水下輸油管微孔溢油的實驗研究

臧曉剛，張　軍，陳懷民，盧盛燦

（1.集美大學　輪機工程學院，福建　廈門　361021；2.集美大學　機械與能源工程學院，福建　廈門　361021）

水下輸油管微孔溢油的實驗研究

臧曉剛1，張軍2*，陳懷民2，盧盛燦1

（1.集美大學輪機工程學院，福建廈門361021；2.集美大學機械與能源工程學院，福建廈門361021）

目前大部分溢油研究都是針對大孔徑泄漏進行的。文中對水下管道微孔（直徑小于5 mm的孔）泄漏溢油進行了實驗研究，獲得了不同尺寸微孔泄漏與出流系數(shù)的關系、不同泄漏量時溢油油滴上升至水面的時間以及泄漏產(chǎn)生的浮羽射流的形態(tài)。實驗結果表明，出流系數(shù)會隨著泄漏孔孔徑的增大而變大，而泄漏量的增加則會明顯縮短溢油上浮至水面的時間，增大羽射流寬度。研究對水下微孔泄漏的溢油擴散提供了實驗參考，為今后微孔溢油的相關研究打下基礎。

水下管道；微孔溢油；實驗研究

隨著海上石油開采業(yè)的快速興起，水下溢油的風險也隨之提高。水下溢油會對漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及海洋環(huán)境造成致命傷害。因此在海底輸油管道泄漏方面開展一定的研究，為海底溢油的預防、溢油應急處理以及環(huán)境損害評估提供參考是十分必要的。從20世紀70年代起，國外已經(jīng)開始對海洋溢油問題進行系統(tǒng)研究。挪威Johansen等［1］建立了DEEPFLOW水下溢油模型并在挪威附近海域利用實地實驗對模型進行了驗證；美國克拉克森大學的Yapa和Zheng等人［2-3］在21世紀初建立了一個比較完善的溢油模型CDOG，該模型考慮到了溢油的擴散、溶解以及卷吸的作用，能夠模擬溢油在海洋環(huán)境中復雜的行為動態(tài)。近20多年，國內(nèi)學者也開展了海底溢油的相關研究。汪守東和沈永明［4］對Yapa的CDOG模型進行推廣，并在其基礎上考慮了溢油的乳化作用；廖國祥［5］建立了水下油氣溢漏事故污染物的輸移預測模型，該模型能夠模擬污染物在密度分層、流速分層的真實情況下油氣輸移分離的動態(tài)行為；王晶［6］對海底管線溢油在水中運移擴散過程以及影響其擴散的主要因素進行研究，分析了各種因素對所形成油滴尺寸的影響情況。上述研究均是針對水下大流量泄漏而產(chǎn)生的溢油，對管道微孔泄漏未必適用。微孔是指海底管道因腐蝕或焊接問題而產(chǎn)生的孔徑小于5 mm的溢油孔，微孔泄漏由于泄漏量小，很難被發(fā)現(xiàn)，對環(huán)境的破壞具有長期性的特點，因此不容忽視。鑒于此，本文對靜水箱中輸油管的微孔溢油在水體中的擴散行為進行了實驗研究。

1　實驗系統(tǒng)

實驗采用尺寸200 cm×100 cm×180 cm的透明亞克力材質(zhì)水箱，在距離水箱底部30 cm的位置安裝管徑為42 mm的透明PVC圓管作為實驗段，在實驗段中間位置的管道上方分別鉆取直徑為2 mm，2.5 mm以及3 mm的微孔作為溢油孔，依靠螺釘控制每個孔的開閉，孔兩側(cè)各布置一臺壓強傳感器以及流量計。實驗段與油泵相連接，二者之間安裝流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)管路流量，通過油箱與實驗段間的壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)實驗段壓強。實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1　實驗配置簡圖

實驗過程中先將油泵開啟，待油路系統(tǒng)充滿油后，通過調(diào)節(jié)油路中的壓力調(diào)節(jié)閥并觀察計算機所采集的壓力傳感器讀數(shù)將溢油孔處的壓強調(diào)節(jié)到實驗所需值，待壓強穩(wěn)定后打開待測溢油孔處的螺釘，同時操作計算機開始采集數(shù)據(jù)。溢油孔處的壓強取溢油孔兩側(cè)壓強傳感器的平均值，泄漏流量通過溢油孔前后兩臺流量計之間的差值確定。溢油圖像由Sony ILCE-5100相機采集，相機錄像頻率為每秒50幀，相機直接與計算機相連并將圖像按幀輸出，即可由水槽外壁的透明標尺按比例計算得出油滴的上升距離、羽流的形態(tài)和到達水面所需時間。

