山区成品油管道泄漏扩散分析

赖少川，谢 成，姜红涛，赵 珏，王 科*

(1.国家石油天然气管网集团有限公司华南分公司，广东 广州 510620； 2.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249)

山区油气管道途经区域地形条件复杂、地质灾害频发，给管道的安全运行保障带来了巨大的压力[1-3]。为实现对成品油管道高后果区进行有效的风险防控，针对管道因地质灾害等极端情况下断裂导致的成品油泄漏扩散开展环境风险分析显得尤为重要。目前，国内外学者针对平地埋地管道泄漏进行了大量的研究。在理论研究方面，众多学者通过建立泄漏油品地表扩散模型来描述油品的流动扩散情况，Kapias等[4-6]结合能量守恒方程建立了液池模型，用以模拟泄漏液体的扩散行为并预测液池厚度。在此基础上，Cavanaugh等[7]引入地表状态对液池扩散范围的影响，对液池模型进行了修正。Mclcod等[8]对比分析了油品在平地和斜坡地带的扩散速率和扩散面积规律，讨论了重力在油品扩散过程中的影响。Adeyemi等[9]假定管道末端流速不变的情况下，研究了管道发生泄漏后关闭紧急截断阀的瞬间管内流体扩散的状态。此外，数值模拟方法在油品的泄漏扩散研究得到了广泛地采用。王新颖等[10]应用量纲分析法对管道泄漏进行数值模拟，分析了泄漏孔径、管道运行压力、管内流体物性及泄漏速度等因素对泄漏量的影响规律。学者们[11-18]通过建立埋地管道三维模型，模拟埋地管道发生泄漏后油品在土壤中的渗透扩散过程，研究了不同因素对油品泄漏扩散规律的影响，对指导泄漏管道的维修、评价地层伤害提供了有效的数据支持。然而，针对山区埋地管道因地质灾害破坏而出现破口时，泄漏污染物在山地表面的扩散规律缺乏深入的研究。因此，笔者以某山区成品油管道高后果区为研究对象，建立了简化山体泄漏扩散三维模型，获得了不同品类的成品油在不同地表条件下沿山体表面的泄漏扩散速度和扩散面积规律。

1 数学模型及数值模拟方法

1.1 简化山体模型

通常山区埋地管道周围地形特征变化丰富，坡度常呈阶梯变化。为了数值模拟的顺利开展，将某高后果区实际山体的典型特征提取为陡坡、平坝和沟壑，并考虑了地势的变化，建立的三维简化模型如图1所示。模型特征如下：山体总体高度为800 m，在距离山底500 m处有一个宽为20 m的平坝。平坝上方的山体坡度为25°，平坝下方的山体坡度为35°，且存在一条不规则的沟壑(长度为1 520 m，上、下宽分别为20、100 m，深5 m)。埋地管道管径为406.4 mm，壁厚为12.7 mm，运行压力为8 MPa。当位于距离山坡顶部为67 m处的该管道在滑坡作用下发生断裂并暴露在山体表面，且残余管道与斜坡表面平行，成品油在管内高压作用下从管道破口处喷射并沿山体表面快速流动。

图1 山体简化模型

1.2 计算域及其网格划分

以简化山体表面为基准，构建泄漏成品油泄漏扩散流体域模型。由于存在山腰平坝和沟壑等特殊的地形特征及残余管道的影响，利用ICEM软件并采用非结构化网格对流域进行网格划分，并对泄漏口和沟壑处的网格进行了适当加密，如图2所示。通过网格无关性验证，最终计算网格数量为180万。

图2 网格划分

1.3 流体物性及计算条件

为了研究管道内不同种类的成品油在发生泄漏时在山地表面的扩散情况，选取管道内输送的介质分别为93#汽油、煤油和0#柴油，其物性如表1所示。

表1 成品油种类及其物性(20 ℃)

当出现地质灾害导致埋地管道破裂时，由于管道内运行压力较高，破口处泄漏成品油瞬时速度高达150 m/s左右。但由于山区地形起伏变化以及当出现破管事故后关断阀门等应急响应措施，管道破口处成品油泄漏速度波动并逐渐减小。由于目前缺乏针对管道突然失压时管内流体压力及泄漏速度非线性变化规律的研究，笔者针对泄漏口处成品油初始速度分别为35、60 m/s和85 m/s情况下泄漏污染物在山体表面的扩散规律进行研究。

山区成品油管线途经区域地表多覆盖短草或灌木。为了分析不同地表情况对成品油泄漏扩散规律的影响，将短草和灌木以地表粗糙度进行表征，并以理想光滑地表为参照，如表2所示。

表2 不同植被覆盖情况下的地表特征[19]

