沿海地區管道漏油分布模擬及試驗驗證*

岳彬 蘭惠清 梁波 顧玉華

1北京航空工程技術研究中心

2北京交通大學機械與電子控制工程學院

管道腐蝕、自然災害和人為因素等常導致埋地輸油管道發生泄漏事故[1]。輸油管道發生泄漏不僅會造成能源浪費和經濟損失，而且會造成嚴重的環境污染。尤其是我國經濟發達地區主要集中在沿海，該地區輸油管道發生泄漏比內陸輸油管道泄漏后果更嚴重，不僅會污染土壤和地下水源，甚至會造成海洋污染，影響整個海洋生態系統。

為此，大量學者應用仿真模擬和試驗手段開展了相關研究。李大全[2]在詳細分析成品油泄漏事故特征的基礎上，提出了漏油的噴射模型、土壤中的滲透模型和油池擴散模型，并定量評價了不同泄漏半徑內漏油的危害程度。朱紅鈞等[3]借助計算流體動力學（CFD）仿真工具詳細模擬分析了輸油管道單個泄漏點的地下區域，探究了該泄漏點處影響油品流動的重要物理參數。吳國忠等[4]則針對輸油管道出現多個泄漏點的實際問題，建立了兩相流傳熱的耦合模型，利用CFD 軟件模擬了地下溫度場分布和各個泄漏點間的耦合特性。李朝陽[5]和何國璽等[6]建立了輸油管道在地下土壤中泄漏和滲流的數學和物理模型，利用CFD 計算漏油在多孔介質中的擴散情況，對泄漏的不同階段進行了詳細研究。付澤第[7]建立了埋地漏油管道二維CFD模型，模擬了埋地成品油管道在土壤中的泄漏特征，仿真得出影響漏油的不同工況參數，并結合實際泄漏事故進行了對比驗證。張永龍[8]則通過埋地漏油管道泄漏擴散實驗臺的搭建，利用實驗手段研究了泄漏口孔徑和位置、管道壓力參數對漏油在土壤中的滲流擴散曲線的影響。李林[9]考慮了溫度效應，通過三維流動傳質數學模型來模擬西北地區某埋地熱油管道在冬季發生泄漏后周圍土壤溫度場的改變和油品在土壤中的擴散特性。

上述文獻均是針對埋地管道油品的泄漏噴射和擴散開展的仿真和試驗研究，對于沿海地區輸油管道在地下多孔介質中的泄漏擴散過程，以及泄漏結束后地下漏油的分布研究還很少見。因此，本文以某沿海輸油管道的泄漏事故為背景，進行詳細仿真研究，以期確定管道漏油的分布范圍。

1 泄漏擴散模型

1.1 泄漏擴散方程和假設

埋地管道發生漏油后，地下漏油擴散過程可以用多孔介質中多相流驅替來解釋，利用相關的數學模型即可分析土壤中漏油的擴散與滲流特性[10]。多孔介質中的物質（流體或者氣體）流動一定會遵循各種運動守恒定律，包括動量、質量和能量守恒，以及物質的狀態方程[11]。在已知物質特性本構方程前提下，聯立求解泄漏原油在土壤中擴散滲流的參數。

本文假設如下：①將漏油視為不揮發物質；②土壤中的多孔介質具有各向同性，無多孔介質變形；③土壤層中的孔隙度和含水量均勻分布；④涉及到的氣體都視作理想氣體；⑤不存在微生物的降解[12]；⑥油水不相溶；⑦漏油不能滲透混泥土層。

1.2 泄漏擴散模型

基于我國沿海某地區埋地輸油管道實際泄漏事故，建立相應的泄漏擴散平面模型。漏油擴散區為100 m×7.6 m 的長方形（圖1a），土壤模型上表面為水泥地面，完全不滲油，下表面為地下水位面。漏油管道中心位于長方形中線距基準面4.6 m 處（圖1b），即坐標為（50 m，4.6 m）。由于土壤泄漏模擬范圍大，為減少網格數量，采用非結構化網格劃分，對泄漏口處的網格進行加密處理，如圖1b 所示，一共2 219 813個網格。