實驗過程中保持溢油孔與水面間距離為60 cm，溫度約為30℃，水槽內(nèi)工質(zhì)為水，實驗用油為0號柴油，30℃下二者的密度、粘度等物性參數(shù)由表1給出。

表1　30℃下實驗所用0號柴油、水物性參數(shù)表

2　實驗結果及分析

按照上述實驗配置，分別對2 mm，2.5 mm，3 mm 3種溢油孔徑在不同泄漏量下的羽流形態(tài)、溢油抵達水面的時間等進行分析，并討論了不同尺寸微孔泄漏與出流系數(shù)的關系。

2.1泄漏量對羽流形態(tài)的影響

圖2為實驗過程中拍攝的不同泄漏量時油從2.5 mm孔徑溢油孔泄漏所形成的羽射流形態(tài)圖片。

圖2　不同泄漏量時的羽射流形態(tài)

由圖2可以看出，與大流量溢油情況下的油柱射流不同，微孔溢油是以獨立油滴的形式進入水體。由于微孔泄漏的溢油孔尺寸小，單位時間的溢油量也非常小，因此溢油從孔中溢出后不會出現(xiàn)大流量溢油情況下的油柱射流，而是直接進入浮射羽流階段，即溢油從溢油孔泄漏后直接破碎成細小的油滴，并在初始動量的推動下不斷擴散開形成煙羽狀。

由實驗圖片可以看出，溢油量變大的同時，羽流寬度隨之增加。這是因為溢油進入水體后，水油之間形成了速度不連續(xù)的間斷面，在其后噴射出的溢油的干擾下，間斷面失去穩(wěn)定而產(chǎn)生渦旋，渦旋卷吸周圍流體進入羽流，同時不斷移動、變形、分裂，并加劇紊動，從噴射口周邊開始沿程形成內(nèi)外自由紊動混合層［7］。在卷吸作用下，溢油帶動周圍流體一起向前運動，這一過程中不斷有水進入到羽流內(nèi)部，進行質(zhì)量和動量的交換。溢油與周圍流體發(fā)生摻混的同時，其射流區(qū)域不斷擴大，流量沿程增加，所以隨著羽流的上浮，其寬度延程增大。隨著溢油量的增大，溢油進入水體時的初速度也不斷增加，溢油的初始動量也就越來越大，卷吸作用不斷加劇，因此會將更多的水摻混進羽流中，所以溢油量變大的同時，羽流寬度隨之變寬。

從實驗圖片中可以明顯看出，當泄漏量為3.84×10-6m3/s時，油滴尺寸較大，油滴顆粒分明；當泄漏量增大為7.49×10-6m3/s時油滴尺寸明顯變小，但油滴顆粒依然比較分散；泄漏量繼續(xù)增大至1.01×10-5m3/s時油滴尺寸繼續(xù)變小，此時羽射流中心已經(jīng)開始略有霧化，難以區(qū)分單個油滴，但羽射流外側(cè)油滴顆粒依然可以憑肉眼辨別；當泄漏量增大至1.48×10-5m3/s時油滴直徑變得十分細小，此時羽射流已接近霧化，憑肉眼難以分辨單個油滴。由此不難看出，在同一孔口直徑下，隨著流量的增加，油滴的直徑不斷地減小。油滴破碎的過程實際上是羽射流動能與油滴表面能相互作用的過程。隨著泄漏量的增加，羽射流所具有的動能越來越大，油滴在克服表面張力做功的過程中將動能轉(zhuǎn)化為表面能，羽射流的動能越大，轉(zhuǎn)化后油滴所具有的表面能也就越多，而油滴的表面能與其面積成正比，因此油滴會在動能轉(zhuǎn)化為表面能的過程中不斷破碎成更細小的油滴以增大其表面積，所以泄漏量增大的同時，油滴的直徑會不斷減小。

