随着中缅天然气管道的建成投产,昆明市人工煤气管网气源改换为更清洁、高效的天然气成为了可能,但由于既有的人工煤气管网条件多样、复杂,管道存在明显的腐蚀,局部管段还存在较为严重的沉降。因此,当中、低压条件下的人工煤气置换为更高压力输送的天然气时,管网是否具备置换的安全条件以及如何制定有针对性的天然气置换方案,对于保障城市燃气管网的本质安全与公共安全而言具有十分重要的意义。论文首先对昆明市人工煤气管网基础资料进行了全面收集与分析,有效辨识出了煤气管网的主要失效模式与典型缺陷。基于流体力学、电化学、结构力学和安全评价理论,采用实验与理论研究相结合的方法,确定了输送介质的腐蚀机理;以腐蚀管段、沉降管段为研究对象,系统确定了人工煤气管网天然气置换的安全能力,建立了局部管网天然气直接置换混气参数计算模型与置换方案,为置换方案的制定和现场实施提供了理论和技术支撑。论文的研究内容和取得的主要成果如下:（1）对昆明市盘龙区、五华区、西山区、官渡区所辖天然气管网的结构和设施、设备和运行参数、管道失效模式进行了分析,将昆明市人工煤气管网划分为九个区块。明确了电化学腐蚀导致的壁厚减薄和地面沉降导致的管道悬空和应力破坏是管道的主要失效模式。（2）开展了人工煤气介质组成与积液中离子成分的分析,确定人工煤气中的H2、CO2、硫化物与高浓度Cl-含量是管道腐蚀穿孔的主要原因。开展了人工煤气和天然气环境下的静态/动态腐蚀对比实验;在人工煤气条件下,管材的静态和动态腐蚀速率分别为0.2163 mm/a和0.2774 mm/a;天然气条件下静态和动态腐蚀速率分别为0.0283 mm/a和0.0552mm/a,揭示了以CO2电化学腐蚀为主的人工煤气条件下管材腐蚀规律。（3）基于分相流理论建立昆明市人工煤气管网仿真模型,分析了管道内的压力、温度和持液率分布,确定了管网易积液管段的分布。针对管道内存在的多相流动腐蚀问题,利用描述化学反应速率常数随温度变化关系的阿伦尼乌斯公式（Arrhenius Equation）,结合不同二氧化碳分压条件下的动态反应釜测试实验,建立了人工煤气管网多相流腐蚀速率预测模型CR=250640×e-33600/R7×PCO20.11。腐蚀速率预测值与实验值之间的平均相对误差为8.9%,优于OLGA多相流腐蚀预测结果。以此为基础,分析了人工煤气管网的腐蚀速率,发现腐蚀程度为“较重”的“Ⅱ级管段共有14个,主要分布于管网前端压力较高与末端持液率高的管段。（4）基于有限元方法建立腐蚀无沉降管段应力分析模型,考虑实际运行工况,计算0.17MPa-0.4MPa压力下的管道等效应力值,确定了天然气置换时的试压与运行压力最高为0.4 MPa（表压）。（5）基于Mohr-Coulomb模型、面-面的接触方式与有限滑移大变形条件,利用摩擦系数控制管-土间的切向行为,建立了用于分析管道自重、土壤荷载与持液荷载综合作用下的沉降缺陷管段的非线性接触有限元分析模型,分析了管径、沉降段长度、内压、持液率与管道等效应力与变形位移变化之间的关系,缺陷尺寸为2.4 cm×2.4 mm时,管道沉降长度不宜超过60 m。（6）在人工煤气管网普遍存在腐蚀缺陷条件下,按照非线性有限元分析结果,合理确定了人工煤气管网9个区域的安全运行压力介于0.1MPa-0.4MPa之间（表压）。（7）针对FLUENT软件难以应用于大规模人工煤气管网置换过程数值模拟的问题,以天然气与人工煤气的混气扩散机理与传质理论、连续方程、动量方程和能量方程,考虑变径接头、三通以及管网入口和出口边界条件,建立并求解了适用于置换工程的一维天然气置换人工煤气数学模型。模拟的天然气置换人工煤气所需时间与现场实测值之间的平均相对偏差为11.4%,满足置换工程应用需要。（8）根据实际需要,基于建立的置换模型分析了管道入口绝对压力为102kPa、135kPa、170kPa、225kPa、340kPa条件下管网各个区块的进气压力、天然气流速和进行天然气置换所需的总时间,结合人工煤气管网安全能力条件,分析推荐了置换方案,相应的置换时间为60.98 h。在此基础上,以C1-8、C1-9和C1-10管网区块为对象,制定了包含置换作业流程、放散点控制和安全风险控制在内的管网置换试验方案。为昆明市人工煤气管网的安全、高效置换提供了理论和技术支撑,保障了昆明市重点民生工程的安全运行。