【论文精选】室内燃气胶管环形间隙泄漏模型建立与分析

　　作者：王俊清，李兴泉，王鹏

 

　　第一作者单位：山东建筑大学  热能工程学院

 

　　摘自《煤气与热力》2017年5月刊

 

　　1   概述

 

　　随着燃气在民用生活中的普及，城市民用住宅燃气的利用也给居民安全带来了巨大的隐患。2016年，我国发生居民家庭燃气爆炸事故531起，占全年燃气爆炸事故的66%，其中除不明原因外，90%以上的居民燃气爆炸事故都与胶管泄漏有关。

 

　　室内燃气泄漏扩散后，当泄漏燃气在室内达到可燃范围，遇到电火花或者明火就会引发爆炸事故，对人身财产造成了严重的危害。因此，要预防控制室内燃气泄漏事故，就要了解引发室内燃气泄漏的原因。针对其中情况，建立泄漏量数学模型，研究计算室内燃气泄漏量对于保护居民人身财产安全意义重大。

 

　　2   室内燃气胶管泄漏原因

 

　　①胶管使用时间过长容易发生老化硬化，会出现龟裂、变硬、密封不良等情况，容易引发燃气事故。

 

　　②胶管与燃气阀门接管及灶具的连接处未用喉箍紧固，或者胶管插入长度较短，密封不好，造成漏气。

 

　　③胶管长度超过2 m时，会因自身重力过大而引起胶管松动甚至脱落。

 

　　④老鼠啃咬胶管，导致胶管破裂泄漏，引发事故。

 

　　⑤胶管离燃气灶火焰太近，受热变形［2］。

 

　　⑥在清洁过程中胶管受到外力而发生松动或脱落，造成燃气泄漏。

 

　　以上为室内燃气泄漏的主要原因［3］。如果胶管由于上述原因发生脱落，其泄漏量大，极易引发爆燃事故［4］。

 

　　3   燃气管道与胶管环形间隙泄漏计算模型

 

　　为了研究方便，本文所研究的与胶管相连的灶前阀部位均按没有凸起的燃气管道考虑。燃气胶管老化松动后，管道间隙产生的泄漏属于环形间隙泄漏。根据实际泄漏情况，建立燃气在环形间隙的流动模型。

　　①流动状态的确定

 

　　在实际情况中，燃气胶管老化松动所产生环形间隙的宽度非常小，而且考虑到燃气动力黏度，因此环形间隙中燃气流动的雷诺数小于2 000，从而判断出燃气流态为层流。

 

　　②流动条件的假设

 

　　基于气体流动的复杂性，对管道环形间隙泄漏燃气的流动条件进行简化假设。假设条件如下：a.把流体看作是牛顿流体；b.整个流动过程是稳定的；c.流体为不可压缩流体；d.间隙远小于管道尺寸；e.忽略管道垂直方向的导热；f.其他体积力忽略不计。

 

　　③环形间隙泄漏模型的建立

 

　　a.同心圆环形间隙泄漏模型

 

　　要建立管道与胶管间环形间隙气体泄漏的模型，首先建立圆筒形模型，圆筒形模型见图1。然后把圆筒形模型的间隙泄漏流场置于坐标系内［6］，间隙流动计算简图见图2。

　　图1   圆筒形模型

　　图2   间隙流动计算简图

 

　　图中，气流流动方向是沿x轴正方向；b为环形间隙的宽度，单位为m；L为胶管套入长度，单位为m；根据边界条件，当y=0时，流速u=0。当y=b时，u=0。环形间隙中燃气泄漏的基本控制方程见式（2）、（3）：

　　b.偏心圆环形间隙泄漏模型

 

　　偏心圆环形间隙的计算简图见图3。

　　图3   偏心圆环形间隙计算简图

 

　　实际情况下，燃气管道与胶管之间产生的间隙一般都不是同心圆状间隙，多数间隙都是偏心圆的情形，对于偏心圆环形间隙存在：

　　4   环形间隙泄漏量影响因素与控制措施

 

　　依据前文所建立的环形间隙泄漏模型分析计算某实际工程案例。已知某住户室内燃气胶管套入管道的长度为20 mm ，燃气管道的外直径为15 mm（计算过程中，将平均直径近似取为燃气管道外直径），胶管与燃气管道之间环形间隙近似同心圆环形，其宽度为0.1 mm，管道内外压差为2 kPa，燃气的动力黏度取10.395×10-6 Pa·s。利用式（12），可计算出此用户室内胶管燃气泄漏流量为3.778×10-5 m3/s。根据建立的环形间隙泄漏量模型，影响泄漏量的因素很多［9］，以主要的影响因素（管道内外压差、间隙宽度、不同胶管套入长度、燃气管道外直径）为变量，对燃气泄漏量的影响进行计算分析。