圖3為溢油量為8.64×10-6m3/s時泄漏孔孔徑d分別為3 mm，2.5 mm和2 mm時的溢油羽射流圖片。

圖3　相同泄漏量下不同孔徑的泄漏形態(tài)對比

通過實驗觀測發(fā)現(xiàn)，孔口大小對油滴尺寸有較大影響。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，對于一定流量的油通過泄漏孔進入水體的這一過程來說，隨著孔口直徑的增加，油滴的直徑顯著增大。由文獻［7］可知，表面張力與孔口直徑成正比，在相同泄漏量的情況下，隨著孔口直徑的增加，油滴所受的表面張力也逐漸增大，而表面張力是液滴在孔口處所受的主要阻力，油滴只有產(chǎn)生足夠大的浮力來抵消這一阻力才能脫離孔口，而浮力又與油滴的尺寸成正比，因此油滴會在孔口處不斷積累直至體積足夠大以產(chǎn)生相應的浮力抵消表面張力的束縛。所以隨著泄漏孔孔徑的增大，油滴尺寸也會增大。

2.2泄漏點處壓差與泄漏量的關系

泄漏點處液體泄漏量可以用伯努利方程計算得出。計算過程中可以將微孔溢油看做小孔泄流的過程，忽略掉小孔不規(guī)則處，將其簡化成圓柱體，其長度等于管壁厚度，則小孔出流量可用下式計算：

式中：Q為每秒溢油的體積；μ為出流系數(shù)，其值隨工況的不同而變化，通常由實驗測得；d為溢油孔直徑；Δp為孔內(nèi)外壓強差，其中孔內(nèi)壓強可由壓力傳感器測得，孔外壓強可根據(jù)水面高度求出；ρoil為管內(nèi)油密度。

圖4是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，利用計算機軟件擬合求得的3種不同孔徑下壓差與泄漏量的關系情況。經(jīng)計算求得當溢油孔孔徑分別為2.0 mm，2.5 mm和3.0 mm時，出流系數(shù)μ分別為0.73，0.76和0.82。

圖4　不同孔徑下管內(nèi)外壓差對泄漏量的影響

可以看出，出流系數(shù)μ會隨著孔徑的增大而增大。對于粘性流體而言，其他條件不變的情況下，邊界層厚度一定，孔口面積越大，邊界層所占的權重也就越小，邊界層所引起的能量損失占總能量損失的比重也就越來越小，因此出流系數(shù)會隨著泄漏孔孔徑的增大而增大。

2.3不同泄漏量下油滴上浮到達水面時間

實驗過程由安裝在溢油孔正前方的 Sony ILCE-5100數(shù)碼攝像機拍攝，相機直接與計算機相連并將錄像按幀輸出，由此計算得出各孔徑在不同泄漏量下首粒油滴到達水面所需時間。由于相機錄像頻率為每秒50幀，即每隔0.02 s采集一幀圖像，而溢油上浮至水面所需時間以秒計量，因此由此方法測得溢油上浮至水面的時間精度較高，對結果的影響較小，所測得時間值準確度較高。最終得出各孔徑在不同泄漏量下首粒油滴到達水面所需時間如圖5所示。由實驗結果可知，在孔徑不變的情況下，隨著溢油孔單位時間溢油量的增加，首粒油滴到達水面的時間有明顯縮短的趨勢；在泄漏量相同的情況下，泄漏孔孔徑增加，溢油上浮至水面的時間縮短。

圖5　不同泄露量下油滴到達水面的時間

在微孔泄漏過程中，溢油的動量變化情況大致可以分成兩個階段。第一階段，溢油在泄漏源的壓力作用下進入水體中并立即破碎成為細小的油滴，它們在初始動量和水體浮力共同作用下形成浮射流并處于主動輸移狀態(tài)，這一階段的總動量以其初始動量為主，稱為浮射流階段；浮升至一定高度的油滴在失去初始射流動量后，則只在浮力的作用下在垂直方向向上遷移，這一過程屬于第二階段，稱為羽流階段，此時油滴所具有的總動量以浮力所產(chǎn)生的動量為主。由于本實驗溢油孔與水面之間的距離較短，油滴群進入羽流階段時已經(jīng)接近水面，因此在溢油上升的過程中浮射流階段對油滴上升至水面所需的時間影響較大，羽流階段對其影響較小，也就是說初始動量的大小對油滴上浮至水面所需時間的長短起到了決定性作用。單位時間內(nèi)的泄漏量越大，溢油上浮至水面所需的時間就越短，這是因為在浮射流階段，泄漏量的增大導致了溢油整體的初始動量增加，因此溢油在泄漏點處的初始速度也較大，在上浮距離一定的條件下，初始速度越大，油滴上浮至水面所需時間也就越短。

