埋地輸油管道泄漏三維數值模擬研究

李的林

摘要： 以東北某熱油管道為例，選取有限容積法建立三維流動傳質數學模型，來模擬油水在埋地管道周圍土壤中的兩相流情況，借用 CFD 軟件，分別模擬了在冬季不同位置的輸油管道發生泄漏，引起輸油管道周圍土壤溫度場發生的變化和泄露油品在土壤中的擴散情況。模擬結果顯示，在輸油管道發生泄漏前，管道周圍已經形成了比較穩定的溫度場。管道泄漏初期，大地溫度場變化迅速，并很快形成一個熱影響區域。 隨著泄漏時間的增長，溫度變化逐漸平穩，上孔泄漏 300s 時，等溫線分布比較密集。泄漏一段時間后，先鋒油品移動速度減小，油品開始向管道上方和下方擴散。在輸油管道發生泄漏后，不同的泄漏位置，相應位置周圍的大地溫度場也跟著變化，泄露油品在土壤中呈顯形狀各不相同的擴散分布。

關鍵詞： 埋地管道；泄漏；數值模擬；溫度場

Abstract： to the Northeast oil pipeline as an example，select the finite volume method establish three‐dimensional flow and mass transfer mathematical model，to simulate two‐phase oil and water in the soil around the buried pipeline flow，using CFD software，simulated respectively in winter at different positions of the pipeline leak，caused by diffusion of oil pipeline and the surrounding soil temperature field changes and oil leakage in the soil. The simulation results show that a relatively stable temperature field has been formed around the pipeline before the pipeline is leaking. In the early stage of pipeline leakage，the earth's temperature field is changing rapidly，and a heat affected area is rapidly formed. With the increase of the leakagetime，thetemperaturechangesgradually，andthedistributionofthe300sismoreintensive.Afteraperiodoftime，thespeedofmovementofthe pioneer oil decreased，and the oil began to spread to the upper and lower part of the pipe. After the oil pipeline leak，the different leakageposition，

correspondingtothelocation oftheeartharoundthetemperaturefieldisalsochanged，theleakageofoilinthesoilwassignificantlydifferentfromthe

spread of the distribution.

Key words： buried pipeline；leakage；numerical simulation；temperature field

埋地管道作為主要運輸工具，具有經濟、安全、環保等優點，尤其是在許多方面具有特別的優勢，例如在輸送液體、氣體等方面。 但是在最近幾年，由于管道數量不斷增多、管道使用時間不斷增長以及一些人為因素的影響，經常會發生管道泄漏事故，造成損失，所以制定一種合理的埋地管道泄漏檢測方案這一問題就顯得尤為重要【1-3】。根據管道泄漏前后周圍的大地溫度場變化為依據，產生了分布式光纖溫度傳感技術這一檢測技術，該技術是管道檢測技術的主流，具有廣闊的應用前景。本文借用 CFD 軟件，建立三維流動傳質數學模型，來模擬油水在土壤這一多孔介質中石文二相流情況，分別模擬了在冬季不同位置的輸油管道發生泄漏，引起管道周圍土壤溫度場發生的變化和泄露油品在土壤中的擴散情況【4-7】。

1 模型計算

1.1 管道泄漏物理模型

在處理埋地管道泄漏的問題上，建立三維物理模型，對泄漏管道及周圍土壤區域進行模擬，其結果如圖 1（a）所示。所模擬的原油管道埋深為 h 管徑為 D，其模擬的土壤區域為管道周圍 L×H×W 的土壤，其模型劃分的網格為正四面體和正六面體混合型，由于在輸油管壁及輸油管泄漏口附近的溫度梯度變化比較大，對應該在輸油管道及輸油管泄漏口附近的網格進行加密劃分，進而能更好的捕捉到溫度場的變化情況，如圖 1（b）所示。模擬分析管道正上方、正左方、正下方發生泄漏后，輸油管道周圍溫度場在不同時刻的變化情況和泄露油品在土壤中的滲流分布情況，本文的主要研究對象是輸油管道孔泄 漏，因為大地本身有自己的溫度場，并且在距離地面一定深度處，輸油管道散熱對該處的影響會非常小，該深度處的溫度常年變化小于10，可近似認為是恒溫層，同時在距離埋地輸油管道水平徑向的一定距離，輸油管道散熱對該的處影響也非常小，可定義為絕熱面。

