穿越河流輸油管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

姚 威

（中國石油化工股份有限公司吉林石油分公司， 吉林 吉林 132000）

管道作為五大運(yùn)輸工具之一，在運(yùn)輸油品方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。由于我國地形復(fù)雜多變，長距離敷設(shè)的輸油管道會(huì)不可避免的要經(jīng)由河流，隨著管齡的增長，河水對管道不斷的沖刷腐蝕、外力損傷及管線憋壓等自然或人為損壞的原因，使管道泄漏事故頻繁發(fā)生，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響?？梢妼艿佬孤┑臋z測研究具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義[1,2]。由于管道所處環(huán)境及其本身所輸送的介質(zhì)的形式多樣，導(dǎo)致管道泄漏的形式多樣化，使得目前還沒有理想的方法去解決管道泄漏檢測問題。對管道泄漏后檢測已研制出電纜為油溶性和分布式傳感電纜[3,4], 此方法可以及時(shí)準(zhǔn)確檢測管線泄漏的發(fā)生，為此對管道泄漏后油品擴(kuò)散規(guī)律的研究顯得極為重要。目前對泄漏擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的研究多適用于埋地管道及架空輸氣管道[5], 對于穿越河流管道泄漏擴(kuò)散問題的研究還很少[6]，雖有對穿越河流管道泄漏進(jìn)行研究，但多局限在研究管道泄漏后油品直接接觸河水，忽略了管道埋在河底土壤中的那段深度對油品擴(kuò)散的影響。

本文基于計(jì)算流體力學(xué)軟件，采用VOF模型對穿越河流輸油管道泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬。研究分析了在水下土壤中某一埋深輸油管道泄漏后油品的擴(kuò)散規(guī)律。分析了泄漏口速度和河水流速度對油品擴(kuò)散的影響，總結(jié)油品的擴(kuò)散規(guī)律，可為電纜檢漏技術(shù)檢測穿越河流輸油管道泄漏提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型

土壤作為一種多孔固體介質(zhì)，流體在其中流動(dòng)時(shí)要受到慣性阻力和粘性阻力的作用。原油與水具有不相容性，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)油水具有明顯的分界面。當(dāng)埋地管道發(fā)生泄漏時(shí)，油品在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)比較復(fù)雜，且泄漏點(diǎn)的壓強(qiáng)，速度，體積分?jǐn)?shù)較大，計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，有限容積法是處理該類問題的常用方法。油品滲流符合達(dá)西定律，其質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

式中：U—流體速度，m/s；

ρf—流體的密度，kg/m3；

t—時(shí)間，s。

動(dòng)量守恒方程以x方向?yàn)槔菏街校簎，v—分別為U在x，y方向上的速度分量，m/s；

C2=

—慣性損失系數(shù)，m-1；ε—孔隙比；

p—孔隙壓力，Pa；

Dp—粒子直徑，mm；

μ—流體動(dòng)力粘度，Pa·s。

能量守恒方程：

式中：Ef—流體總能，J；

Es—固體介質(zhì)總能，J；

r—介質(zhì)孔隙度；

keff—流體焓源項(xiàng)，J/kg。

其中：keff=gkf+ ( 1 -g)ks，kf—流體導(dǎo)熱率，W/(m·K);

ks—固體導(dǎo)熱率，W/(m·K)。

體積分?jǐn)?shù)方程：

式中：—p相到q相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)輸送；

如果相下標(biāo)用1、2表示若第二項(xiàng)的體積分?jǐn)?shù)被跟蹤，每一單元中的密度為：

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

為研究水下輸油管道泄漏后油的分布情況選取一工況進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬區(qū)域：8 m′50 m，其中水深為6 m，管道水下埋深為1 m，空氣層厚度為1 m，沿水流軸向長為50 m，物理模型如圖1(a)。管徑1 m，泄漏口直徑為0.06 m，方向?yàn)楣艿勒戏健ＤM環(huán)境溫度為常溫，泄漏口油速為2 m/s，水速分別為0.05，0.1，0.2 m/s。模擬過程中忽略徑向流速對擴(kuò)散的影響。土壤為多孔介質(zhì)，孔隙度為0.267。油由漏口流出，其泄漏口附近一定范圍內(nèi)速度梯度很大，為提高計(jì)算精度，對漏口附近網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。網(wǎng)格模型如圖1(b)。

為研究油品泄漏后在土壤中和水流中的擴(kuò)散規(guī)律，對圖2，圖3，圖4，圖5進(jìn)行分析。

其中圖2為在2 m/s泄漏速度，泄漏8 s時(shí)不同水流速度下的油相分布，本為稱此時(shí)期為泄漏初期。由圖2可以看出泄漏8 s時(shí)油品剛剛滲透過土壤開始向水中擴(kuò)散，在此之前水流對油品擴(kuò)散影響很小，油品在土壤中的泄漏形狀大致相同，成不規(guī)則半圓形 。分析原因可能為：泄漏初期土壤對油品的擴(kuò)散具有一定的阻礙作用，油品需克服土壤毛細(xì)阻力、慣性阻力、粘性阻力，但油品整體所受阻力均勻，所以滲流速度比較慢，分布形狀比較規(guī)則。

