倡本文为广东省科技攻关项目（编号：２００２Ｃ３２４０３）。
作者简介：张瑞华，１９７９年生，博士研究生；现主要从事ＬＰＧ事故机理及模拟研究。地址：（５１０６４０）广东省广州市天河区。电话：（０２０）８７１１４７４０。Ｅ‐ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ＿ａｓｄ＠１２６．ｃｏｍ
倡
张瑞华 陈国华
（华南理工大学工业装备与控制工程学院）
张瑞华等．ＬＰＧ埋地储罐泄漏和渗流扩散影响因素分析．天然气工业，２００７，２７（８）：１０９‐１１１．
摘 要 研究液化石油气（ＬＰＧ）埋地储罐泄漏、ＬＰＧ渗流扩散的影响因素对其事故的预防、预测、应急等具有重要意义。为此，分析了导致ＬＰＧ埋地储罐泄漏的影响因素，重点对ＬＰＧ在渗流扩散过程中的影响因素进行分析，利用ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃ
ｓ）模型对ＬＰＧ在各种地下环境中的渗流扩散过程进行数值模拟，讨论渗透率、孔隙度、水饱和度、重力、扩散到外界环境的出口位置等因素对ＬＰＧ渗流扩散的影响，得到如下结论：ＬＰＧ在多孔介质渗流过程中分子扩散作用对ＬＰＧ渗流扩散的影响很小；重力、出口位置对ＬＰＧ渗漏扩散方向影响很大，使流体倾向于重力、出口方向移动；含水量较小、孔隙度和渗透率较大的多孔介质，流体渗流速度下降梯度相对较小，渗流扩散快；黏滞力对渗流速度的影响不可忽视。在此基础上，提出泄漏事故发生后应急救援的措施。 主题词 液化石油气 地下罐 泄漏 渗流 数学模型
据统计，埋地储罐泄漏事故多发生在运行７年以后，运行１０～１５年时事故发生频繁［１］
。埋地储罐受力状态和所处环境复杂，在役检测困难，所建位置又多为人口密度相对较高，交通便利的区域，一旦发生泄漏事故，大量气体通过砂土渗透到空气中，形成爆炸性蒸气云。目前，国内外对ＬＰＧ泄漏后在地下环境中渗流扩散方面的研究极少。因此，对埋地储罐ＬＰＧ泄漏和渗流扩散的影响因素进行研究，有助于对其事故的预测、预防和应急处理。
一、泄漏影响因素及应对措施
针对ＬＰＧ埋地储罐储存特点、储罐介质、运行状况，将导致储罐泄漏事故的影响因素分为四大类（如图１），其中腐蚀是导致泄漏的主要因素。 为预防埋地储罐泄漏事故发生，应采取以下防护措施：①在储罐制造和安装过程中对储罐材料质量进行严格控制，避免材料中夹杂、夹层、裂纹等缺
电流变换器陷存在；严格各种加工工艺操作，消除残余应力［２］
；②降低储存介质中Ｈ２Ｓ、水的含量，加强对储罐定期排污等日常管理；③做好储罐表面处理，加强储罐抗腐蚀能力；④改善储罐周围环境，做好排水设计；⑤做好阴极保护措施；⑥提高工作人员操作水平，做好储罐的安全检查工作；⑦
由于自然灾害具有突发性、
图１ 导致ＬＰＧ埋地储罐泄漏的影响因素图
发性、频发性和多变性的特征，需要政府建立统一
的、专门的自然灾害应急管理机构。
二、泄漏渗流扩散影响因素
１．黏滞力
ＬＰＧ在地下砂土介质中流动时，黏滞力影响流体中气液相的相对运动。流速快的气相流层对流速慢的液相流层施以拉力；相反，液相对气相流层施以阻力。储罐液相区泄漏时液态的ＬＰＧ相变产生大量气体，导致砂土介质中气相流体温度下降、压力增大。气体黏度随压力的升高、温度的降低而增大。
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１・第２７卷第８期 天 然 气 工 业 储运与集输工程
碳世纪液体黏度随温度降低而增大，流动速度随之减小。因此ＬＰＧ在渗流过程中黏滞力影响不可忽视。
２．毛细管压力
当两种不溶混流体在多孔介质中的毛细管中流动时，两相分界面两侧的压力不连续，这种压力差值称为毛细管压力。
