穿越河流输油管道泄漏扩散数值模拟

姚 威

（中国石油化工股份有限公司吉林石油分公司， 吉林 吉林 132000）

管道作为五大运输工具之一，在运输油品方面具有独特的优势。由于我国地形复杂多变，长距离敷设的输油管道会不可避免的要经由河流，随着管龄的增长，河水对管道不断的冲刷腐蚀、外力损伤及管线憋压等自然或人为损坏的原因，使管道泄漏事故频繁发生，造成严重的经济损失和社会影响。可见对管道泄漏的检测研究具有极为重要的现实意义[1,2]。由于管道所处环境及其本身所输送的介质的形式多样，导致管道泄漏的形式多样化，使得目前还没有理想的方法去解决管道泄漏检测问题。对管道泄漏后检测已研制出电缆为油溶性和分布式传感电缆[3,4], 此方法可以及时准确检测管线泄漏的发生，为此对管道泄漏后油品扩散规律的研究显得极为重要。目前对泄漏扩散数学模型的研究多适用于埋地管道及架空输气管道[5], 对于穿越河流管道泄漏扩散问题的研究还很少[6]，虽有对穿越河流管道泄漏进行研究，但多局限在研究管道泄漏后油品直接接触河水，忽略了管道埋在河底土壤中的那段深度对油品扩散的影响。

本文基于计算流体力学软件，采用VOF模型对穿越河流输油管道泄漏扩散进行数值模拟。研究分析了在水下土壤中某一埋深输油管道泄漏后油品的扩散规律。分析了泄漏口速度和河水流速度对油品扩散的影响，总结油品的扩散规律，可为电缆检漏技术检测穿越河流输油管道泄漏提供理论依据。

1 计算模型

土壤作为一种多孔固体介质，流体在其中流动时要受到惯性阻力和粘性阻力的作用。原油与水具有不相容性，当泄漏发生时油水具有明显的分界面。当埋地管道发生泄漏时，油品在多孔介质中的流动比较复杂，且泄漏点的压强，速度，体积分数较大，计算相当复杂，有限容积法是处理该类问题的常用方法。油品渗流符合达西定律，其质量守恒、动量守恒、能量守恒方程如下：

质量守恒方程：

式中：U—流体速度，m/s；

ρf—流体的密度，kg/m3；

t—时间，s。

动量守恒方程以x方向为例：式中：u，v—分别为U在x，y方向上的速度分量，m/s；

C2=

—惯性损失系数，m-1；ε—孔隙比；

p—孔隙压力，Pa；

Dp—粒子直径，mm；

μ—流体动力粘度，Pa·s。

能量守恒方程：

式中：Ef—流体总能，J；

Es—固体介质总能，J；

r—介质孔隙度；

keff—流体焓源项，J/kg。

其中：keff=gkf+ ( 1 -g)ks，kf—流体导热率，W/(m·K);

ks—固体导热率，W/(m·K)。

体积分数方程：

式中：—p相到q相的质量分数输送；

如果相下标用1、2表示若第二项的体积分数被跟踪，每一单元中的密度为：

2 数值计算及结果分析

为研究水下输油管道泄漏后油的分布情况选取一工况进行数值模拟。模拟区域：8 m´50 m，其中水深为6 m，管道水下埋深为1 m，空气层厚度为1 m，沿水流轴向长为50 m，物理模型如图1(a)。管径1 m，泄漏口直径为0.06 m，方向为管道正上方。模拟环境温度为常温，泄漏口油速为2 m/s，水速分别为0.05，0.1，0.2 m/s。模拟过程中忽略径向流速对扩散的影响。土壤为多孔介质，孔隙度为0.267。油由漏口流出，其泄漏口附近一定范围内速度梯度很大，为提高计算精度，对漏口附近网格进行适当加密。网格模型如图1(b)。

为研究油品泄漏后在土壤中和水流中的扩散规律，对图2，图3，图4，图5进行分析。

其中图2为在2 m/s泄漏速度，泄漏8 s时不同水流速度下的油相分布，本为称此时期为泄漏初期。由图2可以看出泄漏8 s时油品刚刚渗透过土壤开始向水中扩散，在此之前水流对油品扩散影响很小，油品在土壤中的泄漏形状大致相同，成不规则半圆形 。分析原因可能为：泄漏初期土壤对油品的扩散具有一定的阻碍作用，油品需克服土壤毛细阻力、惯性阻力、粘性阻力，但油品整体所受阻力均匀，所以渗流速度比较慢，分布形状比较规则。

