水下輸油管微孔溢油的實(shí)驗(yàn)研究

臧曉剛，張　軍，陳懷民，盧盛燦

（1.集美大學(xué)　輪機(jī)工程學(xué)院，福建　廈門　361021；2.集美大學(xué)　機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建　廈門　361021）

水下輸油管微孔溢油的實(shí)驗(yàn)研究

臧曉剛1，張軍2*，陳懷民2，盧盛燦1

（1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021；2.集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建廈門361021）

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

水下管道；微孔溢油；實(shí)驗(yàn)研究

隨著海上石油開采業(yè)的快速興起，水下溢油的風(fēng)險(xiǎn)也隨之提高。水下溢油會(huì)對(duì)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(yù)防、溢油應(yīng)急處理以及環(huán)境損害評(píng)估提供參考是十分必要的。從20世紀(jì)70年代起，國外已經(jīng)開始對(duì)海洋溢油問題進(jìn)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(shí)地實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證；美國克拉克森大學(xué)的Yapa和Zheng等人［2-3］在21世紀(jì)初建立了一個(gè)比較完善的溢油模型CDOG，該模型考慮到了溢油的擴(kuò)散、溶解以及卷吸的作用，能夠模擬溢油在海洋環(huán)境中復(fù)雜的行為動(dòng)態(tài)。近20多年，國內(nèi)學(xué)者也開展了海底溢油的相關(guān)研究。汪守東和沈永明［4］對(duì)Yapa的CDOG模型進(jìn)行推廣，并在其基礎(chǔ)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(yù)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(shí)情況下油氣輸移分離的動(dòng)態(tài)行為；王晶［6］對(duì)海底管線溢油在水中運(yùn)移擴(kuò)散過程以及影響其擴(kuò)散的主要因素進(jìn)行研究，分析了各種因素對(duì)所形成油滴尺寸的影響情況。上述研究均是針對(duì)水下大流量泄漏而產(chǎn)生的溢油，對(duì)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(duì)環(huán)境的破壞具有長期性的特點(diǎn)，因此不容忽視。鑒于此，本文對(duì)靜水箱中輸油管的微孔溢油在水體中的擴(kuò)散行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)段，在實(shí)驗(yàn)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(gè)孔的開閉，孔兩側(cè)各布置一臺(tái)壓強(qiáng)傳感器以及流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)段間的壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)段壓強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)配置簡圖

實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)所采集的壓力傳感器讀數(shù)將溢油孔處的壓強(qiáng)調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)所需值，待壓強(qiáng)穩(wěn)定后打開待測溢油孔處的螺釘，同時(shí)操作計(jì)算機(jī)開始采集數(shù)據(jù)。溢油孔處的壓強(qiáng)取溢油孔兩側(cè)壓強(qiáng)傳感器的平均值，泄漏流量通過溢油孔前后兩臺(tái)流量計(jì)之間的差值確定。溢油圖像由Sony ILCE-5100相機(jī)采集，相機(jī)錄像頻率為每秒50幀，相機(jī)直接與計(jì)算機(jī)相連并將圖像按幀輸出，即可由水槽外壁的透明標(biāo)尺按比例計(jì)算得出油滴的上升距離、羽流的形態(tài)和到達(dá)水面所需時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用油為0號(hào)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(shí)驗(yàn)所用0號(hào)柴油、水物性參數(shù)表

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照上述實(shí)驗(yàn)配置，分別對(duì)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(dá)水面的時(shí)間等進(jìn)行分析，并討論了不同尺寸微孔泄漏與出流系數(shù)的關(guān)系。

2.1泄漏量對(duì)羽流形態(tài)的影響

圖2為實(shí)驗(yàn)過程中拍攝的不同泄漏量時(shí)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(shí)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(dú)立油滴的形式進(jìn)入水體。由于微孔泄漏的溢油孔尺寸小，單位時(shí)間的溢油量也非常小，因此溢油從孔中溢出后不會(huì)出現(xiàn)大流量溢油情況下的油柱射流，而是直接進(jìn)入浮射羽流階段，即溢油從溢油孔泄漏后直接破碎成細(xì)小的油滴，并在初始動(dòng)量的推動(dòng)下不斷擴(kuò)散開形成煙羽狀。

