水下埋地管道泄漏數值模擬

石 龍，馬貴陽，王 鑫，史俊杰，金貞旭

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院, 遼寧 撫順 113001）

當前，我國經濟高速發展，能源需求與日俱增。為了能適應經濟發展的要求，滿足能源需求，我國海上石油開采，呈現從淺海區向深海區大縱深發展的趨勢[1]。2012年，中海油天津分公司年產原油當量超過300萬t，中海油提出建設海上大慶[1]。南海油氣開采事業也在蓬勃發展，其海域較為復雜，開采難度大，但儲量客觀[2]。伴隨著海上油氣的開采，海底管道的研究更要跟上腳步，承接好上游開采和下游煉化環境顯的十分重要[3,4]。尤其通過近幾年對淺水和較深水的海底管道維修的實踐，我國在技術創新、自主研發、成果轉化和競爭能力等各個方面有了非常大的提高，這樣對水下管道輸送是非常關鍵的[4]。但水下輸油管道由于管內受油氣載荷、腐蝕等影響，管外受風暴、波浪、潮流引起的附加載荷以及水的蝕、砂流的磨蝕、等影響而損壞管道；或安裝管道中，出現變形等損壞，容易引起管道泄漏。為了減小管道泄漏造成的經濟損失，以及對環境造成的嚴重污染，有必要對水下管道泄露進行具體研究[5,6]。只有努力把管道泄漏的易發生的各種情況進行細致研究并及時準確的檢測管線泄漏的發生[7]，才能為管道安全運行和維護打下堅實的基礎[8]。這也為日后我國進軍深水管道領域的發展及維護有一定的借鑒意義。

目前，我國海底管道敷設現階段剛剛起步，很多問題需要攻關，諸如管道長時間在水下腐蝕問題，油氣載荷問題，管道在暴海嘯影等惡劣災害是否能不受破壞影響作業，水下管道泄漏問題。計算機的應用和普及，使我們科研工作者可以通過數值計算來初步解決上述難題，中海油集團公司也十分重視這部分問題的科研工作。

本文基于計算流體力學軟件，建立VOF模型水下管道模型，分析管道在不同水流速度下及漏口不同下的泄漏情況，為適應海底管道敷設，提供理論依據，進一步合理科學的敷設海底管道，減少損失，保證管道安全運行。

1 建立模型

根據流體流動遵循的三大守恒定律，即質量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律，建立水下溢油數值模擬。本文忽略溫度對流動的影響，湍流方程采用標準k-e模型，采用 VOF 模型，可得體積分數方程，動量方程。對第q相，它的守恒方程如下：

連續性方程：

動量守恒方程：

其中：n—相數；

μm—混合粘度 Pa·s；

αk—第k相的體積分數；

Fr—體積力N；

ρk—第k相的密度kg/m3。

泄露方程：

其中：Gk—平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；

Gb—浮力引起的湍動能k的產生項；

YM—可壓縮湍流中脈動擴張貢獻；

μi—湍流粘度；

ui，uj—時均速度；

k—湍流動能；

ε—湍流耗散率；

ρ—流體密度；

σk和σe—k方程和ε方程的湍流Prandtl數；

C1E=1.44，C2E=1.92，C3E=1，Cμ=0.09—經驗常數。

泄露量估計：

管道內的液體泄露質量流量可用流體力學的伯努利方程計算，計算式為：

其中：A—裂口面積,m2；

Cdl—液體泄露系數，與流體的雷諾數有關，完全紊流液體的流量系數為0.60～0.64，對于不明流體狀況時，直接取1；

g—重力加速度，g=9.8 m/s2；

h—裂口之上液位高度，m;

P—管道內介質壓力，Pa；

Po—環境壓力，Pa；

qml—液體泄露質量流量，kg/s；

ρ—液體密度，kg/m3。

2 數值計算

本文數值模擬的輸油管道為水下深度6 m、水下埋地深度1 m。管道的公稱管徑為500 mm，在管道的上方發現一直徑6 cm的泄漏口。首先模擬在常溫下水流速度為0.1 m/s時，泄露速度分別為2,4,6 m/s時的泄漏規律，然后進行模擬泄露速度為2 m/s時，水流速度為0.05, 0.10, 0.20 m/s時的泄漏規律。忽略水流的徑向影響，沿軸向方向建立二維模型，管道長度截取50 m, 模擬區域為：8 m×50 m，空氣層厚度為1 m,物理模型如圖1所示；這里通過利用結構化矩形網格對所計算區域進行單元劃分，為了較為清楚的顯示網格，這里給出一段管道的局部網格放大模型見圖2。這里所采用的土壤密度為1 680 kg/m3;運動粘度為0.016 8 Pa·s；水相密度為998 kg/m3; 粘度0.00 100 3 Pa·s；氣相密度為1.225 kg/m3; 粘度1.7894×10-5Pa·s；溫度為298.15 K。

