穿越河流輸油管道泄漏擴散數值模擬

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）

管道作為五大運輸工具之一，在運輸油品方面具有獨特的優勢。由于我國地形復雜多變，長距離敷設的輸油管道會不可避免的要經由河流，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生，造成嚴重的經濟損失和社會影響。可見對管道泄漏的檢測研究具有極為重要的現實意義[1,2]。由于管道所處環境及其本身所輸送的介質的形式多樣，導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], 此方法可以及時準確檢測管線泄漏的發生，為此對管道泄漏后油品擴散規律的研究顯得極為重要。目前對泄漏擴散數學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散問題的研究還很少[6]，雖有對穿越河流管道泄漏進行研究，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散的影響。

本文基于計算流體力學軟件，采用VOF模型對穿越河流輸油管道泄漏擴散進行數值模擬。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散規律。分析了泄漏口速度和河水流速度對油品擴散的影響，總結油品的擴散規律，可為電纜檢漏技術檢測穿越河流輸油管道泄漏提供理論依據。

1 計算模型

土壤作為一種多孔固體介質，流體在其中流動時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，當泄漏發生時油水具有明顯的分界面。當埋地管道發生泄漏時，油品在多孔介質中的流動比較復雜，且泄漏點的壓強，速度，體積分數較大，計算相當復雜，有限容積法是處理該類問題的常用方法。油品滲流符合達西定律，其質量守恒、動量守恒、能量守恒方程如下：

質量守恒方程：

式中：U—流體速度，m/s；

ρf—流體的密度，kg/m3；

t—時間，s。

動量守恒方程以x方向為例：式中：u，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，m-1；ε—孔隙比；

p—孔隙壓力，Pa；

Dp—粒子直徑，mm；

μ—流體動力粘度，Pa·s。

能量守恒方程：

式中：Ef—流體總能，J；

Es—固體介質總能，J；

r—介質孔隙度；

keff—流體焓源項，J/kg。

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

ks—固體導熱率，W/(m·K)。

體積分數方程：

式中：—p相到q相的質量分數輸送；

如果相下標用1、2表示若第二項的體積分數被跟蹤，每一單元中的密度為：

2 數值計算及結果分析

為研究水下輸油管道泄漏后油的分布情況選取一工況進行數值模擬。模擬區域：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，方向為管道正上方。模擬環境溫度為常溫，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散的影響。土壤為多孔介質，孔隙度為0.267。油由漏口流出，其泄漏口附近一定范圍內速度梯度很大，為提高計算精度，對漏口附近網格進行適當加密。網格模型如圖1(b)。

為研究油品泄漏后在土壤中和水流中的擴散規律，對圖2，圖3，圖4，圖5進行分析。

其中圖2為在2 m/s泄漏速度，泄漏8 s時不同水流速度下的油相分布，本為稱此時期為泄漏初期。由圖2可以看出泄漏8 s時油品剛剛滲透過土壤開始向水中擴散，在此之前水流對油品擴散影響很小，油品在土壤中的泄漏形狀大致相同，成不規則半圓形 。分析原因可能為：泄漏初期土壤對油品的擴散具有一定的阻礙作用，油品需克服土壤毛細阻力、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，分布形狀比較規則。

圖3 為泄漏40 s時不同水都條件下油相分布，本為稱此時期為泄漏中期。由圖3可以看出此時油品開始向水中擴散，水對油品擴散的阻力相對土壤對油品的阻力小的多，油品迅速向水中擴散，數秒間已經將接近水面，此過程中水對油品的擴散影響很大，圖 3(a)中可以看出油品雖然已經接近水面，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散速度影響并不大，油品擴散的速度比較小，即0.05 m/s的水速對油品的擴散影響不大。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，此時水流速度對油品沿水流方向的擴散速度影響較大，油品擴散的速度較大，即0.1m/s的水速可以促進油品在水中的擴散。圖 3(c)中可以看出相同泄漏時間內，當水速較大時會對油品的初期擴散影響較大，油品會在土壤表面附近溢流一段時間。分析其原因可能為較大的水速對從土壤中擴散出來的油品形成短暫的阻礙作用，此過程中油品的擴散速度最慢，即0.2 m/s的水都對油品的擴散有阻礙作用。

圖3 泄漏40 s時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時不同水速條件下油相分布，圖5為泄漏360 s時不同水速條件下油相分布，本為稱此時期為泄漏后期。對比圖4與圖5可以看出隨著泄漏時間的推移，油品在土壤中的擴散成不規則幾何圖形，泄漏160 s時水流的大小對油品的擴散影響很大，速度越大油品的橫向擴散范圍越大，且濃度較高，泄漏360 s時油品已接近水表面，且水速越大，接近水表面所需要的時間越短。可以看出速度越大在水表面的擴散范圍越大，油品長期漂浮在水表面，對水域照成嚴重的污染，水流速度較大時油品的擴散會出現溢流現象，不容易被發現，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 結論及建議

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

［1］李劉建．液化石油氣管線泄漏事故分析及預測[J]．科技資訊，2008，2(4)：58-59．

［2］王衛強,等.水下輸油管道泄漏數值模擬[J].節能技術，2011,7(4):311-313.

［3］森村正直，正崎弘郎．傳感器技術［M］．黃香泉,譯．北京：科學出版社，1988：50-60．

［4］Chet Sandberg．The Application of a Continuous Leak Detection System to Pipeline and Associated Equipments[J]．IEEE Transeation On Industry Application，Sep-Oct，1989，25(5)：906-909．

［5］葉峰，廖開貴，張亞明，蔣宏業．天然氣管道泄漏數值模擬的研究[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值模擬[C]．2008