 

　　①以管道内外压差为变量

 

　　在保持案例中其他条件不变的工况下，改变管道内外压差［10］，泄漏量与不同管道内外压差的关系见图4。

　　图4   泄漏量与不同管道内外压差的关系

 

　　由图4可以看出，泄漏量随着管道内外压差增加而增加。

 

　　②以环形间隙宽度为变量

 

　　在案例中其他条件保持不变的工况下，改变环形间隙宽度。计算出不同环形间隙宽度下燃气泄漏量，泄漏量与环形间隙宽度的关系见图5。

　　图5   泄漏量与环形间隙宽度的关系

 

　　由图5可以得出：泄漏量随着环形间隙宽度的增大而增加。由于环形间隙的宽度对燃气泄漏量的影响巨大，在安装胶管过程中一定要用喉箍紧固胶管，并定期检查更换胶管，以控制管道环形间隙。

 

　　③以不同胶管套入长度为变量

 

　　在案例中其他条件保持不变的工况下，改变胶管套入长度，分别计算出胶管与管道间不同胶管套入长度条件下的泄漏量，泄漏量与胶管套入长度的关系见图6。

　　图6   泄漏量与胶管套入长度的关系

 

　　由图6可以得出：燃气泄漏量随着胶管套入长度的增大而逐渐减少，但减少速率越来越慢。据此关系，在燃气管道安装过程中适当增加胶管套入长度，便可以把燃气环形间隙泄漏量维持在较小的水平。

 

　　④以燃气管道外直径为变量

 

　　保持案例中其他工况不变，改变燃气管道外直径。计算出不同管道外直径下的泄漏量，泄漏量与燃气管道外直径的关系见图7。

　　图7   泄漏量与燃气管道外直径的关系

 

　　由图7可以看出：泄漏量随着管道外直径增加而增加。因此，不影响居民正常用气的情况下，适当采用较小管径的管道与胶管连接，可以有效减少胶管与管道处的泄漏量。

 

　　5   结论及建议

 

　　①依据燃气胶管松动泄漏的特征和工程实际情况，建立了同心圆环形间隙泄漏模型及偏心圆环形间隙泄漏模型，对燃气泄漏量进行研究计算。依据胶管脱落泄漏的工程情况，建立了脱落过程中的环形间隙泄漏模型。

 

　　②对某工程实例燃气胶管与管道连接处泄漏量进行计算。分析不同影响因素下燃气泄漏量的变化情况，得出燃气泄漏量随环形间隙宽度变大而显著增加，随管道内外压差和燃气管道外直径的增大而增加，随胶管套入燃气管道长度的增加而减少。

 

　　③在安装胶管过程中一定要用喉箍紧固胶管，并定期检查更换胶管。

 

　　④在设计过程中管道与胶管连接处应选择较小管道管径，适当增加胶管套入的长度，以控制胶管与管道间隙处的燃气泄漏量。

 

　　参考文献：

 

　　［1］佚名. 2016年我国燃气爆炸事故分析报告［EB/OL］. ［2017-1-3］. http：//safety.gasshow.com/News_20170103/374198.html.

 

　　［2］郭宝运. 浅谈社区和居民家庭常见燃气安全隐患及预防措施［J］. 城市燃气，2008（6）：31-33.

 

　　［3］江明，彭世尼. 室内燃气安全系统可靠性分析［J］. 煤气与热力，2008，28（9）：B30-B32.

 

　　［4］吴旭，王新华. 户内天然气泄漏的原因与对策［J］. 煤气与热力，2008，28（11）：B49-B51.

 

　　［5］贺平. 流体流态测试装置关键部件的设计改造［J］. 实验室科学，2009（3）：166-167.

 

　　［6］贾文磊. 室内燃气系统胶管泄漏数值模拟及危害预防研究（硕士学位论文）［D］. 济南：山东建筑大学，2012：21-24.

 

　　［7］张鸣远，景思睿，李国军. 高等工程流体力学［M］. 西安：西安交通大学出版社，2006：47-48.

 

　　［8］杨秀峰. 水压环形缝隙泄漏特性的理论和实验研究（硕士学位论文）［D］. 武汉：华中科技大学，2012：14-16.

 

　　［9］张丽，戴彪. 室内燃气泄漏原因及扩散影响因素的分析［J］. 当代化工，2015（1）：120-121.