埋地管道在不同含水率的土壤中泄漏數(shù)值模擬

李 澤，馬貴陽，常方圓

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

埋地管道在不同含水率的土壤中泄漏數(shù)值模擬

李 澤，馬貴陽，常方圓

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

針對(duì)管道在土壤中發(fā)生泄漏問題，借助CFD軟件及采用有限容積法建立土壤多孔介質(zhì)中油氣水三相流的流固耦合數(shù)學(xué)模型，分別模擬了管道在土壤含水率為0、0.1及0.2的三種情況下泄漏前后周圍土壤溫度場變化及油品在土壤中擴(kuò)散分布情況。模擬結(jié)果表明：泄漏前，管道周圍溫度場分布相同，均呈橢圓形分布，熱影響區(qū)溫度由內(nèi)向外逐漸降低。泄漏后，三種情況下，油品在土壤中運(yùn)移趨勢基本相同，但由于土壤含水率不同，管道周圍溫度場變化情況及相同時(shí)間內(nèi)油品的泄漏量不同。

埋地管道；泄漏；數(shù)值模擬；溫度場

埋地管道作為當(dāng)今主要的運(yùn)輸工具，具有許多優(yōu)越的特點(diǎn)，我國現(xiàn)役管道多數(shù)使用期已經(jīng)超過20年，處于事故高發(fā)階段。隨著管齡的增長、自然及人為因素的影響，近幾年，管道泄漏事故頻繁發(fā)生，不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，而且?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，給人們的生活生產(chǎn)產(chǎn)生重大的影響。因此，科學(xué)合理的制定埋地管道檢測方法具有重要意義。分布式光纖溫度傳感技術(shù)是根據(jù)管道泄漏前后周圍溫度場變化為依據(jù)的檢測技術(shù)，具有精度高、自適應(yīng)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸和讀寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，是檢測技術(shù)的主要研究方向，應(yīng)用前景廣泛[1-4]。本文借助 CFD軟件及采用有限容積法建立土壤多孔介質(zhì)中油氣水三相流數(shù)學(xué)模型，分別模擬了管道在土壤含水率為0、0.1及0.2的三種情況下泄漏前后周圍土壤溫度場變化及油品在土壤中擴(kuò)散分布情況，為管道泄漏檢測提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流固耦合傳熱模型

土壤作為一種多孔介質(zhì)，具有一定的孔隙度，因此也具有很好的儲(chǔ)容性，即多孔介質(zhì)儲(chǔ)存和容納液體的能力。當(dāng)管道泄漏后，會(huì)有大量的高溫原油滲漏到土壤中去，從而管道泄漏點(diǎn)附近的大地溫度場，因此，該過程可以看作是多孔介質(zhì)的流固耦合換熱問題[5-8]，故其控制方程如下：

（1）質(zhì)量守恒方程:

式中： U ——流體速度，m/s ;

