埋地输油管道泄漏过程传热特性

吴国忠, 王 迪, 李宏佳, 王秋实, 李 栋, 齐晗兵

(1. 东北石油大学 土木建筑工程学院, 黑龙江 大庆 163318;2. 北部湾大学 石油与化工学院, 广西 钦州 535000)

随着我国经济的快速发展,石油成为生活和工业的必需品.输送石油的载体有很多,其中管道由于具有输送成本低、方便快捷、安全性高等优点已被大量的铺设.截至2016年,已完成输油管道搭建的总里程数超过10万公里[1].由于土壤腐蚀及人为破坏等因素的影响,管道漏油事故时常发生,进而污染了当地的生态环境也影响了经济的正常发展.检测地面溢油的技术有很多[2-3],而埋地输油管道泄漏油品在土壤中传热传质规律是研究检测技术的基础[4].

国内外众多学者针对埋地输油管道泄漏油品在土壤中的传热传质规律做了大量的工作.例如,McGilvary等[5]在冻土情况下,对埋地输油管道泄漏进行了数值模拟并对模拟结果做出了传热分析.Weon-Keun[6]基于有限容积法对埋地输油管道不同泄漏情况进行了传热计算,同时搭建了埋地管道泄漏的实验台,并进行了现场测试.J·Sheridan等[7]建立了传热传质数学模型,考虑了温差及浓度差对模型计算结果的影响,最后搭建实验平台,测量了油类介质在多孔介质迁移达到稳定时的传热量.齐晗兵等[8]利用CFD仿真软件模拟分析了在冬季严寒环境时输油管道泄漏油品的迁移情况,结果得出油品在冻土扩散过程中, 其温度场的变化分为分流区域、发展段区域以及稳定区域3个阶段.高雪利等[9]通过数值模拟研究了输油管道在发生穿孔泄漏后,在泄漏口处油品流速的分布规律、体积分数随流速变化情况,以及油品在土壤中的迁移时间,模拟过程中,实时监测了油品在土壤中的迁移情况,结合孔隙度得出了油品的漏油量. 李朝阳等[10]模拟了油品在管道不同位置泄漏后的迁移规律,研究得出油品在不同位置泄漏时初期呈现比较规则的渗流面,泄漏一段时间后,不同泄漏位置出现了无规则渗流面,与其他情况相比,漏油位于正上方在土壤中的扩散范围更大.李林[11]研究了输油管道在不同位置发生泄漏后泄漏油品的迁移情况,以及随着漏油量不断增大后大地温度场的变化规律,结果得出,土壤温度场在管道泄漏初始阶段变化较为显著,在管道周围形成了明显的热影响区域,一段时间后,油品整体迁移速度减小,管道周围土壤温度场会因泄漏位置的不同而呈现不同的温度场.吴国忠等[12]基于埋地输油管道多点泄漏,建立了油水两相在土壤多孔介质流动的传热耦合模型,研究出地表处的漏油扩散区域为椭圆形,与单孔泄漏相比,多点泄漏时地表温度场呈现更为清晰.马贵阳等[13]对管道漏油前后的大地温度场进行了数值模拟分析,得出泄漏一段时间内大地温度场在管道附近的波动较为明显,大地温度场随着泄漏时间持续推移,其温度场变化趋于稳定.庞鑫峰[14]通过CFD数值模拟了三维埋地输油管道泄漏的非稳态温度场,对其模拟结果进行了可行性分析.杜明俊等[15]模拟计算了大地温度场在不同泄漏条件下的变化规律,同时比较分析了输油管道泄漏前后的大地温度场.

以上学者的研究多是分析不同泄漏条件下漏油在土壤中的迁移规律,以及大地温度场在泄漏前后的变化情况.而油品在土壤表层的迁移及在空气区域的热扩散规律却鲜有报道.因此,本文在前人研究的基础上,在模型建立过程中考虑了空气层,进而可分析出泄漏油品在空气层中传热传质规律特性,以便为检测技术的应用提供一定参考价值.