由實(shí)驗(yàn)圖片可以看出，溢油量變大的同時(shí)，羽流寬度隨之增加。這是因?yàn)橐缬瓦M(jìn)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(jìn)入羽流，同時(shí)不斷移動(dòng)、變形、分裂，并加劇紊動(dòng)，從噴射口周邊開始沿程形成內(nèi)外自由紊動(dòng)混合層［7］。在卷吸作用下，溢油帶動(dòng)周圍流體一起向前運(yùn)動(dòng)，這一過程中不斷有水進(jìn)入到羽流內(nèi)部，進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)量的交換。溢油與周圍流體發(fā)生摻混的同時(shí)，其射流區(qū)域不斷擴(kuò)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(jìn)入水體時(shí)的初速度也不斷增加，溢油的初始動(dòng)量也就越來越大，卷吸作用不斷加劇，因此會(huì)將更多的水摻混進(jìn)羽流中，所以溢油量變大的同時(shí)，羽流寬度隨之變寬。

從實(shí)驗(yàn)圖片中可以明顯看出，當(dāng)泄漏量為3.84×10-6m3/s時(shí)，油滴尺寸較大，油滴顆粒分明；當(dāng)泄漏量增大為7.49×10-6m3/s時(shí)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(shí)油滴尺寸繼續(xù)變小，此時(shí)羽射流中心已經(jīng)開始略有霧化，難以區(qū)分單個(gè)油滴，但羽射流外側(cè)油滴顆粒依然可以憑肉眼辨別；當(dāng)泄漏量增大至1.48×10-5m3/s時(shí)油滴直徑變得十分細(xì)小，此時(shí)羽射流已接近霧化，憑肉眼難以分辨單個(gè)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(shí)際上是羽射流動(dòng)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(dòng)能越來越大，油滴在克服表面張力做功的過程中將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為表面能，羽射流的動(dòng)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(huì)在動(dòng)能轉(zhuǎn)化為表面能的過程中不斷破碎成更細(xì)小的油滴以增大其表面積，所以泄漏量增大的同時(shí)，油滴的直徑會(huì)不斷減小。

圖3為溢油量為8.64×10-6m3/s時(shí)泄漏孔孔徑d分別為3 mm，2.5 mm和2 mm時(shí)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(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，孔口大小對(duì)油滴尺寸有較大影響。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一定流量的油通過泄漏孔進(jìn)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(xiàn)［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(huì)在孔口處不斷積累直至體積足夠大以產(chǎn)生相應(yīng)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(huì)增大。

2.2泄漏點(diǎn)處壓差與泄漏量的關(guān)系

泄漏點(diǎn)處液體泄漏量可以用伯努利方程計(jì)算得出。計(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)測得；d為溢油孔直徑；Δp為孔內(nèi)外壓強(qiáng)差，其中孔內(nèi)壓強(qiáng)可由壓力傳感器測得，孔外壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)軟件擬合求得的3種不同孔徑下壓差與泄漏量的關(guān)系情況。經(jīng)計(jì)算求得當(dāng)溢油孔孔徑分別為2.0 mm，2.5 mm和3.0 mm時(shí)，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(duì)泄漏量的影響

可以看出，出流系數(shù)μ會(huì)隨著孔徑的增大而增大。對(duì)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(quán)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(huì)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(dá)水面時(shí)間

