李 澤， 馬貴陽

(遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順 113001)

?

埋地輸油管道泄漏三維數(shù)值模擬

李 澤， 馬貴陽

(遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順 113001)

采用有限容積法建立埋地管道周圍土壤中油水兩相流的三維流動傳質(zhì)數(shù)學模型，借助CFD軟件分別模擬了冬季管道不同位置發(fā)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。模擬結(jié)果表明，泄漏前，管道周圍形成穩(wěn)定溫度場。泄漏后，隨管道泄漏位置變化，大地溫度場變化不同，油品在土壤中呈不同形狀擴散分布。

埋地管道； 泄漏； 數(shù)值模擬； 溫度場

埋地管道作為主要運輸工具，具有經(jīng)濟、安全、環(huán)保等優(yōu)點，尤其在輸送液體、氣體、漿液等方面具有獨特優(yōu)勢。但近幾年，隨著管道增多、管齡增長及人為因素影響，管道泄漏事故頻繁發(fā)生，造成經(jīng)濟損失和資源浪費，給人們生活生產(chǎn)帶來影響。因此，科學合理的制定埋地管道檢測方案具有重要意義。目前，國內(nèi)外對管道檢測技術(shù)的研究已很多，并取得了很大的成就。分布式光纖溫度傳感技術(shù)是根據(jù)管道泄漏前后周圍溫度場變化為依據(jù)的檢測技術(shù)，具有精度高、自適應能力強、數(shù)據(jù)傳輸和讀寫速度快等優(yōu)點，是檢測技術(shù)的主要研究方向，應用前景廣闊[1-4]。本文采用CFD軟件建立土壤多孔介質(zhì)中油水二相流的三維流動傳質(zhì)數(shù)學模型，分別模擬埋地管道不同位置泄漏后周圍土壤溫度場變化及油品在土壤中擴散分布情況。

1 計算模型

1.1 管道泄漏物理模型

針對埋地管道泄漏問題，建立管道泄漏及周圍土壤區(qū)域的三維物理模型，如圖1(a)所示。對埋深h管徑D的原油管道周圍L×H×W的土壤區(qū)域進行模擬，采用正四面體和正六面體混合型體網(wǎng)格進行模型劃分，基于管壁及泄漏口附近溫度梯度變化較大，對管道及泄漏口附近網(wǎng)格劃分應該加密，以確保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(fā)生泄漏后不同時刻管道周圍溫度場的變化情況及油品在土壤中的滲流擴散，本文主要研究管道孔泄漏，由于大地自身具有溫度場，且管道散熱對距離地面一定深度處影響很小，在此深度溫度常年變化低于1 ℃，可近似認為是恒溫層，距埋地管道水平徑向一定距離處，管道散熱對此處影響特別小，可定義為絕熱面(無熱量交換)。

圖1 管道泄漏三維物理模擬及三維網(wǎng)格模型

Fig.1 Three-dimensional physical model and threedimensional grid model of pipeline leakage

土壤作為一種多孔介質(zhì)，具有一定的孔隙度，因此土壤有很好的儲容性，即多孔介質(zhì)儲存和容納液體的能力。當管道發(fā)生泄漏后，管內(nèi)高溫流體會大量滲漏到管道周圍土壤中，從而使管道泄漏點附近大地溫度場發(fā)生變化，該過程可以認為是多孔介質(zhì)流固耦合換熱問題[5-8]，故其控制方程如下：

(1) 質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中：U為流體速度，m/s；ρf為流體密度，kg/m3；t為時間，s。

(2) 動量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

(3) 能量守恒方程：

(5)

式中：γ為液體所占孔隙分數(shù)，無量綱量；ρs為固相介質(zhì)的密度，kg/m3;ρp為多孔介質(zhì)骨架的密度，kg/m3;hf為液相介質(zhì)的焓，J/m3；hs為相變后固相介質(zhì)的焓，J/m3；hp為多孔介質(zhì)骨架的焓，J/m3；λeff為多孔介質(zhì)的有效熱導率，W/(m·K)。