管材為X42，管徑0.25 m，泄漏位置與管道中心的連線與水平面呈逆時針45°夾角，泄漏孔徑20 mm（圖1c）。輸油管道壓力1.2 MPa，泄漏口為速度入口，管壁為壁面，四個泄漏空間邊界為壓力出口，泄漏空間為多孔介質，孔隙度為0.05，初始含水率為0.3。泄漏擴散模型的邊界條件如表1所示。

根據工況數據可得，流速v=1.687 67 m/s，運動黏度ν=5.88×10-6m2/s。雷諾數Re=1.182 5×105，湍流強度I=3.716×10-2。

圖1 埋地輸油管道泄漏擴散模型Fig.1 Leakage and diffusion model of buried oil pipeline

表1 泄漏擴散模擬的邊界條件Tab.1 Boundary condition of leakage and diffusion simulation

2 結果分析與討論

2.1 持續泄漏

剛開始泄漏時，在管道內部輸送壓力作用下，漏油從管道右上方與水平面呈45°噴射進入土壤。隨著持續泄漏，在內壓、重力和多孔介質擴散驅動力等共同作用下，漏油向四周擴散滲流，且水平方向比垂直方向的擴散更遠，如圖2所示。漏油的滲流速度隨著擴散距離的增加呈遞減趨勢。

圖2 泄漏后土壤中漏油分布Fig.2 Saturation contour curve of oil in the soil after leakage

圖2中白色小圓代表管道橫截面，紅色區域為漏油泄漏區，漏油已經完全充滿土壤中的孔隙。紅色邊緣區域即為油鋒面，顏色從紅色過渡到藍色，表示漏油的體積分數從1 降到了0。泄漏初期，油鋒面呈現斜倒置橢圓形，管道內壓和土壤毛細管力的共同作用使得漏油從泄漏口射流進入土壤中并快速擴散。同時由于漏油自重，油品的流動不可避免地受到影響，導致漏油沿泄漏口管壁向下滲流產生尾流（圖2中黑色線條）。

土壤的孔隙中部分空氣和水分等流體，在漏油擴散滲流的驅動下會進行重新分布。從圖3可以看出，隨著漏油的不斷泄漏擴散，泄漏口周圍土壤中的水分逐漸減少，匯聚于漏油的周圍。

圖3 泄漏后土壤中水分布Fig.3 Saturation contour curve of water in the soil after leakage

泄漏口的噴射范圍呈半橢圓狀，隨著噴射距離的增加漏油的流速逐漸降低為0（圖4）。同時，泄漏口漏油的噴射方向與泄漏口垂直，與水平面呈45°角，向半橢圓空間擴散，擴散速度不斷減小，如圖5中黑色箭頭所示。

圖4 泄漏口速度等值線（m/s）Fig.4 Velocity contour line of leakage hole(m/s)

圖5 泄漏口速度矢量分布Fig.5 Velocity vector distribution of leakage hole

2.2 泄漏停止

隨著泄漏的繼續，可以發現漏油區的油鋒面在水平方向的距離略小于豎直方向距離，鋒面呈橢圓形狀。這可能是由于漏油在土壤中的豎向擴散受重力和毛細壓力影響，而水平擴散受毛細壓力和土壤阻力影響；隨著漏油進一步的擴散滲流，管道上方原本匯聚的油在重力、毛細壓力及土壤阻力作用下向下擴散，使得油鋒面變成規則的圓形。漏油向下擴散最多并達到地下水位，且漏油只能沿著地下水位面水平擴散。另外，漏油向上只能擴散到混泥土層下表面，如圖6 所示。漏油在土壤中擴散的同時，原土壤中的水被排出空隙，并聚集到漏油周圍，形成一個水包油的漏油區。