實(shí)驗(yàn)過程由安裝在溢油孔正前方的 Sony ILCE-5100數(shù)碼攝像機(jī)拍攝，相機(jī)直接與計(jì)算機(jī)相連并將錄像按幀輸出，由此計(jì)算得出各孔徑在不同泄漏量下首粒油滴到達(dá)水面所需時(shí)間。由于相機(jī)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(shí)間以秒計(jì)量，因此由此方法測得溢油上浮至水面的時(shí)間精度較高，對(duì)結(jié)果的影響較小，所測得時(shí)間值準(zhǔn)確度較高。最終得出各孔徑在不同泄漏量下首粒油滴到達(dá)水面所需時(shí)間如圖5所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在孔徑不變的情況下，隨著溢油孔單位時(shí)間溢油量的增加，首粒油滴到達(dá)水面的時(shí)間有明顯縮短的趨勢(shì)；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(shí)間縮短。

圖5　不同泄露量下油滴到達(dá)水面的時(shí)間

在微孔泄漏過程中，溢油的動(dòng)量變化情況大致可以分成兩個(gè)階段。第一階段，溢油在泄漏源的壓力作用下進(jìn)入水體中并立即破碎成為細(xì)小的油滴，它們?cè)诔跏紕?dòng)量和水體浮力共同作用下形成浮射流并處于主動(dòng)輸移狀態(tài)，這一階段的總動(dòng)量以其初始動(dòng)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(dòng)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(shí)油滴所具有的總動(dòng)量以浮力所產(chǎn)生的動(dòng)量為主。由于本實(shí)驗(yàn)溢油孔與水面之間的距離較短，油滴群進(jìn)入羽流階段時(shí)已經(jīng)接近水面，因此在溢油上升的過程中浮射流階段對(duì)油滴上升至水面所需的時(shí)間影響較大，羽流階段對(duì)其影響較小，也就是說初始動(dòng)量的大小對(duì)油滴上浮至水面所需時(shí)間的長短起到了決定性作用。單位時(shí)間內(nèi)的泄漏量越大，溢油上浮至水面所需的時(shí)間就越短，這是因?yàn)樵诟∩淞麟A段，泄漏量的增大導(dǎo)致了溢油整體的初始動(dòng)量增加，因此溢油在泄漏點(diǎn)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(shí)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(guān)，因此油滴的尺寸增大會(huì)明顯導(dǎo)致其所受浮力增大，而浮力越大，其上升時(shí)的加速度也就越大，距離一定，上升時(shí)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(shí)間會(huì)明顯縮短。

3　結(jié)論

對(duì)本文實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行分析，可得以下結(jié)論：

（1）當(dāng)溢油過程屬于微孔泄漏時(shí)，溢油不會(huì)形成連續(xù)的油柱，而是以油滴的形式進(jìn)入水體。相同溢油孔徑的情況下，單位時(shí)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(xì)小；而泄漏量相同時(shí)，溢油孔尺寸越大，油滴直徑也就越大。

（2）通過實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)微孔泄漏的出流系數(shù)會(huì)隨著溢油孔尺寸的增大而增大。

（3）單位時(shí)間溢油的泄漏量對(duì)油滴上浮至水面的時(shí)間影響較大，單位時(shí)間內(nèi)溢油量越大，油滴上浮至水面所需的時(shí)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(shí)間也越短。

由于實(shí)驗(yàn)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(kuò)散特性。深海溢油過程由于會(huì)產(chǎn)生大量水合物，而生成水合物這一過程對(duì)溢油的擴(kuò)散過程又有較大影響，因此本實(shí)驗(yàn)結(jié)論只適用于淺水區(qū)域輸油管路微孔溢油情況。針對(duì)深水區(qū)微孔溢油的擴(kuò)散特性情況有待做進(jìn)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(xué)模型研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，S1:191-197.

［5］廖國祥，高振會(huì)，熊德琪.水下油氣溢漏事故污染物輸移預(yù)測模型［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，04:115-120.

［6］王晶.海底管線溢油在水體中的運(yùn)移擴(kuò)散過程研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，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(xué)，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(xué)基金資助項(xiàng)目（2014J01201）；福建省科技計(jì)劃資助項(xiàng)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?yàn)槎嘞嗔黧w流動(dòng)、流體靜電霧化技術(shù)、海洋能利用、流體機(jī)械優(yōu)化等。E-mail：bull0202@sina.com