埋地管道在不同含水率的土壤中泄漏數值模擬

李 澤，馬貴陽，常方圓

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

埋地管道在不同含水率的土壤中泄漏數值模擬

李 澤，馬貴陽，常方圓

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

針對管道在土壤中發生泄漏問題，借助CFD軟件及采用有限容積法建立土壤多孔介質中油氣水三相流的流固耦合數學模型，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散分布情況。模擬結果表明：泄漏前，管道周圍溫度場分布相同，均呈橢圓形分布，熱影響區溫度由內向外逐漸降低。泄漏后，三種情況下，油品在土壤中運移趨勢基本相同，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間內油品的泄漏量不同。

埋地管道；泄漏；數值模擬；溫度場

埋地管道作為當今主要的運輸工具，具有許多優越的特點，我國現役管道多數使用期已經超過20年，處于事故高發階段。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生，不僅對環境造成嚴重的污染，而且帶來巨大的經濟損失和資源浪費，給人們的生活生產產生重大的影響。因此，科學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是根據管道泄漏前后周圍溫度場變化為依據的檢測技術，具有精度高、自適應能力強、數據傳輸和讀寫速度快等優點，是檢測技術的主要研究方向，應用前景廣泛[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中油氣水三相流數學模型，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散分布情況，為管道泄漏檢測提供一定的理論依據。

1 數學模型

1.1 流固耦合傳熱模型

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

（1）質量守恒方程:

式中： U ——流體速度，m/s ;

ρf——流體密度，kg/m3；

t ——時間，s。

（2）動量守恒方程

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 ——流體動力粘度，Pa·S；

α ——多孔介質滲透率，m3，；

c2——慣性損失系數，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——固體介質總能，J；

γ ——介質孔隙度，1；

ρs——固體密度，kg/m3；

keff——介質有效熱導率，W/(m·K)；

kf——流體熱導率，W/(m·K)；

ks——固體熱導率，W/(m·K)；

1.2 邊界條件

（1）在y=0 處，

式中：T ——土壤溫度，K；

Tk——環境溫度，K；

αk——對流換熱系數，W/(m2·K)；

w ——風速，m/s。

（3）在r=RN處，

式中：RN——管道內徑，m；

αh——原油與管道內壁的對流換熱系數，W/(m2·K)；

Tw——原油溫度，K。

（4）在y=y0處，T=Tm為地下恒溫層。

2 數值模擬及結果分析

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，地表環境溫度-20 ℃，平均風速1 m/s，土壤密度1 680 kg/m3，比熱2 225 J/(kg·K)，導熱系數1.512 W/(m·K)。土壤初試溫度為-2 ℃，地下恒溫層溫度為8 ℃，管內油溫52 ℃，密度870 kg/m3，比熱2 150 J /(kg·K)，導熱系數0.14 W/(m·K)，粘度2.27×10-4Pa·S。泄漏口直徑 30 mm，根據管道內外壓力得泄漏口初試流速0.5 m/s，計算區域為5 m×5 m，采用三角形網格對管道周圍土壤區域進行單元劃分[9]（如圖1），基于管壁及泄漏口附近溫度梯度較大，對網格劃分必須加密，以確保能夠準確捕捉到溫度的變化。熱油管道經過長期運行形成了穩定的溫度場（如圖 2），管道周圍土壤等溫線呈橢圓形分布，溫度由內向外逐次降低，該溫度場是管道泄漏時的初試條件，對管道泄漏后土壤溫度場的變化具有重要影響。

圖1 管道周圍土壤區域網格圖Fig.1 Regional grid picture of soil around the pipeline

圖2 管道泄漏前穩態溫度場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時管道周圍溫度場隨泄漏時間變化等值線圖。

圖3 土壤含水率為0時管道周圍溫度場隨泄漏時間變化等值線圖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則，隨著泄漏時間的延長，等溫線向四周擴散，近似鋸齒形狀分布。根據管道泄漏后不同時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，油品在干土中運移速度比較快。

圖4 土壤含水率為0時不同時刻土壤中原油分布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時管道周圍溫度場隨泄漏時間變化等值線圖，同樣可以看出，泄漏初期，管道周圍溫度場變化迅速，一段時間后溫度場變化速率減慢并趨于平穩。

圖5 土壤含水率為0.1時管道周圍溫度場隨泄漏時間變化等值線圖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290 K等溫線大約向下移動0.1 m。由管道泄漏后不同時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，對泄漏油品的運移起到了阻滯，導致油品運移速度降低，經過計算得出，土壤含水率為0.1時比含水率為0時泄漏相同時間的泄漏量少。

圖6 土壤含水率為0.1時不同時刻土壤中原油分布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時管道周圍溫度場隨泄漏時間變化等值線圖。

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生改變，由圖3、5、7可看出，泄漏時間相同，含水率越高等溫線向上移動速度越慢，這是因為水的導熱系數小于土壤的導熱系數，所以管道泄漏后，土壤中的水分吸收了油品的一部分熱量，導致油品傳遞的熱量減少，但土壤含水率越高，泄漏同樣時間，在x方向上等溫線發生改變的速度越快。圖8是土壤含水率為0.2時不同時刻土壤中原油分布圖。

圖7 土壤含水率為0.2時管道周圍溫度場隨泄漏時間變化等值線圖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時不同時刻土壤中原油分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，泄漏相同時間油品向上移動速率越慢，油品邊緣越粗糙。

3 結 論

埋地管道是重要運輸工具，管道的安全穩定運行對石油、化工等行業具有重要的意義，所以快速準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現檢測的分布式光纖技術提供理論依據。通過本文數值模擬，得出以下結論：

（1）土壤含水率對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速度越慢，水平方向上移動速度越快。據此，合理安置檢測裝置，根據管道周圍溫度場的變化快速發現泄漏泄漏點，及時有效的采取措施。

（2）一定范圍內，土壤含水率越高，相同時間內泄漏量越少。

（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果與實際情況相符，更好的為管道檢測提供依據。

［1］馬貴陽，杜明俊，付曉東，等. 管道冬季泄漏土壤熱波動及原油滲流數值計算[J]. 西南石油大學學報（自然科學版），2010，32（6）：169-174.

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

［3］雷朝.輸油管道泄漏檢測系統的設計與優化[J].天然氣與石油. 2010，28（5）:19-21

［4］Singh B.NACE Interview：integrity management solutions for offshore pipeline corrosion[J]. Pipeline & Gas Journal，2011，238（3）：20-22

［5］王曉冬. 滲流力學基礎[M]. 北京：石油工業出版社，2006.

［6］潘鑫峰. 寒區地下輸油管道泄漏熱影響區域溫度場數值模擬[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散范圍計算[J].石油化工高等學校學報，2012，25（6）：56-58

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

［9］吳國忠，陳超. 埋地管道傳熱數值模擬網格劃分方法[J], 大慶石油學院學報，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。E-mail：137531081@qq.com。