埋地輸油管道泄漏過程傳熱特性

吳國忠, 王 迪, 李宏佳, 王秋實(shí), 李 棟, 齊晗兵

(1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318;2. 北部灣大學(xué) 石油與化工學(xué)院, 廣西 欽州 535000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,石油成為生活和工業(yè)的必需品.輸送石油的載體有很多,其中管道由于具有輸送成本低、方便快捷、安全性高等優(yōu)點(diǎn)已被大量的鋪設(shè).截至2016年,已完成輸油管道搭建的總里程數(shù)超過10萬公里[1].由于土壤腐蝕及人為破壞等因素的影響,管道漏油事故時常發(fā)生,進(jìn)而污染了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境也影響了經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展.檢測地面溢油的技術(shù)有很多[2-3],而埋地輸油管道泄漏油品在土壤中傳熱傳質(zhì)規(guī)律是研究檢測技術(shù)的基礎(chǔ)[4].

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對埋地輸油管道泄漏油品在土壤中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律做了大量的工作.例如,McGilvary等[5]在凍土情況下,對埋地輸油管道泄漏進(jìn)行了數(shù)值模擬并對模擬結(jié)果做出了傳熱分析.Weon-Keun[6]基于有限容積法對埋地輸油管道不同泄漏情況進(jìn)行了傳熱計(jì)算,同時搭建了埋地管道泄漏的實(shí)驗(yàn)臺,并進(jìn)行了現(xiàn)場測試.J·Sheridan等[7]建立了傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型,考慮了溫差及濃度差對模型計(jì)算結(jié)果的影響,最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺,測量了油類介質(zhì)在多孔介質(zhì)遷移達(dá)到穩(wěn)定時的傳熱量.齊晗兵等[8]利用CFD仿真軟件模擬分析了在冬季嚴(yán)寒環(huán)境時輸油管道泄漏油品的遷移情況,結(jié)果得出油品在凍土擴(kuò)散過程中, 其溫度場的變化分為分流區(qū)域、發(fā)展段區(qū)域以及穩(wěn)定區(qū)域3個階段.高雪利等[9]通過數(shù)值模擬研究了輸油管道在發(fā)生穿孔泄漏后,在泄漏口處油品流速的分布規(guī)律、體積分?jǐn)?shù)隨流速變化情況,以及油品在土壤中的遷移時間,模擬過程中,實(shí)時監(jiān)測了油品在土壤中的遷移情況,結(jié)合孔隙度得出了油品的漏油量. 李朝陽等[10]模擬了油品在管道不同位置泄漏后的遷移規(guī)律,研究得出油品在不同位置泄漏時初期呈現(xiàn)比較規(guī)則的滲流面,泄漏一段時間后,不同泄漏位置出現(xiàn)了無規(guī)則滲流面,與其他情況相比,漏油位于正上方在土壤中的擴(kuò)散范圍更大.李林[11]研究了輸油管道在不同位置發(fā)生泄漏后泄漏油品的遷移情況,以及隨著漏油量不斷增大后大地溫度場的變化規(guī)律,結(jié)果得出,土壤溫度場在管道泄漏初始階段變化較為顯著,在管道周圍形成了明顯的熱影響區(qū)域,一段時間后,油品整體遷移速度減小,管道周圍土壤溫度場會因泄漏位置的不同而呈現(xiàn)不同的溫度場.吳國忠等[12]基于埋地輸油管道多點(diǎn)泄漏,建立了油水兩相在土壤多孔介質(zhì)流動的傳熱耦合模型,研究出地表處的漏油擴(kuò)散區(qū)域?yàn)闄E圓形,與單孔泄漏相比,多點(diǎn)泄漏時地表溫度場呈現(xiàn)更為清晰.馬貴陽等[13]對管道漏油前后的大地溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,得出泄漏一段時間內(nèi)大地溫度場在管道附近的波動較為明顯,大地溫度場隨著泄漏時間持續(xù)推移,其溫度場變化趨于穩(wěn)定.龐鑫峰[14]通過CFD數(shù)值模擬了三維埋地輸油管道泄漏的非穩(wěn)態(tài)溫度場,對其模擬結(jié)果進(jìn)行了可行性分析.杜明俊等[15]模擬計(jì)算了大地溫度場在不同泄漏條件下的變化規(guī)律,同時比較分析了輸油管道泄漏前后的大地溫度場.

以上學(xué)者的研究多是分析不同泄漏條件下漏油在土壤中的遷移規(guī)律,以及大地溫度場在泄漏前后的變化情況.而油品在土壤表層的遷移及在空氣區(qū)域的熱擴(kuò)散規(guī)律卻鮮有報道.因此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,在模型建立過程中考慮了空氣層,進(jìn)而可分析出泄漏油品在空氣層中傳熱傳質(zhì)規(guī)律特性,以便為檢測技術(shù)的應(yīng)用提供一定參考價值.