圖3 為泄漏40 s時(shí)不同水都條件下油相分布，本為稱此時(shí)期為泄漏中期。由圖3可以看出此時(shí)油品開始向水中擴(kuò)散，水對油品擴(kuò)散的阻力相對土壤對油品的阻力小的多，油品迅速向水中擴(kuò)散，數(shù)秒間已經(jīng)將接近水面，此過程中水對油品的擴(kuò)散影響很大，圖 3(a)中可以看出油品雖然已經(jīng)接近水面，但其濃度并不高。分析其原因可能為由于水流速度并不大，對油品沿水流方向的擴(kuò)散速度影響并不大，油品擴(kuò)散的速度比較小，即0.05 m/s的水速對油品的擴(kuò)散影響不大。圖 3(b)中可以看出油品在水中的濃度很高，且沿水流下方向油品的濃度也很高。分析其原因可能為由于水流速度是圖 3(a)中倆倍，此時(shí)水流速度對油品沿水流方向的擴(kuò)散速度影響較大，油品擴(kuò)散的速度較大，即0.1m/s的水速可以促進(jìn)油品在水中的擴(kuò)散。圖 3(c)中可以看出相同泄漏時(shí)間內(nèi)，當(dāng)水速較大時(shí)會(huì)對油品的初期擴(kuò)散影響較大，油品會(huì)在土壤表面附近溢流一段時(shí)間。分析其原因可能為較大的水速對從土壤中擴(kuò)散出來的油品形成短暫的阻礙作用，此過程中油品的擴(kuò)散速度最慢，即0.2 m/s的水都對油品的擴(kuò)散有阻礙作用。

圖3 泄漏40 s時(shí)不同水速條件下油相分布Fig.3 Oil phase distribution during leakage under different water speed in 40 s

圖4 為泄漏160 s時(shí)不同水速條件下油相分布，圖5為泄漏360 s時(shí)不同水速條件下油相分布，本為稱此時(shí)期為泄漏后期。對比圖4與圖5可以看出隨著泄漏時(shí)間的推移，油品在土壤中的擴(kuò)散成不規(guī)則幾何圖形，泄漏160 s時(shí)水流的大小對油品的擴(kuò)散影響很大，速度越大油品的橫向擴(kuò)散范圍越大，且濃度較高，泄漏360 s時(shí)油品已接近水表面，且水速越大，接近水表面所需要的時(shí)間越短?？梢钥闯鏊俣仍酱笤谒砻娴臄U(kuò)散范圍越大，油品長期漂浮在水表面，對水域照成嚴(yán)重的污染，水流速度較大時(shí)油品的擴(kuò)散會(huì)出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，不容易被發(fā)現(xiàn)，且水速越大污染范圍越大，給污染的處理帶來極大的困難。

圖4 泄漏160 s時(shí)不同水速條件下油相分布Fig.4 Oil phase distribution during leakage under different water speed in 160 s

3 結(jié)論及建議

通過穿越河流輸油管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值研究，將泄漏擴(kuò)散過程分為泄漏初期、泄漏中期、泄漏后期。泄露初期：水流對油品擴(kuò)散影響很小，油品在土壤中的泄漏形狀大致相同，成不規(guī)則半圓形。泄漏中期：0.05 m/s的水速對油品的擴(kuò)散影響不大，0.1m/s的水速可以促進(jìn)油品在水中的擴(kuò)散，0.2 m/s的水都對油品的擴(kuò)散有阻礙作用。3種不同水速對油品泄漏擴(kuò)散的影響不同，較小的水速對此時(shí)期油品的擴(kuò)散無影響，適當(dāng)大的水速可以促進(jìn)油品在此時(shí)期的擴(kuò)散，當(dāng)水速大到一定數(shù)值時(shí)，油品會(huì)在土壤與水域的交界面溢流，此時(shí)油品的擴(kuò)散將被延遲，不易被發(fā)現(xiàn)。泄漏后期：隨著泄漏時(shí)間的推移，油品在土壤中的擴(kuò)散成不規(guī)則幾何圖形，最終在水的浮力作用下，會(huì)溢流在水表面，水流越大水表面油品擴(kuò)散范圍越大，給事故處理帶來困難。由于油品的擴(kuò)散會(huì)受季節(jié)、水流速度、管道敷設(shè)深度、泄漏位置。泄漏口徑及土壤物性等因素的影響，快速準(zhǔn)確的檢測管線的泄漏位置有一定的難度，研究結(jié)果可為事故調(diào)查處理提供理論依據(jù)。

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［5］葉峰，廖開貴，張亞明，蔣宏業(yè)．天然氣管道泄漏數(shù)值模擬的研究[J]．油氣田地面工程．2008，27(6)：19-20．

［6］高清軍．多種海況下的水下溢油數(shù)值模擬[C]．2008