一种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置

技术领域：

本发明涉及油气储运工程专业领域中的海底输气管道泄漏扩散实验装置，具体为一种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置。

背景技术：

近年来，天然气以其储量巨大、燃烧清洁的优点，在世界各国的需求量逐年升高。尤其是随着海底可燃冰储量的不断探明，以及开采技术的进步，使得天然气将成为未来能源市场的主力军。科学家评价结果表明，全球海底可燃冰分布区多达116处，分布面积达4000万平方公里，占海洋总面积的四分之一，储量可供人类使用至少1000年。海底管道是海上天然气的主要运输方式，随着管道服役年限增加，腐蚀、疲劳、磨损、结构与材料缺陷、第三方破坏以及恶劣复杂环境条件等因素影响，引发管道泄漏事故。海底天然气管道泄漏在海面上产生涌流区域，严重威胁海上船舶和平台稳定性，甚至导致火灾和爆炸事故发生，带来灾难性后果。当泄漏天然气溢出海面扩散至大气中，积聚到一定程度会产生大体积蒸汽云，当浓度达到爆炸极限范围遇明火则会引发爆炸事故。

为实现海底输气管道泄漏事故预防、监测和安全维护，现有诸多学者采用透明实验装置对水下输气管道泄漏开展了观测实验，分析了气体泄漏后在水中的扩散形态和羽流特征，对气体在水下的扩散状态和运移规律进行掌握。然而，受限于现有实验观测装置的结构缺陷，以及装置尺寸带来的水深问题难以实现海底输气管道的高压环境构建，故现有实验研究仅限于浅水管道泄漏气体扩散观测。此外，部分海底输气管道埋藏于土壤之下，对海底高压环境下的海底埋地输气管道泄漏气体在土壤-水相中的耦合扩散过程研究更是尚未涉及。因此，为实现对海底输气管道泄漏气体扩散形态和运移规律准确把握，为海底管道泄漏事故的预防、监测和安全修补工作提供指导和建议，研发一套可营造海底高压环境、以及海底管道和海底埋地管道多情景监测的实验模拟装置，已成为一个亟待解决的问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置，这种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置用于解决现有技术中现有实验装置无法实现海底高压环境构建，以及无法实现海底埋地输气管道泄漏气体扩散多情景构建的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置包括可拆卸集气箱、水箱，可拆卸集气箱和水箱均为透明的，水箱置于可拆卸集气箱中，水箱的上部为增压腔，增压腔设置有压力表；水箱的两侧对称设置锥形过渡管，两个锥形过渡管均从可拆卸集气箱伸出，水箱顶设置有自力式调节阀和排气口，定向密封套管沿同一圆周均匀设置多个定向孔，定向密封套管套装在泄漏管道外，泄漏管道上设置泄漏孔，泄漏管道和定向密封套管一同插入到水箱内，泄漏管道和定向密封套管位于水箱的一端均是封闭的，泄漏管道的定位法兰、定向密封套管的定位法兰和水箱的定位法兰紧固在一起，泄漏管道的进气口位于水箱外，泄漏管道的定位法兰设置有指向针，指向针与泄漏孔在同一轴线方向上，标明泄漏孔方向；

模拟时，泄漏管道位于水箱的水中，将气体充入到增压腔中构建海底输气管道高压环境，海底管道处的任一目标压力由自由液面处压力和液面形成压力组成，p＝p

上述方案中构建海底输气管道高压环境时，对海底管道处的任一目标压力中液面形成压力由水箱中水产生；水从水箱两侧的一个锥形过渡管流入，从另一个锥形过渡管流出，每个锥形过渡管连接有法兰，通过法兰连接外部进水管和排水管，用于模拟海水流动的整体性，还原海水的真实流动状态，通过控制水流的流动速度模拟海水流动；从自力式调节阀流出的气体收集于可拆卸集气箱中，通过集气口收集到储气容器中，实现可燃气体回收利用。

上述方案中水箱外壁设置间隔定位槽，每个定位槽安装一个加强带，加强带起到增加水箱强度的作用，以实现在高压环境下的实验观测；每个锥形过渡管设置中间加强圈和密封加强圈，密封加强圈与集气箱连接实现集气箱内部的密封，同时增加水箱的结构强度；中间加强圈与密封加强圈同步保证水箱的结构强度；定位槽保证加强带对水箱的定位捆绑，加强带与中间加强圈、密封加强圈配合起到增加水箱强度的作用，以实现海底高压环境的物理模拟。

上述方案中水箱为可拆卸水箱，箱体与上封板和下封板分别通过螺栓紧固在一起，箱体的上端口和下端口分别设置密封齿，密封齿分别与上封板和下封板啮合，可保证水箱与上封板和下封板啮合完整，实现密封。