根據邊界層理論，因為液體和固體之間存在著界面作用，土壤孔隙的內表面有漏油的不動層，所以漏油屬于邊界流體。當關閉泄漏段管道兩端閥門后，原油泄漏將會停止，而在失去壓力以及泄漏初始速度等驅動力后，地下的漏油趨近于穩定狀態，不再向周圍擴散，從圖6中可得到漏油半徑約為42 m。

圖7是泄漏口處壓力的變化曲線，可見在泄漏口中心壓力最高，兩邊迅速降低為零。

圖6 泄漏停止后漏油的分布Fig.6 Distribution of oil leak after the end of leakage

圖7 泄漏口位置壓力分布Fig.7 Pressure distribution of leakage hole

2.3 管道內壓影響

本次漏油事故的泄漏口僅為20 mm，屬于小孔泄漏，輸油管道內壓對漏油半徑的影響見圖8，隨著輸油管道壓力的增加，漏油半徑呈指數增大。

圖8 管道壓力對泄漏半徑的影響Fig.8 Effect of pipeline pressure on leakage radius

2.4 泄漏模型校正

多孔介質模型中孔隙度是影響漏油在土壤中擴散運移的重要因素。本次研究管道位于沿海地區人工填海區域，查詢管道施工手冊可知，該區域的土壤需要分層考慮。因為每層土壤顆粒大小和排列不同，造成土壤的孔隙度不同，所以需要改進泄漏模型，重新假設土壤層的孔隙度沿深度方向呈階梯狀分布。另外從事故調查報告獲知，該次泄漏事件共造成約1 200 t 的漏油總量。在前面的研究基礎上，重新建立新尺寸的管-土模型（200 m×7.6 m），泄漏管道位于中心，坐標為（100 m，4.6 m），并運用UDF 編寫子程序來描述模型孔隙度的分布，再進行模擬計算。圖9為重新得到的漏油在土壤中的擴散分布情況，由圖可知漏油半徑約為83 m。

圖9 漏油在土壤中的擴散分布Fig.9 Distribution of oil in the soil

3 鉆孔試驗驗證

通過對泄漏點附近不同距離的地層進行鉆孔試驗，來驗證本模擬試驗的正確性。根據模擬計算結果，參照巖土指南、標準BS 1377 和BS 5930、ASTM 的相關位置選取標準等，分別選取距泄漏點300、120、83、39 和33 m 的五個位置進行打孔。注意需要放置14 m 的套管，目的是驗證每處地下土壤中是否有油，含油層厚度是多少，相關試驗數據匯總見表2。

表2 鉆孔數據Tab.2 Data of drill hole

將仿真數據和鉆孔試驗獲得的數據進行對比，得到圖10 所示的曲線，藍色三角形和紅色星號分別代表仿真數據和試驗數據。其中離泄漏口最近的E孔，漏油擴散深度為3.32 m，油層厚度為3.23 m；隨著距泄漏點距離的增加，油擴散深度越深，油層厚度越小。可以發現，當離泄漏口較遠時，比如達到A、B孔，此時地下便沒有發現漏油。

另外，通過測量鉆孔獲取的土壤樣品孔隙度，發現不同深度土壤的孔隙度分布與前文所假設的土壤孔隙度分布比較符合，故圖9所示的漏油擴散分布情況得到了有效驗證，同時也說明土壤孔隙度對油品擴散的影響很大。

圖10 仿真與鉆井試驗數據擬合對比Fig.10 Fitting comparison between the simulation and drilling test data

4 結論

以我國南方沿海地區輸油管道泄漏事故為例，采用多孔介質的多相流體動力學理論，構建了該沿海輸油管道泄漏擴散的CFD 模型，結合漏油總量仿真模擬該泄漏事故的漏油擴散過程，得到泄漏停止后的漏油擴散半徑。對泄漏周圍不同位置進行鉆孔試驗驗證，分析漏油在地下的分布及油層厚度情況，表明仿真取得了較好的模擬效果。本文模擬獲得的漏油分布規律可為沿海地區輸油管道泄漏事故的應急處理提供理論指導。