ρf——流體密度，kg/m3；

t ——時(shí)間，s。

（2）動(dòng)量守恒方程

式中：u、v ——U在x 和y 方向上的速度分量，m/s；

p ——孔隙壓力，Pa；

μ ——流體動(dòng)力粘度，Pa·S；

α ——多孔介質(zhì)滲透率，m3，；

c2——慣性損失系數(shù)，m-1，，其中：ε為孔隙比， Dp為離子直徑，mm。

（3）能量守恒方程

式中：Ef——流體總能，J；

Es——固體介質(zhì)總能，J；

γ ——介質(zhì)孔隙度，1；

ρs——固體密度，kg/m3；

keff——介質(zhì)有效熱導(dǎo)率，W/(m·K)；

kf——流體熱導(dǎo)率，W/(m·K)；

ks——固體熱導(dǎo)率，W/(m·K)；

1.2 邊界條件

（1）在y=0 處，

式中：T ——土壤溫度，K；

Tk——環(huán)境溫度，K；

αk——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

w ——風(fēng)速，m/s。

（3）在r=RN處，

式中：RN——管道內(nèi)徑，m；

αh——原油與管道內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Tw——原油溫度，K。

（4）在y=y0處，T=Tm為地下恒溫層。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

以東北某熱油管道為例，管道埋深1.6 m，直徑700 mm，且管道外壁包有40 mm厚的聚氨酯保溫層，地表環(huán)境溫度-20 ℃，平均風(fēng)速1 m/s，土壤密度1 680 kg/m3，比熱2 225 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)1.512 W/(m·K)。土壤初試溫度為-2 ℃，地下恒溫層溫度為8 ℃，管內(nèi)油溫52 ℃，密度870 kg/m3，比熱2 150 J /(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)0.14 W/(m·K)，粘度2.27×10-4Pa·S。泄漏口直徑 30 mm，根據(jù)管道內(nèi)外壓力得泄漏口初試流速0.5 m/s，計(jì)算區(qū)域?yàn)? m×5 m，采用三角形網(wǎng)格對(duì)管道周圍土壤區(qū)域進(jìn)行單元?jiǎng)澐諿9]（如圖1），基于管壁及泄漏口附近溫度梯度較大，對(duì)網(wǎng)格劃分必須加密，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到溫度的變化。熱油管道經(jīng)過長期運(yùn)行形成了穩(wěn)定的溫度場（如圖 2），管道周圍土壤等溫線呈橢圓形分布，溫度由內(nèi)向外逐次降低，該溫度場是管道泄漏時(shí)的初試條件，對(duì)管道泄漏后土壤溫度場的變化具有重要影響。

圖1 管道周圍土壤區(qū)域網(wǎng)格圖Fig.1 Regional grid picture of soil around the pipeline

圖2 管道泄漏前穩(wěn)態(tài)溫度場Fig.2 Stable temperature field before pipeline leaking

圖3給出了埋地管道在土壤含水率為0時(shí)管道周圍溫度場隨泄漏時(shí)間變化等值線圖。

圖3 土壤含水率為0時(shí)管道周圍溫度場隨泄漏時(shí)間變化等值線圖Fig.3 Isograms of temperature field change with time when soil moisture content is 0

由圖可以看出，泄漏初期，管道周圍溫度場變化很快，所有等溫線都不同程度的上移，管道周圍等溫線形狀不規(guī)則，隨著泄漏時(shí)間的延長，等溫線向四周擴(kuò)散，近似鋸齒形狀分布。根據(jù)管道泄漏后不同時(shí)刻土壤中原油分布圖（如圖4所示）可得，油品在土壤中開始由倒蘋果形分布逐漸向近似圓形滲流，由于土壤孔隙度比較大，泄漏160 s后，土壤中的原油已滲透到地表，由此可以看出，油品在干土中運(yùn)移速度比較快。

圖4 土壤含水率為0時(shí)不同時(shí)刻土壤中原油分布Fig.4 The distribution of crude oil in soil at different time when soil moisture content is 0

圖5給出了埋地管道在土壤含水率為0.1時(shí)管道周圍溫度場隨泄漏時(shí)間變化等值線圖，同樣可以看出，泄漏初期，管道周圍溫度場變化迅速，一段時(shí)間后溫度場變化速率減慢并趨于平穩(wěn)。

圖5 土壤含水率為0.1時(shí)管道周圍溫度場隨泄漏時(shí)間變化等值線圖Fig.5 Isograms of temperature field change with time when soil moisture content is 0.1

泄漏由于受到重力的影響，120 s時(shí)290 K等溫線大約向下移動(dòng)0.1 m。由管道泄漏后不同時(shí)刻土壤中原油分布圖（如圖6所示）可以得出，由于土壤中含有水分，對(duì)泄漏油品的運(yùn)移起到了阻滯，導(dǎo)致油品運(yùn)移速度降低，經(jīng)過計(jì)算得出，土壤含水率為0.1時(shí)比含水率為0時(shí)泄漏相同時(shí)間的泄漏量少。

圖6 土壤含水率為0.1時(shí)不同時(shí)刻土壤中原油分布Fig.6 The distribution of crude oil in soil at different time when soil moisture content is 0.1