上述方案中上封板从箱体上拆卸下来，形成上端口开放的水箱，实现浅水状态下的管道泄漏扩散模拟，较浅的水下管可去除上封板。

上述方案中可拆卸集气箱由公口集气箱和母口集气箱连接密封构成。

这种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置包括可拆卸集气箱、水箱、土箱，可拆卸集气箱、水箱和土箱均为透明的，水箱的上、下端两端分别连接土箱和上封板，构成封闭箱，封闭箱置于可拆卸集气箱中，水箱的上部为增压腔，增压腔设置有压力表；水箱的两侧对称设置锥形过渡管，两个锥形过渡管均从可拆卸集气箱伸出，水箱顶设置有自力式调节阀和排气口；定向密封套管沿同一圆周均匀设置多个定向孔，定向密封套管套装在泄漏管道外，泄漏管道上设置泄漏孔，泄漏管道和定向密封套管一同插入到土箱内，泄漏管道和定向密封套管位于土箱的一端均是封闭的，泄漏管道的定位法兰、定向密封套管的定位法兰和土箱的定位法兰紧固在一起，泄漏管道的进气口位于土箱外，泄漏管道的定位法兰设置有指向针，指向针与泄漏孔在同一轴线方向上，标明泄漏孔方向；

模拟时，土箱内装土，泄漏管道埋于土箱的土中，将气体充入到增压腔中构建海底输气管道高压环境，海底管道处的任一目标压力由自由液面处压力和液面形成压力组成，p＝p

有益效果：

1、本发明通过结构和方法设计增加管道环境压力，实现了海底高压环境构建，采用小尺寸实验装置完成了大尺寸实验，实现了海底高压环境下管道泄漏气体扩散状态观测；亦可实现低压条件水下管道泄漏气体扩散状态观测。

2、针对工程中的多情景，部分海底管道埋藏于海底土壤之下，本发明通过结构设计，实现海底埋地输气管道泄漏气体在土壤-水相中的耦合扩散状态观测。

3、本发明可人为控制海水的流动速度，基于相似原理通过结构设计实现海水流动的整体性，通过过渡结构设计，实现了海水流动的整体性，避免管道供水产生局部加速度。

4、本发明可以实现海底高压环境下的气体泄漏扩散状态观测，同时也可满足现有常规水下管道在低压环境下的实验观测。

5、本发明通过水箱定位法兰、定位密封槽与定向密封套管、泄漏管道装配连接，可实现不同泄漏方向的气体泄漏扩散状态观测，结构简单，操作便捷。

6、输气管道输送可燃气体，本发明通过结构设计实现实验过程的全密封以实验气体收集，水箱排气口和集气箱集气口的设计可实现实验气体的回收，避免了气体进入大气环境造成环境污染以及实验安全问题，防止可燃气体进入大气环境，提高实验观测过程的安全性、经济性和环保性。

7、本发明可实现两种情景下的气体扩散实验观测。情景一是海底输气管道泄漏气体在水相中的扩散状态观测，情景二为海底埋地输气管道泄漏气体在土壤-水相中的耦合扩散状态观测。本发明通过静力学基本公式实现了海底高压环境构建，特别是海底管道和海底埋地管道多情景泄漏扩散的实验观测难题。

附图说明

图1为一种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置(情景一)外观图。

图2为一种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置(情景一)剖视图。

图3为水箱结构图。

图4为水箱二维剖视图。

图5为定向密封套管结构图。

图6为泄漏管道结构图。

图7为上封板外侧结构图。

图8为上封板内侧结构图。

图9为下封板结构图。

图10为加强带结构图。

图11为公口集气箱结构图。

图12为母口集气箱内侧结构图。

图13为母口集气箱外侧结构图。

图14为一种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置(情景二)外观图；

图15为一种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置(情景二)剖视图；

图16为土箱结构图。

图17为增长公口集气箱结构图。

图18为增长母口集气箱结构图。

图中：1—公口集气箱，2—母口集气箱，3—水箱，4—定向密封套管，5—泄漏管道，6—上封板，7—下封板，8—加强带，9—增长公口集气箱，10—增长母口集气箱，11—土箱；

101—公口集气箱密封卡槽，102—公口集气箱矩形法兰，103—公口集气箱定位孔，104—公口集气箱密封齿；

201—母口集气箱密封卡槽，202—母口集气箱矩形法兰，203—母口集气箱定位孔，204—母口集气箱密封槽，205—母口集气箱走线口，206—母口集气箱集气口；

301—水箱连接法兰，302—锥形过渡管，303—密封加强圈，304—中间加强圈，305—水箱定位槽，306—水箱定位法兰，307—给排水口，308—水箱定位孔，309—水箱密封齿，310—增压腔，311—压力表，312—定位密封槽；

