山區(qū)成品油管道泄漏擴(kuò)散分析

賴少川，謝 成，姜紅濤，趙 玨，王 科*

(1.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司，廣東 廣州 510620； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

山區(qū)油氣管道途經(jīng)區(qū)域地形條件復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，給管道的安全運(yùn)行保障帶來了巨大的壓力[1-3]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)成品油管道高后果區(qū)進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)防控，針對(duì)管道因地質(zhì)災(zāi)害等極端情況下斷裂導(dǎo)致的成品油泄漏擴(kuò)散開展環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)平地埋地管道泄漏進(jìn)行了大量的研究。在理論研究方面，眾多學(xué)者通過建立泄漏油品地表擴(kuò)散模型來描述油品的流動(dòng)擴(kuò)散情況，Kapias等[4-6]結(jié)合能量守恒方程建立了液池模型，用以模擬泄漏液體的擴(kuò)散行為并預(yù)測(cè)液池厚度。在此基礎(chǔ)上，Cavanaugh等[7]引入地表狀態(tài)對(duì)液池?cái)U(kuò)散范圍的影響，對(duì)液池模型進(jìn)行了修正。Mclcod等[8]對(duì)比分析了油品在平地和斜坡地帶的擴(kuò)散速率和擴(kuò)散面積規(guī)律，討論了重力在油品擴(kuò)散過程中的影響。Adeyemi等[9]假定管道末端流速不變的情況下，研究了管道發(fā)生泄漏后關(guān)閉緊急截?cái)嚅y的瞬間管內(nèi)流體擴(kuò)散的狀態(tài)。此外，數(shù)值模擬方法在油品的泄漏擴(kuò)散研究得到了廣泛地采用。王新穎等[10]應(yīng)用量綱分析法對(duì)管道泄漏進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了泄漏孔徑、管道運(yùn)行壓力、管內(nèi)流體物性及泄漏速度等因素對(duì)泄漏量的影響規(guī)律。學(xué)者們[11-18]通過建立埋地管道三維模型，模擬埋地管道發(fā)生泄漏后油品在土壤中的滲透擴(kuò)散過程，研究了不同因素對(duì)油品泄漏擴(kuò)散規(guī)律的影響，對(duì)指導(dǎo)泄漏管道的維修、評(píng)價(jià)地層傷害提供了有效的數(shù)據(jù)支持。然而，針對(duì)山區(qū)埋地管道因地質(zhì)災(zāi)害破壞而出現(xiàn)破口時(shí)，泄漏污染物在山地表面的擴(kuò)散規(guī)律缺乏深入的研究。因此，筆者以某山區(qū)成品油管道高后果區(qū)為研究對(duì)象，建立了簡(jiǎn)化山體泄漏擴(kuò)散三維模型，獲得了不同品類的成品油在不同地表?xiàng)l件下沿山體表面的泄漏擴(kuò)散速度和擴(kuò)散面積規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬方法

1.1 簡(jiǎn)化山體模型

通常山區(qū)埋地管道周圍地形特征變化豐富，坡度常呈階梯變化。為了數(shù)值模擬的順利開展，將某高后果區(qū)實(shí)際山體的典型特征提取為陡坡、平壩和溝壑，并考慮了地勢(shì)的變化，建立的三維簡(jiǎn)化模型如圖1所示。模型特征如下：山體總體高度為800 m，在距離山底500 m處有一個(gè)寬為20 m的平壩。平壩上方的山體坡度為25°，平壩下方的山體坡度為35°，且存在一條不規(guī)則的溝壑(長(zhǎng)度為1 520 m，上、下寬分別為20、100 m，深5 m)。埋地管道管徑為406.4 mm，壁厚為12.7 mm，運(yùn)行壓力為8 MPa。當(dāng)位于距離山坡頂部為67 m處的該管道在滑坡作用下發(fā)生斷裂并暴露在山體表面，且殘余管道與斜坡表面平行，成品油在管內(nèi)高壓作用下從管道破口處噴射并沿山體表面快速流動(dòng)。

