2022年）。增加HBR还会缩短达到LEL（最低爆炸限）所需的时间，并促进易燃区域向上迁移（Su等人，2022年；Sun等人，2023年）。由于初始动量和浮力的综合效应，HBNG倾向于在上方区域积聚并在封闭或半封闭空间中形成浓度分层（Li等人，2023a；Li等人，2023b；Marangon和Carcassi，2014年；Thawani等人，2024年）。这种分层的程度取决于泄漏速率和通风条件。泄漏孔径和管道压力是控制泄漏速率的主要因素，因此影响泄漏HBNG的扩散和积聚行为（Jia等人，2023年）。自然通风通常会导致气体在天花板附近积聚，而机械通风虽可降低局部浓度，但可能延长气体云的下游影响范围（Han等人，2023年；Shao等人，2022年；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang和Tian，2024d；Wang等人，2024e）。总体而言，这些发现表明，在评估HBNG泄漏风险时，必须同时考虑氢气混合、浮力、限制条件以及通风的影响。

埋地HBNG管道泄漏后，气体在土壤中的扩散行为与在空气中的显著不同，这主要是由于土壤介质的结构和环境复杂性。早期研究主要集中在建立管道运行条件与埋地泄漏源强度之间的关系。Nouri-Borujerdi和Ziaei-Rad（2009年）开发了一维泄漏模拟模型，用于高压埋地管道，研究壁面热传递、摩擦阻力、入口温度和马赫数对气体泄漏行为的影响。Ebrahimi-Moghadam等人（2018年）报告称，埋地管道的泄漏速率与管道压力呈线性关系，与泄漏孔径呈二次方关系，与孔径与管道直径的比值呈四次方关系。Xia等人（2024年）发现，与地面管道相比，管道压力对气体泄漏速率的影响被放大，而泄漏孔径的影响减弱。对埋地天然气管道的研究还表明，管道配置、土壤类型和周围地下结构强烈影响气体迁移和危险边界。埋地立管泄漏可能比水平管道的泄漏更为隐蔽且危险（Li等人，2024年）。Mohanty等人（2024年）发现，可燃气体云的垂直和水平危险距离随操作压力的增加而增加。Xia等人（2023年）进一步表明，箱形涵洞可作为优先的迁移和积聚空间，表明地下结构可能根本改变气体传输路径。在此基础上，最近的研究越来越多地关注埋地HBNG管道的泄漏和扩散。与天然气相比，埋地HBNG表现出更宽的压力和流量波动范围、更低的泄漏质量流量（Li等人，2024年）以及泄漏后更高的土壤压力和浓度水平（Bu等人，2024年）。数值结果通常表明，管道压力和泄漏孔径会增加释放速率、气体浓度、扩散距离和危险区域范围，而土壤性质决定了对地下气体迁移的阻力（Lu等人，2024年；Su等人，2023年）。泄漏方向也会通过改变初始动量方向和随后的浮力与土壤阻力相互作用来影响HBNG的空间分布（Wu等人，2025年；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang和Tian，2024d；Wang等人，2024e）。Wang等人（2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang和Tian，2024d；Wang等人，2024e）开发了一个结合近场喷射流和远场扩散的两阶段模型，发现泄漏孔径对爆炸危险距离的影响最大。Wang等人（2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang和Tian，2024d；Wang等人，2024e）表明，泄漏形状和泄漏开口数量会影响局部饱和度和浓度梯度。其他研究还探讨了热传递和气体组成的影响。增加HBR通常会加速气体迁移，缩短达到指定浓度所需的时间，降低混合物的LEL，并扩大危险区域（Liu等人，2023年；Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2024c；Wang和Tian，2024d；Wang等人，2024e；Wu等人，2024年）。Zhu等人（2023年；Zhu等人，2024年）进行的实验工作提供了关于埋地HBNG泄漏期间浓度分布和温度变化的宝贵全尺寸数据，证实HBR影响气体迁移和热行为。研究也开始考虑更复杂的地下环境。Lu等人（2025年）研究了耦合土壤-砖砌沟渠中的HBNG泄漏，发现增加HBR会延长危险气体在沟渠中的停留时间。对天然气泄漏的研究表明，不透水路面可以抑制垂直释放并通过土壤横向引导气体（Bu等人，2022年），而相邻的地下空间可能提供低阻力的迁移路径，并成为次生气体积聚和爆炸的位置（Li等人，2023a；Li等人，2023b）。这些发现表明，现实的城市边界条件会显著改变气体浓度场和危险分布。总体而言，现有文献已经阐明了HBR、管道压力、泄漏大小、泄漏方向和土壤性质对HBNG释放和扩散的影响。然而，仍存在一些局限性。首先，大多数研究基于CFD模拟，而埋地HBNG泄漏的实验验证数据仍有限。因此，土壤中的实际浓度演变和迁移机制需要进一步的实验研究。其次，许多现有模型假设土壤表面是开放的，尽管城市中常见的混凝土和沥青路面可能抑制垂直气体排放并促进横向积聚。封闭区域的空间效应及其位置尚未系统量化。第三，地下天然气（HBNG）从土壤中迁移到附近的排水管道、电缆沟或其他地下空间的过程仍然了解不足。特别是，在受控实验条件下，尚未充分研究相邻空间中气体积聚对泄漏源距离的敏感性。为了解决这些限制，本研究设计并构建了一个实验平台，该平台模拟了一条埋设的HBNG管道、一个部分封闭的地表以及一个相邻的地下空间。通过实时分布式浓度测量系统，系统地研究了泄漏速率、气体成分、地表封闭面积和位置以及与相邻空间的距离等因素的影响。本研究旨在阐明在现实的城市边界条件下，从管道泄漏到气体在土壤中的迁移以及随后在相邻地下空间中的积聚的整个过程。研究结果为理解复杂城市边界条件下的HBNG迁移提供了实验证据，并可能对泄漏后果评估、气体监测策略制定、应急响应规划以及未来埋设HBNG管道的风险评估提供有用的参考。

**实验系统**
天然气和氢气是易燃且具有爆炸性的气体，存在重大安全隐患。为了避免事故，在实验过程中必须防止气体在封闭空间内积聚；因此，实验在无障碍的户外环境中进行。由于现场土壤颗粒大小差异显著且具有各向异性，因此选择细砂土作为扩散介质。实验前对土壤进行筛分以去除粗颗粒并减少颗粒大小的异质性。

**土壤中的气体泄漏速率特性**
泄漏速率是控制HBNG在土壤中迁移和积聚的关键参数。如图5所示，当泄漏孔径为1毫米且埋设深度为50厘米时，将管道压力从0.01 MPa增加到0.02 MPa和0.03 MPa时，泄漏速率分别从1.15 L/min增加到2.01 L/min和2.40 L/min。相对于0.01 MPa，这些值分别增加了74.8%和108.7%。尽管管道压力从0.01 MPa增加到0.03 MPa增加了200%，但泄漏速率仅增加了约74.8%。

**结论**
本研究开发了一个实验平台，用于在不同泄漏条件、地表封闭配置以及源到入口的距离下，研究天然气和含有5%氢溴酸（HBR）的HBNG从埋设管道中的泄漏和扩散行为。基于实验观察和定量分析，可以得出以下结论：
(1) 管道压力和泄漏孔径对埋设管道的泄漏速率有显著影响。

**作者贡献声明**
Wenjun Chang：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、软件使用、方法论、数据管理、概念化；
Linyuan Wang：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、方法论；
Binbin Zheng：撰写——审阅与编辑、监督、方法论。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所报道的工作。

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