401—密封套管定位法兰，402—密封套管定向孔；

501—泄漏管道定位法兰，502—指向针，503—泄漏孔，504—进气口；

601—自力式调节阀，602—排气口，603—上封板定位槽，604—上封板定位孔，605—上封板密封槽；

701—下封板定位槽，702—下封板定位孔，703—下封板密封槽；

801—紧固螺栓螺母；

901—增长公口集气箱密封卡槽，902—增长公口集气箱矩形法兰，903—增长公口集气箱定位孔，904—增长公口集气箱密封齿；

1001—增长母口集气箱密封卡槽，1002—增长母口集气箱矩形法兰，1003—增长母口集气箱定位孔，1004—增长母口集气箱密封槽，1005—增长母口集气箱走线口，1006—增长母口集气箱集气口；

1101—土箱定位法兰，1102—土箱定位槽，1103—土箱密封槽，1104—土箱定位孔。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步说明：

这种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置，可实现两种情景下的气体扩散实验观测。实施例1提供的情景一是海底输气管道泄漏气体在水相中的扩散状态观测，实施例2提供的情景二为海底埋地输气管道泄漏气体在土壤-水相中的耦合扩散状态观测。其技术方案总体如下：

1、海底输气管道高压环境构建。基于静力学基本公式和帕斯卡原理静压力的传递性，对海底管道处的任一目标压力p，可采用自由液面处压力p

p＝p

式中，p为流体中任意一点处的流体静压力，即海底输气管道所在位置的环境压力(目标压力)，Pa；p

2、多情景海底埋地输气管道泄漏气体在土壤-水相中的耦合扩散状态观测。本发明通过土箱11的结构设计，实现海底埋地输气管道环境构建，可根据实验设计模拟情景需要自由增加土箱11与水箱3密封连接，实现气体在海底的扩散状态观测和气体在土壤-水相中的耦合扩散状态观测。

3、本发明模拟多情景不仅体现在管道是否覆土，还体现在其它两个方面：

(1)适用于海底管道泄漏扩散模拟的同时，也可完成现有浅水输气管道泄漏扩散的模拟；

(2)针对海底输气管道的泄漏方向问题，通过泄漏管道5和定向密封套管4的结构设计实现不同泄漏口方向条件下的气体泄漏扩散状态观测。

4、海底水流流动问题。首先，通过锥形过渡管结构设计保证海水流动的整体性，还原海水的真实流动状态，避免管道直接供水引起的局部加速度。其次，根据流体力学相似原理进行流量计算，可人为控制水流的流动速度，海水流动采用重力相似准则弗劳德模型进行计算：

Fr

5、可燃气体回收利用问题。通过集气箱的结构设置，整个实验装置在密封的条件下进行，以防止可燃气体进入大气环境引起环境污染、资源浪费，以及可燃气体进入空气中带来的实验安全问题。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1：

结合图1-图13，这种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置，实现海底输气管道泄漏气体在水相中的扩散状态观测，它包括可拆卸集气箱、水箱3，可拆卸集气箱和水箱3均为透明的，可拆卸集气箱由公口集气箱1和母口集气箱2可拆卸地安装一起构成，水箱3置于可拆卸集气箱中，水箱3的上部为增压腔310，增压腔310设置有压力表311；水箱3的两侧对称设置锥形过渡管302，两个锥形过渡管302均从可拆卸集气箱伸出，水箱3顶设置有自力式调节阀601和排气口602，定向密封套管4沿同一圆周均匀设置多个密封套管定向孔402，定向密封套管4套装在泄漏管道5外，泄漏管道5上设置泄漏孔503，泄漏管道5和定向密封套管4一同插入到水箱3内，泄漏管道5和定向密封套管4位于水箱3的一端均是封闭的，泄漏管道定位法兰501、密封套管定位法兰401和水箱定位法兰306紧固在一起，泄漏管道的进气口504位于水箱3外，泄漏管道定位法兰501设置有指向针502，指向针502与泄漏孔503在同一轴线方向上，标明泄漏孔503方向。

水箱3与定向密封套管4和泄漏管道5通过螺栓法兰连接，实现泄漏口方向的改变和定位；与上封板6和下封板7连接实现水箱的封闭和增压；加强带8主要起到增加水箱3强度的作用，以实现在高压环境下的实验观测；水箱3通过结构设计与公口集气箱1和母口集气箱2连接密封，实现水箱内实验气体的后期收集，以保证实验安全的同时避免环境污染。图3为水箱3结构图，水箱3设有水箱连接法兰301、锥形过渡管302、密封加强圈303、中间加强圈304、水箱定位槽305、水箱定位法兰306、给排水口307、水箱定位孔308、水箱密封齿309、增压腔310、压力表311。水箱两侧的水箱连接法兰301与外部给排水管道连接，在外部进行海水配制，保证海水环境的成分和流动性；锥形过渡管302还原海水的真实流动状态，实现水箱3内水流的整体流动，防止局部流动现象产生，根据重力相似准则弗劳德模型进行流量计算，实现流速控制：

