海底天然气管道复产过程中氮气运移扩散的数值研究

高书鹏 卢 进 蔡永桥

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452 2、中海石油技术检测有限公司，天津 300452）

海底管道在油气输送方面扮演着至关重要的角色，管道建造与维修成本较高，因此确保海底管道在役期间的运行安全十分重要[1]。在实际生产过程中，由于管材腐蚀、海床冲刷、机械破坏等因素的影响，海底管道可能发生穿孔、裂缝以及断裂等导致海底管道发生泄漏事故。

对于大面积腐蚀、破裂导致的泄漏而言，需要及时对泄漏点处的管段或阀组进行更换维修。在更换维修过程中需要向管段内注入氮气用以置换海水和推动封堵球。管道恢复正常输气后，通过气体间的直接接触，氮气将随着天然气的流动而运移扩散。然而该部分氮气在管道中随天然气流动，可能会造成海底管道终端销售气中氮气含量超标，影响用气设备的运行。为确定复产后管线内封堵用氮气是否会影响下游用户的正常使用，有必要对天然气输送过程中氮气段在管段内运移扩散情况进行了数值模拟研究。

1 数值计算模型建立

以某实际海底管道为背景，泄漏点距离管道终端278 km，即复产时氮气段需要运移278 km 后抵达管道终端。为简化计算，采用SolidWorks 软件建立了长5 km 的28 吋海底天然气管道物理模型，用ICEM CFD 软件进行了网格划分，最后利用Fluent 对氮气瞬态运动及扩散情况进行数值计算。模拟5.65 MPa 下35 m 长的氮气段在天然气管道复产后运移至管段1 km、2 km、3 km、4 km 以及5 km 处时氮气在管段轴向及管段各截面处分布情况，从而判断管道内氮气的存在是否会影响管道终端下游用户的正常用气。

2 模拟结果与讨论

2.1 管段轴向氮气分布情况

在天然气的推动下，氮气段运移至管段1 km、2 km、3 km、4 km 以及5 km 处时氮气在管段的三维轴向分布情况如图1所示。

图1 氮气运移至管段不同位置时三维轴向分布情况（从左到右依次为1km、2km、3km、4km、5km）

氮气运移至管段1 km、2 km、3 km、4 km 以及5 km 处时氮气在管段的轴向中间剖面氮气分布情况如图2 所示。

图2 氮气运移至管段不同位置时中间剖面氮气分布情况（从左到右依次为1km、2km、3km、4km、5km）

由图1 和图2 可知，在海底天然气管道水平段中，随着氮气段的向前运移，氮气逐渐扩散，混气段长度越来越长，当氮气运移至管段5 km 处时含氮气体段的长度已由原来35 m 增加至830 m。分析认为，随着管道复产的进行，正常输气时间越长，氮气的运行距离越远，氮气与天然气的混合越充分，混气段越长，每一个体积分数的气体扩散范围变得越来越广，宏观上表现为混气段长度的不断变长。拟合得到混气段长度与氮气运行距离的关系式, 从而推断当氮气段运移278 km 到达管道终端时，混气段长度将增加至1686.90 m。

2.2 管段横截面径向氮气分布情况

根据海底天然气管道终端对天然气质量的要求，天然气中含氮量不超过3.0 mol%，可以认为其摩尔浓度与体积浓度相同，因此在模拟计算过程中不再进行区分。对氮气运移至不同位置时各截面处氮气浓度分布进行了分析。图3 中分别列出了氮气运移到1km 时混气段首、尾截面以及含氮量最高截面处氮气浓度分布情况。以天然气输送方向为正方向，图中（1）为尾截面、（2）为含氮量最高截面、（3）为首截面。

图3 管段1km 处径向氮气分布情况

分别模拟计算1km、2km、3km、4km和5km 处的管段横截面径向氮气分布情况，根据计算结果可知，尾截面内区域氮气最高浓度由0.723 km 处的30%降低至4.17 km 处的10%，且含氮区域面积迅速减少，氮气运移5 km 时混气段尾截面的含氮区域面积占比仅为2.37%；首截面内含氮区域面积迅速减少，氮气运移5 km 时混气段首截面的含氮区域面积占比接近0。为进一步确定混气段抵达终端时是否会出现含氮量超标（即截面氮气平均浓度大于3.0%）的情况，对云图中含氮量最高截面的氮气浓度分布情况进行了统计，结果如表1 所示。

表1 含氮量最高截面氮气浓度分布情况

由表1 可知，随着氮气段向前移动，使得各截面处氮气含量下降，混气段内氮气浓度不断降低。在含氮量最高截面内，区域最高浓度从1 km 处的100%下降至5 km 处的90%，最高浓度区域所占面积从1 km 处的12.5%下降至5 km 处的0.3%；含氮气区域面积占比从1 km 处的50%下降至5 km 处的25%。其中，氮气运移至管段不同位置时混气段内含氮量最高截面的平均氮气浓度如图4 所示。

图4 含氮量最高截面平均氮气浓度变化示意图

由图4 可知，随着氮气运移距离的增加，混气段内含氮量最高截面的平均氮气浓度逐渐降低，但降低幅度有逐渐减缓的趋势。通过对图中曲线进行拟合得到混气段长度与氮气运行距离的关系式推断当氮气运移7.52 km 时，混气段内含氮量最高截面的平均氮气浓度降低至3%，而随着氮气的运移氮气的浓度将进一步降低，因此判断当氮气运移278 km 抵达管道终端时，混气段内含氮量最高截面的平均氮气浓度一定小于3%，终端接收的天然气不会出现含氮量超标情况。因此，当氮气段运移至278 km 处时可以充分扩散，现有氮气段的存在不会影响管道终端下游用户的正常用气。

3 结论

针对恢复正常输气时的天然气海底管道管道，通过对管道维修时滞留氮气被复产天然气置换的过程进行数值模拟，得到了氮气运移至不同管段处时氮气段的特性规律。

3.1 FLUENT 软件中组分输运模型可以作为海底天然气管道中氮气运移扩散的计算模型，模拟管道运行过程中天然气与氮气的混合规律。

3.2 结合模拟结果判断，当氮气运移278 km 抵达管道终端时混气段内各截面的平均氮气浓度小于3%，终端不会出现天然气含氮量超标情况，现有氮气段的存在不会影响海底管道终端下游用户的正常用气。