1 数理模型

(1) 物理模型.图1为二维埋地输油管道物理模型,该物理模型由上下两部分区域组成,其中上区域为空气层ABCD,其尺寸为30 m×2 m,下部分区域为土壤层BCEF,其尺寸为30 m×15 m.在土壤层中,BF为土壤的左边界,CE为土壤的右边界,EF为土壤的底层下边界.直径D=500 mm的管道位于土壤对称中间并距地表面2 m.

图1二维埋地输油管道物理模型

Fig.1 Physical model of two-dimensional underground oil pipeline

(2) 数学模型.本文数值模拟的研究以质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程3大守恒方程为理论依据,为埋地输油管道泄漏介质在土壤中的传热传质规律提供重要支撑.

① 质量守恒方程

(1)

式中:μm为流体介质的平均流速,即μm=(αoρoμo+αwρwμw+αaρaμa)/ρm,m·s-1;ρm为流体密度,ρm=αoρo+αwρw+αaρa,kg·m-3;αo、αw、αa分别为油、水、气相的体积率;μo、μw、μa分别为油、水、气相的流速,m·s-1;ρo、ρw、ρa分别为油、水、气相的密度,kg·m-3.

② 动量守恒方程

③ 能量守恒方程

式中:n为多孔介质的孔隙率;ρs为土壤多孔介质密度,kg·m-3;λf为流体介质的导热系数,W·(m·K)-1;λs为土壤多孔介质的导热系数,W·(m·K)-1;cf为流体介质的比热容,J·(kg·K)-1;cs为土壤多孔介质的比热容,J·(kg·K)-1;T为大地温度场,即T=T(x,y,t),K;Tf为流体介质温度,K;Ts为土壤多孔介质温度,K.

2 边界条件

本文管道泄漏的流体介质为柴油, 在CFD求解器柴油物性参数设置中, 柴油的粘度为0.252 Pa·s,密度为850 kg·m-3,比热容为1.876 kJ·(kg·K)-1, 导热系数为0.127 W·(m·K)-1, 管道泄漏初始时,土壤中的左边界、右边界以及下边界均采用第一热力边界条件. 随着土壤深度的增加,对应深度的压力,以及温度都会变化, 因此模拟前分别引入了以温度和压力为变量的UDF函数, 本文埋地输油管道物理模型对应的UDF函数数学表达式分别为:p=150 000-10 000y;T=276-1.2y. 管道泄漏前后土壤层及空气层各个边界条件的具体设置如表1所示.

表1 边界条件设置Table 1 Boundary conditions setting

3 结果分析

本文从泄漏孔处柴油不同泄漏速度角度出发,模拟计算的结果有3个方面:不同泄漏速度油品从泄漏初始时刻至扩散至地表面处的时间;不同泄漏速度油品扩散至地表面一段时间后的迁移情况;不同泄漏速度的油品在土壤及空气区域的热影响区分布情况.

不同泄漏速度条件下的计算结果如图2～5所示.

图2 不同泄漏速度油品到达地表时间Fig.2 Time to reach the surface of different leak rates of oil(a)—0.5 m·s-1,85 s; (b)—1.0 m·s-1,41 s; (c)—2.0 m·s-1,28 s; (d)—4.0 m·s-1,22 s.

图2为泄漏孔位于管道正上方,油品泄漏速度分别为0.5、1.0、2.0、4.0 m·s-1从初始泄漏时刻到扩散至土壤地表面处的传质云图.由图2可以看出:不同泄漏速度的油相体积大致相同,近似为圆形,并且对于4种泄漏速度,管道正上方的油相体积明显大于正下方分布情况.模拟计算得出了到达地表的时间,泄漏速度为0.5、1.0、2.0、4.0 m·s-1对应油品扩散至地表的时间分别为85、41、28、22 s,由此可得出泄漏速度越大,油品到达地表时间越短.而且,泄漏速度成相同倍数增加,溢油到达地表面时间变化差值越来越小,这是因为油品具有一定的粘度,其需要克服在土壤扩散中的粘性阻力、惯性阻力、毛管阻力等,油品的泄漏速度的大小也决定着其在土壤中扩散的快慢程度.