圖1 山體簡(jiǎn)化模型

1.2 計(jì)算域及其網(wǎng)格劃分

以簡(jiǎn)化山體表面為基準(zhǔn)，構(gòu)建泄漏成品油泄漏擴(kuò)散流體域模型。由于存在山腰平壩和溝壑等特殊的地形特征及殘余管道的影響，利用ICEM軟件并采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)泄漏口和溝壑處的網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)加密，如圖2所示。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量為180萬。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 流體物性及計(jì)算條件

為了研究管道內(nèi)不同種類的成品油在發(fā)生泄漏時(shí)在山地表面的擴(kuò)散情況，選取管道內(nèi)輸送的介質(zhì)分別為93#汽油、煤油和0#柴油，其物性如表1所示。

表1 成品油種類及其物性(20 ℃)

當(dāng)出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致埋地管道破裂時(shí)，由于管道內(nèi)運(yùn)行壓力較高，破口處泄漏成品油瞬時(shí)速度高達(dá)150 m/s左右。但由于山區(qū)地形起伏變化以及當(dāng)出現(xiàn)破管事故后關(guān)斷閥門等應(yīng)急響應(yīng)措施，管道破口處成品油泄漏速度波動(dòng)并逐漸減小。由于目前缺乏針對(duì)管道突然失壓時(shí)管內(nèi)流體壓力及泄漏速度非線性變化規(guī)律的研究，筆者針對(duì)泄漏口處成品油初始速度分別為35、60 m/s和85 m/s情況下泄漏污染物在山體表面的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究。

山區(qū)成品油管線途經(jīng)區(qū)域地表多覆蓋短草或灌木。為了分析不同地表情況對(duì)成品油泄漏擴(kuò)散規(guī)律的影響，將短草和灌木以地表粗糙度進(jìn)行表征，并以理想光滑地表為參照，如表2所示。

表2 不同植被覆蓋情況下的地表特征[19]

1.4 數(shù)值方法及數(shù)據(jù)處理

筆者利用ANSYS FLUENT軟件并采用VOF方法捕捉泄漏成品油在山體表面的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散特征。邊界條件為速度入口和壓力出口。計(jì)算采用隱式、離散求解這一非穩(wěn)態(tài)過程，選擇RNGk-ε模型，并采用強(qiáng)化壁面處理法處理山體表面，對(duì)于氣液相界面瞬態(tài)追蹤選擇Geo-Reconstruct精確捕捉相界面變化，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1×10-2s。借助圖像分析軟件Image-Pro Plus對(duì)不同時(shí)刻泄漏的成品油在山體表面的擴(kuò)散面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[20]?；诔叽鐦?biāo)定，通過建立圖像像素間距與實(shí)際空間尺寸數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出擴(kuò)散面積隨時(shí)間的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 初始泄漏速度的影響

圖3為成品油在泄漏口初始流速U0分別為35、60 m/s和85 m/s時(shí)0#柴油在光滑山體表面的擴(kuò)散規(guī)律隨時(shí)間的變化特征(其中，藍(lán)色區(qū)域?yàn)橛推肺锤采w區(qū)域，紅色區(qū)域?yàn)橛推犯采w區(qū)域)。結(jié)果表明：泄漏口成品油的初始速度對(duì)油品在山體表面的擴(kuò)散形態(tài)有著顯著的影響，擴(kuò)散面積隨著泄漏初始速度的增大而減小。當(dāng)初始速度較大時(shí)，油品在管內(nèi)高壓的作用下沿山體表面噴射，擴(kuò)散范圍在流至山腰平壩前呈現(xiàn)“液柱狀”，同時(shí)沿橫向緩慢擴(kuò)散。由于平壩對(duì)泄漏成品油形成一定緩沖并改變其流動(dòng)方向，油品流動(dòng)速度減小并在平壩上鋪展，隨后沿山坡繼續(xù)向下流動(dòng)。值得注意的是，由于溝壑的存在，部分油品將沿著溝壑向下流動(dòng)。當(dāng)泄漏初始速度較小時(shí)，擴(kuò)散范圍在流至山腰平壩前呈現(xiàn)“淚滴狀”。由于油品慣性的減小導(dǎo)致其在山腰平壩的滯留時(shí)間增加，使得其在平壩上的擴(kuò)散面積顯著增大，最終導(dǎo)致泄漏的成品油在下山坡處的污染面積增大。圖4定量描繪了不同初始泄漏速度條件下成品油在山體表面的擴(kuò)散面積隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖3 泄漏口成品油初始流速對(duì)泄漏污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響