1 數(shù)理模型

(1) 物理模型.圖1為二維埋地輸油管道物理模型,該物理模型由上下兩部分區(qū)域組成,其中上區(qū)域?yàn)榭諝鈱覣BCD,其尺寸為30 m×2 m,下部分區(qū)域?yàn)橥寥缹覤CEF,其尺寸為30 m×15 m.在土壤層中,BF為土壤的左邊界,CE為土壤的右邊界,EF為土壤的底層下邊界.直徑D=500 mm的管道位于土壤對稱中間并距地表面2 m.

圖1二維埋地輸油管道物理模型

Fig.1 Physical model of two-dimensional underground oil pipeline

(2) 數(shù)學(xué)模型.本文數(shù)值模擬的研究以質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程3大守恒方程為理論依據(jù),為埋地輸油管道泄漏介質(zhì)在土壤中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律提供重要支撐.

① 質(zhì)量守恒方程

(1)

式中:μm為流體介質(zhì)的平均流速,即μm=(αoρoμo+αwρwμw+αaρa(bǔ)μa)/ρm,m·s-1;ρm為流體密度,ρm=αoρo+αwρw+αaρa(bǔ),kg·m-3;αo、αw、αa分別為油、水、氣相的體積率;μo、μw、μa分別為油、水、氣相的流速,m·s-1;ρo、ρw、ρa(bǔ)分別為油、水、氣相的密度,kg·m-3.

② 動量守恒方程

③ 能量守恒方程

式中:n為多孔介質(zhì)的孔隙率;ρs為土壤多孔介質(zhì)密度,kg·m-3;λf為流體介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),W·(m·K)-1;λs為土壤多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),W·(m·K)-1;cf為流體介質(zhì)的比熱容,J·(kg·K)-1;cs為土壤多孔介質(zhì)的比熱容,J·(kg·K)-1;T為大地溫度場,即T=T(x,y,t),K;Tf為流體介質(zhì)溫度,K;Ts為土壤多孔介質(zhì)溫度,K.

2 邊界條件

本文管道泄漏的流體介質(zhì)為柴油, 在CFD求解器柴油物性參數(shù)設(shè)置中, 柴油的粘度為0.252 Pa·s,密度為850 kg·m-3,比熱容為1.876 kJ·(kg·K)-1, 導(dǎo)熱系數(shù)為0.127 W·(m·K)-1, 管道泄漏初始時,土壤中的左邊界、右邊界以及下邊界均采用第一熱力邊界條件. 隨著土壤深度的增加,對應(yīng)深度的壓力,以及溫度都會變化, 因此模擬前分別引入了以溫度和壓力為變量的UDF函數(shù), 本文埋地輸油管道物理模型對應(yīng)的UDF函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為:p=150 000-10 000y;T=276-1.2y. 管道泄漏前后土壤層及空氣層各個邊界條件的具體設(shè)置如表1所示.

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary conditions setting

3 結(jié)果分析

本文從泄漏孔處柴油不同泄漏速度角度出發(fā),模擬計(jì)算的結(jié)果有3個方面:不同泄漏速度油品從泄漏初始時刻至擴(kuò)散至地表面處的時間;不同泄漏速度油品擴(kuò)散至地表面一段時間后的遷移情況;不同泄漏速度的油品在土壤及空氣區(qū)域的熱影響區(qū)分布情況.

不同泄漏速度條件下的計(jì)算結(jié)果如圖2～5所示.

圖2 不同泄漏速度油品到達(dá)地表時間Fig.2 Time to reach the surface of different leak rates of oil(a)—0.5 m·s-1,85 s; (b)—1.0 m·s-1,41 s; (c)—2.0 m·s-1,28 s; (d)—4.0 m·s-1,22 s.

圖2為泄漏孔位于管道正上方,油品泄漏速度分別為0.5、1.0、2.0、4.0 m·s-1從初始泄漏時刻到擴(kuò)散至土壤地表面處的傳質(zhì)云圖.由圖2可以看出:不同泄漏速度的油相體積大致相同,近似為圓形,并且對于4種泄漏速度,管道正上方的油相體積明顯大于正下方分布情況.模擬計(jì)算得出了到達(dá)地表的時間,泄漏速度為0.5、1.0、2.0、4.0 m·s-1對應(yīng)油品擴(kuò)散至地表的時間分別為85、41、28、22 s,由此可得出泄漏速度越大,油品到達(dá)地表時間越短.而且,泄漏速度成相同倍數(shù)增加,溢油到達(dá)地表面時間變化差值越來越小,這是因?yàn)橛推肪哂幸欢ǖ恼扯?其需要克服在土壤擴(kuò)散中的粘性阻力、慣性阻力、毛管阻力等,油品的泄漏速度的大小也決定著其在土壤中擴(kuò)散的快慢程度.

