埋地天然气管道泄漏与扩散特性研究综述

作者及发表信息
本文由Fanxi Bu（东北石油大学）、Qingxiu Lu（东北石油大学）、Bohan Jia（北京语言大学）、Xinqi Gao、Hongda Zhang、Wenyu Wang及Zhihua Wang（通讯作者）合作完成，发表于2025年的《Journal of Pipeline Science and Engineering》，是一篇聚焦埋地天然气管道泄漏与扩散特性的系统性综述。

研究背景与意义
在全球能源结构向清洁化转型的背景下，天然气作为低碳能源，其输送管网规模持续扩大。然而，埋地管道因腐蚀、自然灾害或第三方破坏导致的泄漏事故频发，引发火灾、爆炸及温室效应加剧等严重后果。本文从气体泄漏机制、扩散过程和危害评估三个维度，梳理了当前研究进展，指出不足并提出未来方向，旨在为管道安全运营与事故防控提供理论支持。

主要研究内容与观点

1. 土壤中天然气泄漏的理论与计算模型
- 理论模型分类：根据泄漏孔径（小孔<20mm、大孔>20mm、管道断裂），分别建立稳态与非稳态泄漏模型。小孔泄漏视为理想气体等熵过程；大孔泄漏需考虑临界与亚临界流态转换；管道断裂则涉及瞬态高动能喷射。
- 局限性：现有模型多针对露天管道，埋地管道因土壤环境背压难以确定，需依赖修正系数法，但存在误差且无法适应不同土壤特性。
- 数值模拟与实验进展：
- *CFD模拟*：如Ebrahimi-Moghadam团队开发了考虑土壤特性的三维泄漏率计算模型，误差控制在10%内。
- *实验研究*：Li Yuxing团队通过全尺寸实验，建立了泄漏量与土壤深度、孔径、压力的非线性关系式（如公式 ( q = 0.567(h + 139.592)^{-0.1}d^{1.5}p^{0.7} )）。

2. 天然气在土壤中的扩散特性
- 单阶段扩散：研究土壤类型（砂土、黏土）、孔隙率、湿度等因素对扩散的影响。例如，Bonnaud等发现泄漏会导致土壤空洞形成及局部冻结；Xie提出泄漏扩散四阶段模型（孕育期、快速生长期、缓慢增长期、稳定期）。
- 多物理场耦合扩散：
- *土壤-大气耦合*：Ye Yan等研究表明风速是影响天然气从土壤向大气扩散的主因。
- *密闭空间扩散*：如综合管廊中，泄漏方向与通风气流反向时气体浓度呈二次衰减，同向时则出现双峰分布（Duan Pengfei等）。
- 数值模拟挑战：现有模拟多假设土壤为各向同性介质，忽略气体侵蚀导致的空穴效应，与实际泄漏场景存在偏差。

3. 泄漏危害评估与预测方法
- 浓度与危险边界预测：Yue等基于调整参数α和β建立土壤中天然气浓度预测模型，误差<10%；Bu定义了建筑物间泄漏的“第一危险区”与“第二危险区”，并开发了耦合扩散预测模型。
- 智能算法应用：Gong等结合遗传算法（GA）与反向传播神经网络（BPNN），预测了综合管廊中氢掺天然气爆炸体积，为掺氢比例优化提供依据。
- 动态风险评估：Zhao等提出考虑管道时变腐蚀的集成动态风险评估模型，覆盖个人与社会风险维度。

研究不足与未来方向
1. 理论模型局限：需将土壤特性参数（如孔隙率、黏滞阻力系数）作为独立变量纳入泄漏率公式推导，突破修正系数法的普适性瓶颈。
2. 实验验证不足：应构建更贴近真实场景的全尺寸实验平台，关注土壤非均质性与热质传递效应。
3. 多场耦合与智能化：需结合CFD、机器学习（如随机森林）与现场监测数据，开发高精度危害预测模型，解决多因素非线性耦合问题。

学术价值与应用意义
本文系统整合了埋地天然气管道泄漏领域的关键研究成果，揭示了从微观泄漏机制到宏观灾害演变的科学规律，为管道设计、泄漏监测及应急响应提供了理论框架。其提出的多物理场耦合分析方法和智能化风险评估模型，对提升能源基础设施安全性具有重要工程指导价值。

亮点总结
- 全面性：覆盖泄漏、扩散、评估全链条，兼顾理论与实验研究。
- 创新性：提出土壤特性参数直接参与计算的泄漏率模型构建思路。
- 前瞻性：强调机器学习在复杂场景风险预测中的应用潜力。