由圖 3 可知，管道泄漏初期，大地溫度場變化迅速，并很快形成一個熱影響區域。 隨著泄漏時間的增長，溫度變化逐漸平穩，上孔泄漏 300s 時，等溫線分布比較密集。因為受到輸油管道形狀和輸油管泄漏孔的影響，在管道上方一橢圓區域會成為土壤的高溫區，從泄漏口到地表之間的所有等溫線都有不同程度的上移，但不是很明顯。圖 4 為管道泄漏后油品在土壤中的運移分布，由于管道發生穿孔泄漏， 故可以把泄漏口看作點源，管道泄漏后，管道油品在進入土壤后，會在較短時間內在泄漏口附近形成一個扇形區域。 隨著泄漏的不斷增多，原油在克服土壤黏性阻力和慣性阻力的同時，加之重力作用，熱油不斷向下擴散，導致管道周圍一些等溫線向下移動。

圖 5 為管道正下方穿孔泄漏后管道周圍土壤溫度隨時間的變化， 泄漏初期管道周圍大地溫度變化明顯。 位于管道下面的土壤，溫度高于地表溫度，并且原油會向下滲流，跟上方的泄漏比較，在相同時刻，熱油區域就會稍大一些。 管道下孔泄漏，泄漏量一定范圍內， 油品傳遞的熱量對地表溫度影響很小。圖 6 為管道下孔泄漏后熱油在土壤中的分布，由圖 6 可知，油品泄漏初期分布比較規則，但隨著泄漏量的增加，土壤分布不均勻，油品分布形狀也發生變化，這是因為油品在多孔介質中的流動會受到原有液體的阻滯作用，一部分油品開始向管道上方擴散，進而擴散到地表。

圖 7 為管道正左側穿孔泄漏后管道周圍土壤溫度隨時間的變化規律，其土壤溫度場變化情況與上下口泄漏的變化趨勢相似。 泄漏后， 在管道周圍很快形成一個比較規則的溫度場，泄漏一段時間后，高溫熱油不斷向下移動，等溫線發生不同程度的改變，320K 等溫線由近似橢圓向圓形變化。圖 8 為管道左方穿孔泄漏后熱油在土壤中的分布， 由圖 8 可以看出，泄漏 30s 時，原油軸向分布圖無變化，所以在管線檢測時候某些儀器布置位置要全方位，否則對泄漏初期檢測結果有不同程度的影響。 泄漏一段時間后，先鋒油品移動速度減小，油品開始向管道上方和下方擴散。

3 結論

管道在油氣運輸中起著重要的作用，近年來，泄漏事故頻繁發生在檢測輸油管道附近土壤溫度場的變化實現快速準確，這就給分布式光纖檢測技術提供依據。本文通過 CFD 軟件分別模擬了冬季管道不同位置發生泄漏后周圍土壤溫度場的變化及油品在土壤中的擴散分 布情況，得出以下結論：

（1）管道不同位置發生泄漏后，周圍溫度場變化略有不同，在檢測過程中，應選用精度高的儀器才能更準確快速的檢測到泄漏口位置，及時有效的采取措施，減少損失。

（2） 輸油管道在發生泄漏后，其周圍的溫度場會因季節、氣候、管道埋深、泄漏流速及土壤特性等許多因素的影響而變化，要充分考慮不同影響因素下埋地管道泄漏后周圍土壤溫度場的變化情況，使模擬結果可靠性更高。

參考文獻：

[1] 雷朝. 輸油管道泄漏檢測系統的設計與優化[J]. 天然氣與石油 ，2010，28（5）： 19-21

[2] 潘鑫峰.寒區地下輸油管道泄漏熱影響區域溫度場數值模擬[J].