图3为泄漏孔位于管道正上方,油品泄漏速度分别为0.5、1.0、2.0、4.0 m·s-1油品在土壤区域及空气层的扩散分布情况,由分布云图可知,油类介质在土壤中的径向扩散面积随着漏油速度的增加而逐渐增大,在地表面处溢油的迁移距离逐渐递增,且土壤表层的油膜厚度也随着泄漏速度的增加而变厚.由图3a可知,输油管道上方油相体积分布大于下方,随着泄漏速度变大,大量油品不断渗流至周围土壤中,考虑到重力的作用,泄漏速度为1.0、2.0、4.0 m·s-1时,输油管道下方的油相体积分布大于上方.

图3 不同泄漏速度的扩散分布情况Fig.3 Diffusion distribution of different leakage rates(a)—0.5 m·s-1; (b)—1.0 m·s-1; (c)—2.0 m·s-1; (d)—4.0 m·s-1.

图4 泄漏时间为200 s时4种泄漏速度条件下地面含油率及油膜厚度Fig.4 Ground oil content and film thickness of four kinds of leak speed when leakage time is 200 s(a)—0.5 m·s-1; (b)—1.0 m·s-1; (c)—2.0 m·s-1; (d)—4.0 m·s-1.

图4为不同泄漏速度在地表面处提取的油膜厚度及含油率分布点.由图可知,地表面含油率介于0～1 范围内,含油率在地表面中心处及附近一定距离处较高,近似为1,然而随着油品迁移距离的不断扩大,4种情况的地面含油率出现陡降趋势,并随之趋于平稳状态,最终油品在未扩散区域的含油率值为0.地表面油膜厚度分布情况与对应的含油率曲线走势大致相近,其中,油膜厚度值在地表中心位置或附近一定距离区域最大,油膜厚度随着扩散范围向两端不断扩大随之减少,地面含油率及油膜厚度在地表面最大值点数量随着泄漏速度的增加,其分布点越多.图5为不同泄漏速度的热影响区分布云图,由图5可知,油品在4种泄漏速度的红色高温热影响区域大致相同,泄漏油品对周围土壤的热影响范围随着泄漏速度增加而不断扩大.通过地表及空气层温度波及范围可知,不同泄漏速度的地面溢油对整个空气层的温度分布都有较大的影响,且泄漏速度越大,油品对近地表面温度影响越广.

图5 不同泄漏速度的热影响区分布云图Fig.5 Distribution of heat-affected areas of different speed of leakage(a)—0.5 m·s-1; (b)—1.0 m·s-1; (c)—2.0 m·s-1; (d)—4.0 m·s-1.

4 结 论

本文建立了二维埋地输油管道泄漏物理模型,应用CFD仿真软件数值模拟了泄漏油品在土壤区域及空气层中的扩散和传热规律分布情况,得到的结论如下.

(1) 当泄漏油品扩散至地表面时,油相体积分布区域大致相同,不同泄漏速度油品到达地表时间随着泄漏速度的增大而缩短.泄漏速度呈相同倍数增加,溢油到达地表面时间变化差值逐渐递减.

(2) 油类介质在土壤中的径向扩散面积随着漏油速度的增加逐渐增大,在地表面处溢油的迁移距离逐渐递增,且土壤表层的油膜厚度也随着泄漏速度的增加而随之变厚.

(3) 泄漏油品对周围土壤的热影响范围随着泄漏速度的增加而不断扩大,对于空气层区域,不同泄漏速度的地面溢油对整个空气层温度都有较大的影响,且泄漏速度越大,油品对近地表面温度影响越广.

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