当砂土中含有水分时，或ＬＰＧ呈液态时，ＬＰＧ与多孔介质中的空气、水之间存在毛细管压力。
ＬＰＧ开始渗入非饱和砂土时，ＬＰＧ和水两相界面处的毛细管压力必须达到一定值（阈压力），才能驱动水移动。阈压力与高速流动的流体产生的动压力相比可忽略不计。ＬＰＧ从压力储罐泄漏出来时，流速高，此时毛细管压力的影响微乎其微。此外，毛细管压力还对气液相平衡有影响。毛细孔半径越小，对相平衡影响越大。当孔隙半径大于１０－６ｍ时，孔隙半径对气体的露点几乎没有影响［３］。而通常ＬＰＧ埋地储罐周围砂土介质孔隙半径大于１０－６ｍ，所以毛细管压力对ＬＰＧ相平衡影响很小。
３．分子扩散
根据诺森数（Ｋｎ），将分子扩散分为Ｆｉｃｋ扩散（Ｋｎ≥１０）、Ｋｎｕｄｓｅｎ扩散（Ｋｎ≤０．１）和过渡型扩散（０．１＜Ｋｎ≤１０）３种扩散机制［４］。
Ｋｎ＝ｄ／λ（１）式中：ｄ为孔隙直径，ｍ；λ为分子自由程，ｍ。
（１）多孔介质分子扩散速度
通常埋地储罐四周填满了细砂。根据中国科学院南京土壤研究所提出的土粒分级标准，细砂直径为（０．２５～０．０５）×１０－３ｍ。现以丙烷作为砂土中渗流扩散的气体，其分子有效直径大于４×１０－１０ｍ，丙烷气体压力在储存压力和环境压力之间（１０５～１０６Ｐａ），假设环境温度为２０℃，计算丙烷对应的分子平均自由程在１０－８～１０－９ｍ之间，代入式（１），得出细砂中丙烷分子扩散的诺森数大于１０。所以丙烷在砂土中流动的分子扩散属于Ｆｉｃｋ扩散。根据理想气体状态方程和Ｆｉｃｋ扩散方程，可推出在无热量交换、温度不变的情况下，宏观分子扩散速度为：
Ｖｄ＝－φＤｄ楚（ｐ）
ｐ（２）式中：Ｖｄ为宏观分子扩散速度，ｍ／ｓ；φ为孔隙度；Ｄｄ为自由扩散系数，ｍ２／ｓ；ｐ为气体压力，Ｐａ。
（２）分子扩散速度影响
下面对比分析ＬＰＧ在砂土介质渗流扩散过程中分子扩散速度和渗流速度大小。
流体在多孔介质中的流动速度常用Ｄａｒｃｙ定律或非Ｄａｒｃｙ定律计算［５］。在压力储存下的ＬＰＧ泄漏出来时，泄漏速度较高，符合非Ｄａｒｃｙ定律，可用
Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ方程描述［６］：
黄曲霉菌楚ｐ＝－μＫＶｆ＋βρＶｆ２（３）式中：Ｋ为渗透率，ｍ２；Ｖｆ为渗流流速，ｍ／ｓ；μ为流体黏度，ｋｇ／（ｍ・ｓ）；β为非达西系数；ρ为密度，ｋｇ／ｍ３。式（３）考虑了紊流和惯性力效应，不包含分子扩散对流体流动的作用。
丙烷在常态下气体黏度为７．９５×１０－６ｋｇ／（ｍ・ｓ），压力储存下的气体密度约为１８．０５ｋｇ／ｍ３，扩散系数在１０－８～１０－９ｍ２／ｓ之间。细砂的粒径范围为０．１～０．２５ｍｍ，渗透率为（２．４６～４．９２）×１０－１１ｍ２［７］，孔隙度约为０．２８３［８］，将上述参数分别代入式（２）、（３）中，得到：
楚ｐ＝－［Ａ１×１０５Ｖｆ＋Ａ２×（１０７～１０８）Ｖｆ２］（４）楚ｐ＝－Ａ３×（１０１４～１０１５）Ｖｄ（５）式中：Ａ１－３是大于１小于１０的数。ＬＰＧ黏度、密度与温度有关，在此设为常数可认为是计算某时刻的分子扩散速度和渗流速度，不影响分析结果。
从上两式可看出，在压力梯度相等的情况下，Ｖｄ虫Ｖｆ，说明在多孔介质中丙烷分子扩散速度与渗流速度相比，其对渗流扩散的影响可忽略不计。
４．重力
ＬＰＧ渗流时受重力影响而向重力场方向移动。笔者采用ＣＦＤ模型对埋地储罐气相区发生小孔泄漏后，气体在砂中渗流扩散到大气中的过程进行模拟，分析重力的影响情况。
物理模型：丙烷气体从砂池右侧面中心的小孔渗入填满细砂的砂池，通过砂介质，从位于砂池上面中心的出口渗透到外界（
见图２）。图３是泄漏１０ｓ对称剖面上丙烷饱和度分布。图中反应出重力促使