圖3為泄漏孔位于管道正上方,油品泄漏速度分別為0.5、1.0、2.0、4.0 m·s-1油品在土壤區(qū)域及空氣層的擴(kuò)散分布情況,由分布云圖可知,油類介質(zhì)在土壤中的徑向擴(kuò)散面積隨著漏油速度的增加而逐漸增大,在地表面處溢油的遷移距離逐漸遞增,且土壤表層的油膜厚度也隨著泄漏速度的增加而變厚.由圖3a可知,輸油管道上方油相體積分布大于下方,隨著泄漏速度變大,大量油品不斷滲流至周圍土壤中,考慮到重力的作用,泄漏速度為1.0、2.0、4.0 m·s-1時,輸油管道下方的油相體積分布大于上方.

圖3 不同泄漏速度的擴(kuò)散分布情況Fig.3 Diffusion distribution of different leakage rates(a)—0.5 m·s-1; (b)—1.0 m·s-1; (c)—2.0 m·s-1; (d)—4.0 m·s-1.

圖4 泄漏時間為200 s時4種泄漏速度條件下地面含油率及油膜厚度Fig.4 Ground oil content and film thickness of four kinds of leak speed when leakage time is 200 s(a)—0.5 m·s-1; (b)—1.0 m·s-1; (c)—2.0 m·s-1; (d)—4.0 m·s-1.

圖4為不同泄漏速度在地表面處提取的油膜厚度及含油率分布點(diǎn).由圖可知,地表面含油率介于0～1 范圍內(nèi),含油率在地表面中心處及附近一定距離處較高,近似為1,然而隨著油品遷移距離的不斷擴(kuò)大,4種情況的地面含油率出現(xiàn)陡降趨勢,并隨之趨于平穩(wěn)狀態(tài),最終油品在未擴(kuò)散區(qū)域的含油率值為0.地表面油膜厚度分布情況與對應(yīng)的含油率曲線走勢大致相近,其中,油膜厚度值在地表中心位置或附近一定距離區(qū)域最大,油膜厚度隨著擴(kuò)散范圍向兩端不斷擴(kuò)大隨之減少,地面含油率及油膜厚度在地表面最大值點(diǎn)數(shù)量隨著泄漏速度的增加,其分布點(diǎn)越多.圖5為不同泄漏速度的熱影響區(qū)分布云圖,由圖5可知,油品在4種泄漏速度的紅色高溫?zé)嵊绊憛^(qū)域大致相同,泄漏油品對周圍土壤的熱影響范圍隨著泄漏速度增加而不斷擴(kuò)大.通過地表及空氣層溫度波及范圍可知,不同泄漏速度的地面溢油對整個空氣層的溫度分布都有較大的影響,且泄漏速度越大,油品對近地表面溫度影響越廣.

圖5 不同泄漏速度的熱影響區(qū)分布云圖Fig.5 Distribution of heat-affected areas of different speed of leakage(a)—0.5 m·s-1; (b)—1.0 m·s-1; (c)—2.0 m·s-1; (d)—4.0 m·s-1.

4 結(jié) 論

本文建立了二維埋地輸油管道泄漏物理模型,應(yīng)用CFD仿真軟件數(shù)值模擬了泄漏油品在土壤區(qū)域及空氣層中的擴(kuò)散和傳熱規(guī)律分布情況,得到的結(jié)論如下.

(1) 當(dāng)泄漏油品擴(kuò)散至地表面時,油相體積分布區(qū)域大致相同,不同泄漏速度油品到達(dá)地表時間隨著泄漏速度的增大而縮短.泄漏速度呈相同倍數(shù)增加,溢油到達(dá)地表面時間變化差值逐漸遞減.

(2) 油類介質(zhì)在土壤中的徑向擴(kuò)散面積隨著漏油速度的增加逐漸增大,在地表面處溢油的遷移距離逐漸遞增,且土壤表層的油膜厚度也隨著泄漏速度的增加而隨之變厚.

(3) 泄漏油品對周圍土壤的熱影響范圍隨著泄漏速度的增加而不斷擴(kuò)大,對于空氣層區(qū)域,不同泄漏速度的地面溢油對整個空氣層溫度都有較大的影響,且泄漏速度越大,油品對近地表面溫度影響越廣.

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