圖7給出了埋地管道在土壤含水率為0.2時(shí)管道周圍溫度場隨泄漏時(shí)間變化等值線圖。

等溫線分布形狀同前兩種情況基本相似，等溫線均不同程度的發(fā)生改變，由圖3、5、7可看出，泄漏時(shí)間相同，含水率越高等溫線向上移動(dòng)速度越慢，這是因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)小于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，所以管道泄漏后，土壤中的水分吸收了油品的一部分熱量，導(dǎo)致油品傳遞的熱量減少，但土壤含水率越高，泄漏同樣時(shí)間，在x方向上等溫線發(fā)生改變的速度越快。圖8是土壤含水率為0.2時(shí)不同時(shí)刻土壤中原油分布圖。

圖7 土壤含水率為0.2時(shí)管道周圍溫度場隨泄漏時(shí)間變化等值線圖Fig.7 Isograms of temperature field change with time when soil moisture content is 0.2

圖8 土壤含水率為0.2時(shí)不同時(shí)刻土壤中原油分Fig.8 The distribution of crude oil in soil at different time when soil moisture content is 0.2

與圖7相比，土壤含水率越高，泄漏相同時(shí)間油品向上移動(dòng)速率越慢，油品邊緣越粗糙。

3 結(jié) 論

埋地管道是重要運(yùn)輸工具，管道的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)石油、化工等行業(yè)具有重要的意義，所以快速準(zhǔn)確的檢測管道周圍溫度場的變化情況，為基于溫度變化而實(shí)現(xiàn)檢測的分布式光纖技術(shù)提供理論依據(jù)。通過本文數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

（1）土壤含水率對(duì)泄漏管道周圍溫度場具有很大的影響，含水率越高，等溫線豎直方向上移動(dòng)速度越慢，水平方向上移動(dòng)速度越快。據(jù)此，合理安置檢測裝置，根據(jù)管道周圍溫度場的變化快速發(fā)現(xiàn)泄漏泄漏點(diǎn)，及時(shí)有效的采取措施。

（2）一定范圍內(nèi)，土壤含水率越高，相同時(shí)間內(nèi)泄漏量越少。

（3）由于管道泄漏前后周圍溫度場變化受泄漏口位置，季節(jié)性氣候條件、泄漏速度等許多因素的影響，所以要全面的考慮影響因素確保模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符，更好的為管道檢測提供依據(jù)。

［1］馬貴陽，杜明俊，付曉東，等. 管道冬季泄漏土壤熱波動(dòng)及原油滲流數(shù)值計(jì)算[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，32（6）：169-174.

［2］楊文輝，馬利. 基于油氣管道泄漏檢測技術(shù)的研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，（8）：91

［3］雷朝.輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].天然氣與石油. 2010，28（5）:19-21

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［5］王曉冬. 滲流力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［6］潘鑫峰. 寒區(qū)地下輸油管道泄漏熱影響區(qū)域溫度場數(shù)值模擬[J]. 油氣田地面工程，2008，27（6）：31-33.

［7］王岳，馬躍，等 泄漏油品在不同顆粒直徑土壤中擴(kuò)散范圍計(jì)算[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2012，25（6）：56-58

［8］李朝陽等. 埋地輸油管道泄漏油品擴(kuò)散模擬[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30（9）：674-676.

［9］吳國忠，陳超. 埋地管道傳熱數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分方法[J], 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，29（2）：82-84.

Numerical Simulation of Underground Pipeline Leakage in Soil With Different Moisture Content

LI Ze，MA Gui-yang，CHANG Fang-yuan
（School of Petrochemical Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

In view of the problem of pipeline leakage in soil, the finite volume method was used to establish mathematical model of fluid-structure interaction of oil-gas-water in the soil as a kind of porous by CFD software. Under three conditions of the soil moisture contents of 0, 0.1 and 0.2, soil temperature field change and oil distribution range before and after the leakage were numerically simulated. The simulation results show that: before leakage, the temperature field is oval distribution around the pipeline, the temperature decreases from interior to exterior; After leakage, the oil migration trends in the soil are same, but due to the different soil moisture contents, the change of temperature field and leakage rate are not same at the same time under three conditions.

Underground pipeline; Leakage; Numerical simulation;Temperature field

TE 832

A

1671-0460（2014）11-2460-04

2014-05-14

李澤（1990-），男，遼寧鐵嶺人，在讀碩士，研究方向：油氣管道輸送技術(shù)。E-mail：137531081@qq.com。