图２ 气体泄漏１０ｓ时丙烷渗流速度矢量图图３ 气体泄漏１０ｓ时对称剖面上丙烷饱和度分布图
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储运与集输工程 天 然 气 工 业 ２００７年８月
丙烷倾向重力方向扩散。
５．出口位置 裂缝、裂口是ＬＰＧ通过砂土介质渗透到外界的出口，其位置对ＬＰＧ渗流速度、密度、压力的分布以及气体渗透出来的速度有明显影响（见图２、３）。在泄漏口与出口之间的距离相等并当泄漏口、出口位于同一直线上时，气体流到外界的速度要大于相同情况下出口位于其他位置的流速。由于出口是ＬＰＧ渗透的唯一通道，因此应对储罐周围地面上缝隙、孔洞的位置、大小进行备案，并对其进行必要的修补填充，减少ＬＰＧ渗透的出口数量。当发生泄漏时，应对这些出口实施应急措施，阻止或减缓ＬＰＧ的渗透。 ６．渗透率与孔隙度
渗透率和孔隙度越大表明砂土介质越疏松，流体越易通过砂土介质。图４是采用ＣＦＤ模型模拟初始速度相同的情况下泄漏２０ｓ时丙烷在孔隙度为
０．２、０．３，渗透率为２．４６×１０－１１、１１．６５×１０－１１ｍ２
两种干细砂中的渗流速度曲线。可以看出孔隙度、渗透率较大的多孔介质，在同一位置流体的渗流速度相对较大，速度下降梯度相对较小。在储罐周围填充孔隙度和渗透率小的细砂，可减小ＬＰＧ渗流速度，
以延长其扩散到外界的时间。
图４ 丙烷在孔隙度、渗透率不同的细砂中沿泄漏轴线
黔西南论坛方向渗流速度随距离变化图
７．水饱和度
水饱和度不同，流体在砂土介质中运移速度也不同。ＬＰＧ在湿砂中运移受到的黏滞力比在干砂中大，因此水饱和度越高的砂土介质，ＬＰＧ运移得越慢。图５是初始速度相同的情况下泄漏２０
ｓ时丙烷
图５ 丙烷在饱和度不同的细砂中沿泄漏轴线
方向渗流速度随距离变化图
在饱和度为０、０．５两种细砂中的渗流速度曲线。从图中可看出水饱和度较大的多孔介质，在同一位置
流体的渗流速度相对较小，速度下降梯度相对较大。发生泄漏时，可通过地面出口向地下灌水，可减小ＬＰＧ流到外界的速度和泄漏量，争取更多的应急救援时间。
三、结束语
笔者总结归纳了导致ＬＰＧ埋地储罐泄漏的影
响因素及应对措施。重点对ＬＰＧ在渗流扩散过程中影响因素进行了定性分析。①ＬＰＧ在渗流过程中黏滞力影响不可忽视；②只有在孔隙足够小的多孔介质中，毛细管压力对流体相平衡和渗流速度才有一定影响；③ＬＰＧ宏观分子扩散速度远小于其紊流或层流时的渗流速度，对渗流影响很小；④重力、出口位置对ＬＰＧ渗漏扩散方向有较大影响，使流体向重力、出口方向移动；⑤含水量较小、孔隙度和渗透率较大的多孔介质，速度下降梯度相对越小，流体渗流扩散就越快。应对埋地储罐周围地面上出口位置和大小进行备案，减少ＬＰＧ渗透到大气的出口数量；当发生泄漏事故时，应对储罐周围地面上出口采取应急措施，阻止或延缓ＬＰＧ渗透到外界。
参 考 文 献
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［８］李佳琪，吕宜珊，刘仲菱，等．糖炒栗子之动力学研究．
［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｎｔｓｅｃ．ｇｏｖ．ｔｗ／ａｃｔｉｖｉｔｙ／ｒａｃｅ‐１／４３／ｐｄｆ／ｅ／０４０２０４．ｐｄｆ，２００３．
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（修改回稿日期 ２００７‐０７‐０３ 编辑 赵 勤）
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３・第２７卷第８期 天 然 气 工 业 储运与集输工程