Fr

密封加强圈303与公口集气箱1、母口集气箱2连接实现集气箱内部的密封，同时增加水箱的结构强度；中间加强圈304与密封加强圈303同步保证水箱的结构强度；水箱定位槽305的设计，保证加强带8对水箱的定位捆绑，与中间加强圈304、密封加强圈303配合起到增加水箱强度的作用，以实现海底高压环境的物理模拟；水箱定位法兰306主要实现泄漏管道的定位和安装；给排水口307为水箱供水和排水，保证水箱内水量适中；水箱上端和下端均设有水箱定位孔308，通过水箱定位孔分别与上封板和下封板配合实现水箱的密封；水箱密封齿309结构设计，可保证水箱与上封板和下封板啮合完整，通过水箱定位孔308螺栓法兰连接实现压实密封；增压腔310的设计可以实现海底高压环境构建，根据静力学基本公式：

p＝p

式中，p为流体中任意一点处的流体静压力，Pa；p

图4为水箱二维剖视图，设有定位密封槽312，配合定向密封套管4实现泄漏管道5的密封。图5为定向密封套管4结构图，该结构设有密封套管定位法兰401和密封套管定向孔402。密封套管定位法兰401与水箱3的水箱定位法兰306连接实现一端定位密封，另一端伸入定位密封槽312中实现定位和密封；密封套管定向孔402配合泄漏管道5，实现泄漏方向的确定。图6为泄漏管道5结构图，该结构设有泄漏管道定位法兰501、指向针502、泄漏孔503和进气口504。泄漏管道定位法兰501和定向密封套管4的密封套管定位法兰401水箱定位法兰306配合，实现泄漏管道的定位；指向针502与泄漏孔在同一轴线方向上，标明泄漏孔方向；泄漏孔503与密封套管定向孔402配合，决定泄漏方向；进气口504为气体来源，外接供气管道。图7为上封板6外侧结构图，该结构设有自力式调节阀601、排气口602、上封板定位槽603、上封板定位孔604。上封板与水箱连接，并与增压腔310接触；随着实验的进行，泄漏气体穿过水面进入增压腔310，自力式调节阀601的设计可控制增压腔310内的压力，压力增大自动泄压，使增压腔310内的压力一直保持在自由液面压力p

实施例2：

结合图1-图13，这种用于模拟多情景海底埋地输气管道泄漏扩散的装置，实现了海底埋地输气管道泄漏气体在土壤-水相中的耦合扩散状态观测。它的水箱3和土壤11连接成封闭箱，封闭箱置于可拆卸集气箱中，水箱3的上部为增压腔310，增压腔310设置有压力表311；水箱的两侧对称设置锥形过渡管302，两个锥形过渡管320均从可拆卸集气箱伸出，水箱3顶设置有自力式调节阀601和排气口602；定向密封套管4沿同一圆周均匀设置多个密封套管定向孔402，定向密封套管4套装在泄漏管道5外，泄漏管道5上设置泄漏孔503，泄漏管道5和定向密封套管4一同插入到土箱11内，泄漏管道5和定向密封套管4位于土箱的一端均是封闭的，泄漏管道定位法兰501、密封套管定位法兰401和土箱定位法兰1101紧固在一起，泄漏管道的进气口504位于土箱11外，泄漏管道定位法兰501设置有指向针502，指向针502与泄漏孔503在同一轴线方向上，标明泄漏孔方向。

水箱3的结构与情景一相同，由于泄漏管道埋藏于土壤中，故此情景水箱定位法兰306封堵。图16为土箱11结构图，该结构设有定位土箱法兰1101、土箱定位槽1102、土箱密封槽1103和土箱定位孔1104。土箱定位法兰1101与水箱3的水箱定位法兰306类似，主要作用为安装定向密封套管4和泄漏管道5，连接原理与水箱3相同。土箱密封槽1103与水箱3下端的水箱密封齿309连接，通过定位孔土箱1104和水箱定位孔308螺栓法兰连接实现密封。图17为增长公口集气箱9结构图，与公口集气箱1类似，设有增长公口集气箱密封卡槽901、增长公口集气箱矩形法兰902、增长公口集气箱定位孔903和增长公口集气箱密封齿904。图18为增长母口集气箱10结构图，该结构设有增长母口集气箱密封卡槽1001、增长母口集气箱矩形法兰1002、增长母口集气箱定位孔1003、增长母口集气箱密封槽1004、增长母口集气箱走线口1005和增长母口集气箱集气口1006，作用与母口集气箱2类似。增长公口集气箱9与增长母口集气箱10连接密封方法参照公口集气箱1和母口集气箱2。