1.4 数值方法及数据处理

笔者利用ANSYS FLUENT软件并采用VOF方法捕捉泄漏成品油在山体表面的动态扩散特征。边界条件为速度入口和压力出口。计算采用隐式、离散求解这一非稳态过程，选择RNGk-ε模型，并采用强化壁面处理法处理山体表面，对于气液相界面瞬态追踪选择Geo-Reconstruct精确捕捉相界面变化，时间步长设为1×10-2s。借助图像分析软件Image-Pro Plus对不同时刻泄漏的成品油在山体表面的扩散面积进行统计[20]。基于尺寸标定，通过建立图像像素间距与实际空间尺寸数据的对应关系计算出扩散面积随时间的变化规律。

2 结果与讨论

2.1 初始泄漏速度的影响

图3为成品油在泄漏口初始流速U0分别为35、60 m/s和85 m/s时0#柴油在光滑山体表面的扩散规律随时间的变化特征(其中，蓝色区域为油品未覆盖区域，红色区域为油品覆盖区域)。结果表明：泄漏口成品油的初始速度对油品在山体表面的扩散形态有着显著的影响，扩散面积随着泄漏初始速度的增大而减小。当初始速度较大时，油品在管内高压的作用下沿山体表面喷射，扩散范围在流至山腰平坝前呈现“液柱状”，同时沿横向缓慢扩散。由于平坝对泄漏成品油形成一定缓冲并改变其流动方向，油品流动速度减小并在平坝上铺展，随后沿山坡继续向下流动。值得注意的是，由于沟壑的存在，部分油品将沿着沟壑向下流动。当泄漏初始速度较小时，扩散范围在流至山腰平坝前呈现“泪滴状”。由于油品惯性的减小导致其在山腰平坝的滞留时间增加，使得其在平坝上的扩散面积显著增大，最终导致泄漏的成品油在下山坡处的污染面积增大。图4定量描绘了不同初始泄漏速度条件下成品油在山体表面的扩散面积随时间的变化规律。

图3 泄漏口成品油初始流速对泄漏污染物扩散规律的影响

图4 不同流速条件下油品泄漏面积随时间的变化趋势

2.2 油品物性的影响

图5分别给出了当泄漏口成品油初始速度U0为60 m/s时93#汽油、煤油和0#柴油在光滑表面的动态扩散规律。虽然不同成品油的物性存在一定的差异，但是三者在山地表面的扩散规律几乎一致，定量统计泄漏的成品油在山地表面的扩散面积随时间的变化也证明了这一点，如图6所示。

图5 成品油种类对泄漏污染物扩散规律的影响 (i. 93#汽油， ii. 煤油， iii. 0#柴油)

图6 不同种类油品泄漏面积随时间的变化趋势

2.3 地表植被的影响

图7分别为泄漏口成品油初始速度U0为60 m/s时，泄漏成品油在光滑地表、短草和灌木覆盖3种地表情况下的动态扩散规律，图8为成品油在山地表面的扩散面积随时间的变化规律。结果表明：油品在光滑表面与有植被覆盖表面的扩散范围明显有较大的差异，这是由于短草和灌木的存在增加了泄漏污染物在山体表面扩散时的流动阻力，限制了其扩散面积的增长。值得注意的是，虽然短草和灌木覆盖表征出不同表面粗糙度，然而泄漏的成品油在这2种地表扩散的规律相似。原因是由于成品油在山坡上的流速较快，而模拟中假设短草和灌木在地表均匀覆盖且间距差异较小，成品油在流动过程中所受到流动阻力的影响差异较小。

图7 地表植被覆盖情况对对泄漏污染物扩散规律的影响

图8 不同地表条件下油品泄漏面积随时间的变化趋势

3 结论

笔者建立了实际山体三维简化模型，对不同泄漏口成品油初始速度、成品油种类以及地表植被覆盖情况下的泄漏污染物在山地表面的扩散规律开展数值模拟研究，结果表明：泄漏口成品油的初始速度对泄漏污染物在山体表面的扩散形态有着显著的影响，扩散面积随着成品油初始速度的减小而增大。同时，山体的特征如坡度和沟壑等对泄漏污染物的扩散面积有重要的影响，但是随着成品油初始速度的增大该影响逐渐减小。此外，存在短草或灌木等植被覆盖的山地表面由于流动阻力的限制导致泄漏污染物扩散面积相较于光滑山地表面减小，但是对于均匀分布植被的地表而言，扩散面积对粗糙单元高度不敏感。从结果可以看出，山区成品油管道一旦发生破裂等严重泄漏事故，泄漏污染物将在短时间内在山地表面扩散较大的面积，很难在响应时间内采取行动。为了避免造成大范围环境污染，建议在山底布控围油栏。