Z形管不同位置泄漏的数值模拟

杜义朋，王为民，马 跃，于丽丽，张纯静，高艳波，张国军

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

Z形管不同位置泄漏的数值模拟

杜义朋，王为民，马 跃，于丽丽，张纯静，高艳波，张国军

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

油气管道的泄漏易引发重大的安全事故并造成巨大的经济损失，特别是我国有些地区管网运行已有 30多年，发生泄漏几率很大。及时发现管道泄漏事故并作出合理的解决方案，对控制事故的发展和减少由此带来的损失有着重要的意义。利用CFD仿真软件和有限容积法借助多相流VOF模型，研究了上下两个弯头的Z形管不同漏点的复杂工况，考虑了重力的影响，对其压力场进行了数值模拟，并对不同位置漏点对泄漏的影响做出了理论分析。

Z形输油管； 泄漏； 数值模拟

中国管道工业发展至今已有50多年的历史，我国在役特别是以东北管网为代表的输油管道已经运行了30年以上，经过多年腐蚀及内外冲刷后，存在严重的安全隐患，导致泄露的可能性很高[1,2]。

油气管道的泄漏易引发重大的安全事故并造成巨大的经济损失，及时发现管道泄漏事故对控制事故的发展和减少由此带来的损失有着重要的意义。各国科技人员相继开发了一系列油气管道泄漏监测技术[3-5]，主要有：负压波泄漏监测技术[7]、音波泄漏监测技术[8]、质量平衡法[9]、实时模型法、统计分析法等等。但是在复杂工况下，各种方法都存在各自的不足[10]。如何经济有效地减少漏报误报，及时准确的监测管线，防止和减少泄露的发生，对于管线的安全运行、人民群众和国家的财产安全以及环境保护都有着重要意义[11]。

利用CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真软件和有限容积法借助多相流VOF(Volume of Fluid)模型[12]，研究上下两个弯头的Z形管不同漏点的复杂工况，对其压力场进行了数值模拟，并对不同位置漏点对泄漏的影响做出了理论分析。

1 几何模型

以某输油Z形管道为例，公称管径为720 mm，两个弯头的弯径比都为2。弯头外侧泄漏口径为80 mm，原油进口速度为2 m/s，含水率为20%，考虑重力影响，建立二维模型。几何模型见图 1，出口与泄漏口均采用压力出口，并对泄漏口附近区域采用局部加密技术进行网格划分。

图1 Z形管几何模型Fig.1 Z-shaped pipe geometry

2 控制方程

2.1 有限元法

本文采用了处理这种问题常用的有限元法得到了该问题的，体积分数方程：

式中：mpq是p相到q相的质量输送，mqp是q相到p相的质量输送，若q相体积分数被跟踪，则每一单元的密度为：

2.2 湍流方程

考虑到泄漏处流动复杂且油水密度比较接近，本文采用了标准的k- 双标准方程[4]。模型中定义为：

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb是由于浮力影响引起的湍动能产生；为可压缩湍流脉动膨胀对总得耗散率的影响；为经验常数，取 1.92、取0.09；分别为湍动能和湍动耗散率对应的普朗特数，为湍动普朗特数，取0.85；gi为重力加速度在i方向上的分量；Mt为湍动马赫数，a为声速。

3 数值模拟结果及理论分析

在泄漏口径为0.08 m时，分别选取原油速度1.5,2, 2.5 m/s进行数值模拟。Z形管上下弯头泄漏压强分布图分别如图2、图3所示。

图2 Z形管下部弯头泄漏时不同输送速度等压图Fig.2 Lower Z-shaped elbow pipe leakage pressure diagram under different transmission speed

图3 Z形管上部弯头泄漏时不同输送速度等压图Fig.3 Z-shaped pipe upper part leakage pressure diagram under different conveying speed

