埋地輸油管道泄漏對大地溫度場影響數值模擬

高雪利，馬貴陽，高忠杰

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

模擬與計算

埋地輸油管道泄漏對大地溫度場影響數值模擬

高雪利，馬貴陽，高忠杰

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

管道泄露后引起流體能量遷移，滲流場對溫度場產生較大影響。分析了滲流場與土壤溫度場的耦合作用，采用有限容積法建立管道泄漏多孔介質流固耦合換熱數學模型，界定合理的邊界條件，利用SIMPLE算法進行數值求解。得到了管道泄漏前后大地溫度場的變化規律。結果表明：管道泄漏后，一定時間內管道附近大地溫度場波動明顯。隨著泄漏時間的延續影響區內溫度場變化逐漸趨于平穩。在管線周圍一定范圍內布置光纖傳感器，應用分布式光纖溫度傳感技術檢查管道泄漏是可行的。

分布式傳感技術； 光纖溫度傳感器； 泄漏； 多孔介質； 溫度場

埋地管道具有便利、經濟、安全、環保、使用年限長等優點，尤其在運輸液體、氣體、漿液等方面具有獨特的優勢。近年來隨著管道輸油輸氣應用的增多、管道使用年齡增長以及管道受損、腐蝕、地理條件和各地氣候變化等因素的影響，泄漏事故頻繁發生，造成很大的資源浪費并且給環境問題帶來巨大的壓力。因此制定科學合理的埋地管道檢漏方案具有很大的實際意義。國內外目前對管道泄漏的探測主要分為監測和檢測兩種方法。應用比較廣范的主要有，負壓波檢測法，流量平衡法，壓力點分析法，噪聲監測，漏磁探測，熱紅外檢測，超聲波檢測等。分布式光纖溫度傳感技術[1-3]是目前世界上比較前沿的檢測技術，在我國還尚未普遍使用。它是基于拉曼光反射、布里淵光反射和光纖光柵原理制定的檢測方法。具有精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕 、體積小、易于安裝等優點。是今后極具發展前景的管線檢測技術[4-7]。分別對埋地管道輸送過程中有無泄漏時的大地溫度場分布進行數值模擬，得到了管道泄露前和發生泄露后，周圍土壤溫度場的不同。為分析和探測泄漏進度，評估污染奠定了理論依據。

1 問題的描述及網格的劃分

某熱油管道覆土深度 1.6 m,管道直徑為Φ700 mm,測試區域土壤密度1 680 kg/m3，比熱容2 225 J/（kg·K），導熱系數1.512 W/（m·K）。管內原油溫度52 ℃,密度870 kg/m3，比熱容2 150 J/（kg·K），粘度2.27×10-4Pa·s，導熱系數0.14 W/（m·K）。分別以管道右側和下側泄漏為例，建立二維泄漏模型，泄漏口處原油流速0.5 m/s，泄漏口孔徑50 mm。模擬區域采用三角形網格進行單元劃分。由于泄漏口附近溫度場分布梯度較大，對該處網格的劃分必須加密，以確保能夠準確地捕捉到溫度場的變化。

2 建立模型

2.1 物理模型

根據現場實測數據可知，距地面一定深度 H處，大地溫度年終變化小于 1 ℃?？梢哉J為H(m)處是恒溫層，管道熱量的耗散對距管道水平徑向距離L處影響非常小，可認為左側和右側是絕熱的。故簡化后的物理模型見圖1。

圖1 管道泄露前穩態溫度場Fig.1 Stable temperature field before leak

2.2 管道泄漏二維流固耦合數學模型

土壤作為多孔介質，具有一定的孔隙度，因此也有很好的儲容性，即多孔介質儲存和容納流體的能力。埋地管道泄漏后，高溫原油就會滲漏到土壤多孔介質中，從而影響泄漏點附近大地溫度場的分布。因此整個泄漏過程可看作多孔介質的流固耦合換熱問題[8]。質量守恒方程，動量守恒方程，能量守恒方程如下。

式中：Ef— 流體總能；

Es— 固體介質總能；

γ — 介質孔隙度；

keff— 介質有效導熱率；— 流體焓源項。

其中：keff=γkf+ (1?γ)ks，kf為流體熱導率，kf為固體導熱率。

邊界條件：（m2·K）,v為風速,TK為地表環境溫度，K。

y=y0處，T=TM為地下恒溫層，這里取278 K。

3 模擬結果分析

埋地輸油管道在土壤中形成了自身穩定的溫度場，改溫度場的分布對管道泄漏后大地溫度場的變化具有非常重要的影響,見圖2。

圖 2 管道正下方穿孔泄露后土壤溫度場隨時間變化等值線圖Fig.2 Equivalence lines of soil temperature field below pipeline after leak at different time