圖4 不同流速條件下油品泄漏面積隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

2.2 油品物性的影響

圖5分別給出了當(dāng)泄漏口成品油初始速度U0為60 m/s時(shí)93#汽油、煤油和0#柴油在光滑表面的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散規(guī)律。雖然不同成品油的物性存在一定的差異，但是三者在山地表面的擴(kuò)散規(guī)律幾乎一致，定量統(tǒng)計(jì)泄漏的成品油在山地表面的擴(kuò)散面積隨時(shí)間的變化也證明了這一點(diǎn)，如圖6所示。

圖5 成品油種類對(duì)泄漏污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響 (i. 93#汽油， ii. 煤油， iii. 0#柴油)

圖6 不同種類油品泄漏面積隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

2.3 地表植被的影響

圖7分別為泄漏口成品油初始速度U0為60 m/s時(shí)，泄漏成品油在光滑地表、短草和灌木覆蓋3種地表情況下的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散規(guī)律，圖8為成品油在山地表面的擴(kuò)散面積隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：油品在光滑表面與有植被覆蓋表面的擴(kuò)散范圍明顯有較大的差異，這是由于短草和灌木的存在增加了泄漏污染物在山體表面擴(kuò)散時(shí)的流動(dòng)阻力，限制了其擴(kuò)散面積的增長(zhǎng)。值得注意的是，雖然短草和灌木覆蓋表征出不同表面粗糙度，然而泄漏的成品油在這2種地表擴(kuò)散的規(guī)律相似。原因是由于成品油在山坡上的流速較快，而模擬中假設(shè)短草和灌木在地表均勻覆蓋且間距差異較小，成品油在流動(dòng)過程中所受到流動(dòng)阻力的影響差異較小。

圖7 地表植被覆蓋情況對(duì)對(duì)泄漏污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響

圖8 不同地表?xiàng)l件下油品泄漏面積隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

筆者建立了實(shí)際山體三維簡(jiǎn)化模型，對(duì)不同泄漏口成品油初始速度、成品油種類以及地表植被覆蓋情況下的泄漏污染物在山地表面的擴(kuò)散規(guī)律開展數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：泄漏口成品油的初始速度對(duì)泄漏污染物在山體表面的擴(kuò)散形態(tài)有著顯著的影響，擴(kuò)散面積隨著成品油初始速度的減小而增大。同時(shí)，山體的特征如坡度和溝壑等對(duì)泄漏污染物的擴(kuò)散面積有重要的影響，但是隨著成品油初始速度的增大該影響逐漸減小。此外，存在短草或灌木等植被覆蓋的山地表面由于流動(dòng)阻力的限制導(dǎo)致泄漏污染物擴(kuò)散面積相較于光滑山地表面減小，但是對(duì)于均勻分布植被的地表而言，擴(kuò)散面積對(duì)粗糙單元高度不敏感。從結(jié)果可以看出，山區(qū)成品油管道一旦發(fā)生破裂等嚴(yán)重泄漏事故，泄漏污染物將在短時(shí)間內(nèi)在山地表面擴(kuò)散較大的面積，很難在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)采取行動(dòng)。為了避免造成大范圍環(huán)境污染，建議在山底布控圍油欄。