图3 为泄漏40 s时不同水都条件下油相分布，本为称此时期为泄漏中期。由图3可以看出此时油品开始向水中扩散，水对油品扩散的阻力相对土壤对油品的阻力小的多，油品迅速向水中扩散，数秒间已经将接近水面，此过程中水对油品的扩散影响很大，图 3(a)中可以看出油品虽然已经接近水面，但其浓度并不高。分析其原因可能为由于水流速度并不大，对油品沿水流方向的扩散速度影响并不大，油品扩散的速度比较小，即0.05 m/s的水速对油品的扩散影响不大。图 3(b)中可以看出油品在水中的浓度很高，且沿水流下方向油品的浓度也很高。分析其原因可能为由于水流速度是图 3(a)中俩倍，此时水流速度对油品沿水流方向的扩散速度影响较大，油品扩散的速度较大，即0.1m/s的水速可以促进油品在水中的扩散。图 3(c)中可以看出相同泄漏时间内，当水速较大时会对油品的初期扩散影响较大，油品会在土壤表面附近溢流一段时间。分析其原因可能为较大的水速对从土壤中扩散出来的油品形成短暂的阻碍作用，此过程中油品的扩散速度最慢，即0.2 m/s的水都对油品的扩散有阻碍作用。

图3 泄漏40 s时不同水速条件下油相分布Fig.3 Oil phase distribution during leakage under different water speed in 40 s

图4 为泄漏160 s时不同水速条件下油相分布，图5为泄漏360 s时不同水速条件下油相分布，本为称此时期为泄漏后期。对比图4与图5可以看出随着泄漏时间的推移，油品在土壤中的扩散成不规则几何图形，泄漏160 s时水流的大小对油品的扩散影响很大，速度越大油品的横向扩散范围越大，且浓度较高，泄漏360 s时油品已接近水表面，且水速越大，接近水表面所需要的时间越短。可以看出速度越大在水表面的扩散范围越大，油品长期漂浮在水表面，对水域照成严重的污染，水流速度较大时油品的扩散会出现溢流现象，不容易被发现，且水速越大污染范围越大，给污染的处理带来极大的困难。

图4 泄漏160 s时不同水速条件下油相分布Fig.4 Oil phase distribution during leakage under different water speed in 160 s

3 结论及建议

通过穿越河流输油管道泄漏扩散数值研究，将泄漏扩散过程分为泄漏初期、泄漏中期、泄漏后期。泄露初期：水流对油品扩散影响很小，油品在土壤中的泄漏形状大致相同，成不规则半圆形。泄漏中期：0.05 m/s的水速对油品的扩散影响不大，0.1m/s的水速可以促进油品在水中的扩散，0.2 m/s的水都对油品的扩散有阻碍作用。3种不同水速对油品泄漏扩散的影响不同，较小的水速对此时期油品的扩散无影响，适当大的水速可以促进油品在此时期的扩散，当水速大到一定数值时，油品会在土壤与水域的交界面溢流，此时油品的扩散将被延迟，不易被发现。泄漏后期：随着泄漏时间的推移，油品在土壤中的扩散成不规则几何图形，最终在水的浮力作用下，会溢流在水表面，水流越大水表面油品扩散范围越大，给事故处理带来困难。由于油品的扩散会受季节、水流速度、管道敷设深度、泄漏位置。泄漏口径及土壤物性等因素的影响，快速准确的检测管线的泄漏位置有一定的难度，研究结果可为事故调查处理提供理论依据。

［1］李刘建．液化石油气管线泄漏事故分析及预测[J]．科技资讯，2008，2(4)：58-59．

［2］王卫强,等.水下输油管道泄漏数值模拟[J].节能技术，2011,7(4):311-313.

［3］森村正直，正崎弘郎．传感器技术［M］．黄香泉,译．北京：科学出版社，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］叶峰，廖开贵，张亚明，蒋宏业．天然气管道泄漏数值模拟的研究[J]．油气田地面工程．2008，27(6)：19-20．

［6］高清军．多种海况下的水下溢油数值模拟[C]．2008