由前述可知，在泄漏量相同的情況下，泄漏孔孔徑越大，所產(chǎn)生的油滴尺寸也就越大，而油滴所受浮力大小與油滴的體積直接相關，因此油滴的尺寸增大會明顯導致其所受浮力增大，而浮力越大，其上升時的加速度也就越大，距離一定，上升時間必然縮短。因此溢油孔孔徑增大，溢油上浮至水面所需的時間會明顯縮短。

3　結論

對本文實驗研究進行分析，可得以下結論：

（1）當溢油過程屬于微孔泄漏時，溢油不會形成連續(xù)的油柱，而是以油滴的形式進入水體。相同溢油孔徑的情況下，單位時間內(nèi)的泄漏量越大，所形成的羽流寬度越寬，產(chǎn)生的油滴越細??；而泄漏量相同時，溢油孔尺寸越大，油滴直徑也就越大。

（2）通過實驗所得數(shù)據(jù)，借助計算機進行擬合，發(fā)現(xiàn)微孔泄漏的出流系數(shù)會隨著溢油孔尺寸的增大而增大。

（3）單位時間溢油的泄漏量對油滴上浮至水面的時間影響較大，單位時間內(nèi)溢油量越大，油滴上浮至水面所需的時間越短。相同泄漏量下，泄漏孔孔徑越大，油滴上浮至水面所需的時間也越短。

由于實驗條件有限，本文只探討了淺水區(qū)域輸油管路微孔溢油的擴散特性。深海溢油過程由于會產(chǎn)生大量水合物，而生成水合物這一過程對溢油的擴散過程又有較大影響，因此本實驗結論只適用于淺水區(qū)域輸油管路微孔溢油情況。針對深水區(qū)微孔溢油的擴散特性情況有待做進一步研究。

［1］Johansen.Development and Verification ofDeep-Water Blowout Models［J］.Mar Pollut Bull，2003，47:360-368.

［2］YapaPD，LiZ.Simulation ofOilSpillsfromUnderwaterAccidentI:ModelDevelopment［J］.JHydraulRes，1997，35:673-688.

［3］Li Z，Yapa P D.Simulation ofOil Spills fromUnderwater Accident II:Model Verification［J］.Hydraul Res，1998，36:117-134.

［4］汪守東，沈永明.海底管線溢油數(shù)學模型研究［J］.大連理工大學學報，2006，S1:191-197.

［5］廖國祥，高振會，熊德琪.水下油氣溢漏事故污染物輸移預測模型［J］.大連海事大學學報，2010，04:115-120.

［6］王晶.海底管線溢油在水體中的運移擴散過程研究［D］.大連：大連理工大學，2006.

［7］肖杰.海底管線微孔泄漏油滴尺寸與上升速度研究［D］.大連：大連理工大學，2007.

Experimental Study on Oil Spill through Micropores in Underwater Pipeline

ZANG Xiao-gang1，ZHANG Jun2，CHEN Huai-min2，LU Sheng-can1
1.School of Marine Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，F(xiàn)ujian Province，China；
2.College of Mechanical and Energy Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，F(xiàn)ujian Province，China

At present，most researches on oil spill are targeted at large amount of leakage through large apertures.In this paper，an experiment on microporous（diameter less than 5 mm）underwater oil spill is carried out to reveal the relationship between different sizes of micropores and flow coefficients，and the time that oil droplets with different amounts of leakage spend to rise to the water surface.This paper also shows the form of floating plume jets of different leakages.Experimental results show that the flow coefficient will increase while the microporous diameter becomes larger.The increase of the amount of leakage will significantly shorten the time that oil spend to rise to water surface，and increases the plume width.This paper provides an experimental reference for the diffusion of oil spill through micropores in the water，and lays a solid foundation for future research on microporous oil spill.

underwater pipeline；microporous oil spill；experimental study

TE832

A

1003-2029（2016）02-0104-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.019

2015-12-15

福建省自然科學基金資助項目（2014J01201）；福建省科技計劃資助項目（2014H6019）

臧曉剛（1991-），碩士研究生，主要從事海底油氣溢漏研究。E-mail：249167413@qq.com

張軍（1966-），博士，副教授，主要研究方向為多相流體流動、流體靜電霧化技術、海洋能利用、流體機械優(yōu)化等。E-mail：bull0202@sina.com