圖2為埋地管道正下方發生泄漏后，大地溫度場隨泄漏時間的變化而變化的規律圖。結合穩態時圖2分析可知：埋地輸油管道泄漏后的最初一段時間大地溫度場變化明顯，并在短時間內形成一個較大的熱影響區。由于受到泄漏口位置和重力的影響，高溫區主要集中在管道下方一個橢圓形區域內。由模擬數據可知：當管道下方發生穿孔泄漏后，320 K等溫線隨泄漏口流體的擴散移動非常快。泄漏120 s后，距離管道底端下移0.723 m.。而270 K等溫線位置基本沒有變化。與泄漏前穩態的大地溫度場相比，其它高于270 K的等溫線均有不同幅度的下移。說明熱影響區范圍還再不斷擴大。受重力的影響，管頂到地面之間的等溫線位置基本沒有變化。

圖3為管道正右方發生穿孔泄漏時，土壤溫度場隨泄漏時間的變化規律圖，結合圖3可知：無論是下方泄漏還是右側泄露，泄漏初期等溫線變化趨勢接近。泄漏初期泄漏口附近大地溫度場變化劇烈，并很快形成一個較明顯的熱影響區。由于受到重力作用的影響，泄漏出的高溫原油開始向下遷移，使得320 K等溫線由橢圓形慢慢接近于圓形。

圖 3 管道正右方穿孔泄露后土壤溫度場隨時間變化等值線圖Fig.3 Equivalence lines of soil temperature field right pipeline after leak at different time

而且管道下方溫度場變化明顯。由圖3可知：隨著泄漏時間的繼續，熱影響區范圍還在逐漸擴大，但慢慢趨于平穩。這是因為原油的粘度比較大，而且擴散過程受到土壤孔隙的粘滯阻力，慣性阻力等因素的影響遠離泄漏口處滲流速度越來越??；同時滲流區域內孔隙中原油也逐漸達到擬飽和狀態，隨著熱侵潤面積的不斷擴大，法面方向上的熱量供應不足，從而導致泄漏一定時間后大地溫度場的變化緩慢并逐漸趨于平穩。

從泄漏前后熱影響區的變化來看，管道周圍各處大地溫度場都受到不同程度的影響，不同深度上的土壤溫度與穩態時相比都有相應的變化。應用分布式光纖溫度傳感器測得的溫度變化值可以精確到0.1 ℃，因此只要在管道周圍一定范圍內科學布點，即可檢測并確定管道泄漏口的位置。由此可見，應用分布式光纖溫度傳感技術檢測管道泄漏是可行的。

4 結論及建議

埋地管道泄漏后，最初一段時間內泄漏口附近土壤溫度變化明顯，泄漏點附近形成較大的熱影響區。隨著泄漏時間的延長熱影響區范圍逐漸擴大并開始逐漸趨于平穩。受到重力作用的影響，熱力影響區逐漸向下方擴大。此項研究對科學合理地優化管道沿線光纖溫度傳感器的布點，指導管道泄漏檢測工作，快速準確的檢測到管線的泄露位置具有很好的現實意義。盡可能的減少經濟損失，提高工作效率。

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Numerical Simulation for Effect of Underground Pipeline Leakage on the Earth Temperature Field

GAO Xue-li,MA Gui-yang,GAO Zhong-jie
(School of Oil and Gas Engineering , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

The pipeline leak can cause fluid energy transfer, and the seepage field has great impact on temperature field. In this paper, coupling effect of seepage field and soil temperature field was analyzed. Heat transfer mathematic model in porous medium on account of fluid-solid coupling effect around pipeline leak points was established by the finite volume method, the reasonable boundary conditions were defined, numerical calculation was carried by SIMPLE numerical algorithm. Change rule of temperature field before and after pipeline leak was gained. The results show that: after pipeline leak, within certain time, the earth temperature field near the pipeline fluctuates obviously ; along with continuation of leakage time, the temperature field in the area gradually tends to steady. Through laying fiber-optic sensors around the pipeline, pipeline leak check can be realized by distributed optical fiber temperature sensor technology.

Distributed sensing technique; Optic fiber temperature sensor; Leakage; Porous media; Temperature field

TE 973

A

1671-0460（2011）03-0294-03

遼寧省自然科學基金資助項目 基金號：20082186

2010-11-30

高雪利（1983-），男，碩士，山東濱州人，2011年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業，研究方向：埋地管道水熱力耦合數值計算及管道滲漏溫度場計算的研究。E-mail：sdsgxl@126.com。