圖1 管線計算網格模型Fig.1 the mesh model of pipeline computing

圖2 局部網格放大圖Fig.2 the chart of local mesh enlargement

3 結果分析

圖3為在0.1 m/s的水流速度下，不同時刻，泄漏速度分別為2，4，6 m/s的成品油體積分布圖。通過圖像分析可以的出：當剛開始油品在土壤中泄漏時，在相同時間內隨著泄漏速度的逐漸增大，油品在土壤中的滲流速度增加，滲漏量也增大。隨著泄漏時間的進一步增加當油品滲出土層時，將會在地面溢流一段時間后才向水面擴散。這是因為油品的相對粘度較大，在水流速度的慣性作用下，溢油將在河底運動一段距離后，才在浮力作用下緩慢上浮。在上浮過程中由于油品受水平分速度比上升分速度大，故漏油圖形末端呈倒勾型分布。隨著泄漏速度的增加，倒勾型范圍越來越大但越來越不明顯。這是因為隨著泄漏速度的增大，相同水流速度情況下油品上浮量增大。

由于水流的沖擊作用，油品分子沿水流方向速度增加，油品隨水流方向進行擴散。油品在一定范圍內離破水面越遠的地方，油相分布越多，影響范圍越大。總體來看油品在水中流動受到阻力比土壤中要小且會受到浮力的加速作用，油品在水中的擴散速度大于其土壤中的滲流速度。

圖3 泄漏速度分別為2，4，6 m/s的成品油體積分布圖Fig.3 The distribution of refined oil volume of leak rate was 2,4,6 m/s

圖4為在2 m/s的泄漏速度下，不同時刻，水流速度分別為0.05，0.1，0.2 m/s的成品油體積分布圖。通過圖像分析可以得出：當油品在土壤中泄漏時，在相同時間內水流速度對油品的滲流影響不大，其在土壤中的滲透速率和分布規律幾乎相同。隨著泄漏時間的逐漸增加當油品滲出土層時，隨著水流速度的增加，其在水中的擴散長度和范圍會明顯增加。

由于水平分速度比上升分速度大，故漏油末端呈倒勾型分布且隨著水流速度的增加，油品受水平分速度影響越大，這會導致漏油末端倒勾型分布越來越明顯，勾型程度越來越大。且隨著水流速度的增加，漏油在水中影響范圍增大，漏油在河底附著的位移也會隨著增大，這樣會導致油品泄漏不易發現。水流速度越大，也就越不易被發現。

圖4 水流速度分別為0.05,0.1,0.2 m/s的成品油體積分布圖Fig.4 The distribution of refined oil volume of flow rate was 0.05,0.1,0.2 m/s

4 結論及建議

通過對水下管道在不同的泄漏情況下油相的變化情況進行數值模擬，當其他的環境因素相同時，根據單一變量原則得出泄露速度和水流速度分別發生改變時對油品泄露的影響。結論如下：

(1) 泄漏速度對油相的運動影響隨泄漏速度的增大而逐漸增強，隨著時間的增加溢油在水中和土壤的擴散范圍逐漸變大。而且在一定范圍內溢油在水中的擴散速度要大于它在土壤中的滲流速度。溢油在一定范圍內離泄漏口橫向越遠的地方，溢油分布越多，影響范圍越廣。漏油在河底的附著位移也會增大。且漏油末端呈倒勾型分布的范圍也會越來越大但越來越不明顯。

(2) 當泄漏速度相同時，水流速度的增大對油相在水中的擴散影響較大，而相對土壤中溢油的分布規律和其滲透速率的影響幾乎沒有。油品一定范圍內油品隨著水流速度的增加，漏油在河底附著位移會增大。且漏油末端呈倒勾型分布范圍也會越來越大越來越明顯。

(3) 通過對比研究泄漏速度和水流速度對油品運動的影響能夠更準確更有效的研究多種情況對泄漏油品的綜合影響，從而通過實踐進行指導實際的工程應用。本文的目的就是研究實際的工程環境中常出現的影響水下泄漏油品擴散的幾種因素，從而對實際復雜的水下環境中輸油管線的運行和維護體系的建設提供一定的理論指導。

［1］ 金慶煥.深水油氣是當今海洋油氣勘探的主要熱點[J].科學中國人，2006，11(4):48-49.

［2］ 李劉建.液化石油氣管線泄漏事故分析及預測[J]. 科技資訊，2008，2(4):36-37.

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［5］ 魏中格, 齊雅茹,等.海底管道維修技術[J]. 石油工程設計,2002，28(4):46-47

［6］ Liu YL , Zheng JY. Numerical simulation of the diffusion of natural gas due to pipeline failure.JointConference of the ASME Pressure Vessels and Piping Division/8th International Conference on Creep at Temperature. Jul22-26,2007,Location San Antonio[C]. TX.Proceedings of the asme pressure vessels and piping conference,2007,7:319-325.

［7］ 馬肇援.海底管道維修技術設備[J].油氣田程,2001,20(3):66-67.

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