由图2、图3可知，泄漏口径不变随着流速的增加，等压线分布越来越稀疏，压力梯度增大。速度越大管壁外侧负高压区增大，最大压力亦增大。特别是，Z形管上部弯头在输送速度由2 m/s到2.5 m/s时最大压力值急剧减小，从-800帕减小到-1 500帕。速度越大管壁内侧负压区增大，最大负压值亦增大。特别是，Z形管上部弯头在输送速度由2 m/s到2.5 m/s时最大负压值急剧增大，从600帕升高到150帕。这是由于油流流经弯头时，由于离心惯心力的作用，外壁压力升高，内壁压力降低；这样，靠近外壁产生扩散效应，内壁则产生收敛效应。又由于离心惯性力的作用，油流在弯管中力图向外壁方向流动，因此加强了油流对内壁的脱离。

4 结束语

（1）分析了 Z形管上下弯头泄漏且考虑重力影响的压力场，对泄漏后压力场的变化进行了数值模拟。

（2）通过对比发现，Z形管上部弯头泄漏与下部弯头泄漏在速度相对较小时压力随输送速度增大逐渐增大，但是速度相对较高时，特别是在 2 m/s到2.5 m/s的范围内上部弯头压力场变化剧烈。因此对于Z形管的复杂工况，单一考虑一个弯头且忽略重力是有待完善的。

（3）鉴于上下弯头不同情况，在泄漏时通过增大流速来减少相对漏油量的方法[13]在具体实施过程中，对于上下弯头泄漏时采取的措施应该分别制定，特别是在合适流速的选取上。

［1］余洋．2007年中国油气管道发展综述[J]．国际石油经济，2008(3)：45-51.

［2］蒲明．中国油气管道发展现状及展望[J]．国际石油经济，2009(3)：40-47.

［3］ Witness Mpesha,Sraha L.Gssaman,M.Hanif Chaudhry. Leak detection in pipes by frequency response method[J].Journal of Hydraulic Endineering,2001(2)：134-147.

［4］王雪亮，苏欣，杨伟．油气管道泄漏技术综述[J]．天然气与石油，2007，25（3）：19-23.

［5］中国石油管道公司．2009世界管道概览[M]．北京：石油工业出版社，2010：224-225.

［6］亓 强，刘吉东．应用负压波法检测管道泄漏的技术研究[J]．油气田地面工程,2002，21(1)：100.

［7］熊庆生，刘奕伽．音波管道泄漏检测系统[J]．油气田地面工程,2010，29(8)：59.

［8］周诗岽，吴志敏，吴明．输油管道泄漏检测技术综述[J]．石油工程建设，2003，29(3)：6-10．

［9］ 张连文．管道泄漏检测技术及评价[J]．油气田地面工程,2003，22(4)：1-3.

［10］王振堂，赵志勇，周世刚，刘碧峰，李建军．几种长输管道泄漏监测技术的分析对比[J]．油气田地面工程2003，22(10)：58．

［11］李红岩．长距离输油管道泄漏检测技术[J].油气田地面工程2009，28(1)：74-75.

［12］ 朱红钧，林元华，谢龙汉．FLUENT流体分析及仿真实用教程[M]．北京：人民邮电出版社，2010.

［13］李朝阳，马贵阳，刘亮，等．输油弯管泄漏数值模拟[J]．当代化工，2011，40（4）：420-422.

Numerical Simulation of Z-shaped Pipeline Leakage in Different Locations

DU Yi-peng,WANG Wei-min,MA Yue,Y U Li-li,ZHANG Chun-jing,GAO Yan-bo,ZHANG Guo-jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Oil and gas pipeline leakage easily leads to major security incidents which can cause huge economic loss,especially in some parts of the pipe network in China which has run for over 30 years, leakage probability is bigger.Timely detection of pipeline leakage and making a reasonable solution are significant for the control of accidents. In this paper, using CFD simulation software and the finite volume method, complex conditions of Z-shaped tube leakage in different locations were studied with multiphase VOF model. Taking into account the effect of gravity, numerical simulation of the pressure field was carried out, and effect of different leakage locations on the leakage was analyzed.

Z-shaped pipeline; Leakage; Numerical simulation

TQ 019

A

1671-0460（2012）01-0095-03

2011-11-03

杜义朋（1986-），男，山东滨州人，在读研究生，辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：油气管道输送技术。E-mail：duyu.love@163.com。