1.2 邊界條件

(5) 在y=-H處， T=Tm為地下恒溫層。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

以東北某熱油管道為例，管道埋深1.6 m，直徑700 mm，且管道外壁包有40 mm厚的聚氨酯保溫層，地表環(huán)境溫度-20 ℃，平均風速1 m/s，土壤密度1 680 kg/m3，比熱容2 225 J/(kg·K)，導熱系數(shù)1.512 W/(m·K)。土壤初始溫度為-2 ℃，地下恒溫層溫度為8 ℃，管內(nèi)油溫52 ℃，密度870 kg/m3，比熱容2 150 J/(kg·K)，導熱系數(shù)0.14 W/(m·K)，黏度2.27×10-4Pa·s。泄漏口直徑50 mm，泄漏口流速為2 m/s，土壤孔隙度為0.45，模型計算區(qū)域為5 m×5 m×5 m。油品在管道中穩(wěn)定運行一段時間后，管道周圍土壤形成穩(wěn)定的溫度場，該溫度場為管道泄漏時的初始條件，對后期土壤溫度場變化具有很大影響。管道泄漏前軸向和徑向穩(wěn)定溫度場如圖2所示。管道下方恒溫層溫度高于地表溫度，土壤吸收相同的熱量，管道下方的溫度升高比較快，所以管道徑向溫度場呈立橢圓型分布。又因為管壁溫度基本相等，所以軸向溫度場近似直線分布。

圖3給出管道正上方穿孔泄漏后管道周圍土壤溫度場隨時間的變化。

圖2 管道穩(wěn)定運行徑向及軸向溫度場

Fig.2 Radial and axial temperature field before pipeline leaking

圖3 管道正上方穿孔泄漏徑向及軸向土壤溫度場隨時間變化等直線圖

Fig.3 The radial and axial plane soil temperature change with time isograms after perforated leakage occurs above the pipe

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(qū)域。隨著泄漏時間的增長，溫度變化逐漸平穩(wěn)，上孔泄漏300 s時，等溫線分布比較密集。由于受管道形狀和泄漏孔的影響，土壤高溫區(qū)主要集中在管道上方一橢圓區(qū)域，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(fā)生穿孔泄漏，故可以把泄漏口看作點源，管道泄漏后，油品進入土壤后很快在泄漏口附近形成一個扇形區(qū)域。隨著泄漏的延長，泄漏量不斷增加，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4 管道正上方穿孔泄漏徑向及軸向不同時刻土壤中原油分布圖

Fig.4 The distribution of oil in radial and axial plane at different times after perforated leakage above the pipe

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。由于管道下方土壤溫度高于地表的溫度，且原油受重力作用向下滲流，與上方泄漏相比較，同一時刻熱油區(qū)域稍大一些。管道下孔泄漏，泄漏量一定范圍內(nèi)，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(guī)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(fā)生變化，這是因為油品在多孔介質(zhì)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5 管道正下方穿孔泄漏徑向土壤溫度場隨時間變化等直線圖

Fig.5 The radial and axial plane soil temperature change with time isograms after perforated leakage occurs beneath the pipe

圖6 管道正下方穿孔泄漏徑向及軸向不同時刻土壤中原油分布圖

Fig.6 The distribution of oil in radial and axial plane at different times after perforated leakage beneath the pipe

圖7為管道正左側(cè)穿孔泄漏后管道周圍土壤溫度隨時間的變化規(guī)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(guī)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(fā)生不同程度的改變，320 K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30 s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(jié)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。

圖7 管道正左方穿孔泄漏徑向及軸向土壤溫度場隨時間變化等直線圖

Fig.7 The radial and axial plane soil temperature change with time isograms after perforated leakage occurs at the left of pipe

3 結(jié)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(fā)生，快速準確的檢測管道周圍土壤溫度場的變化情況，為基于溫度變化而實現(xiàn)檢測的分布式光纖檢測技術(shù)提供參考。本文通過CFD軟件分別模擬了冬季管道不同位置發(fā)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(jié)論：

(1) 管道不同位置發(fā)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) 管道泄漏后周圍溫度場變化受季節(jié)、氣候環(huán)境、管道埋深、泄漏流速及土壤特性等許多因素的影響，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(jié)果可靠性更高。

圖8 管道正左方穿孔泄漏徑向及軸向不同時刻土壤中原油分布圖

Fig.8 The distribution of oil in radial and axial plane at different times after perforated leakage at the left of pipe

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

Lei Chao. Design and optimization of oil pipeline leakage detection system[J]. Natural Gas and Oil, 2010，28(5):19-21.

[2] Singh B.NACE interview：integrity management solutions for offshore pipeline corrosion[J]. Pipeline & Gas Journal，2011，238(3)：20-22.

[3] 馬貴陽，杜明俊，付曉東，等. 管道冬季泄漏土壤熱波動及原油滲流數(shù)值計算[J]. 西南石油大學學報:自然科學版，2010，32(6)：169-174.

Ma Guiyang,Du Mingjun,Fu Xiaodong,et al. Calculation of the thermal fluctuation value and oil seepage value when pipeline leaks in winter[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Seience & Technology Edition), 2010，32(6)：169-174.

[4] 袁朝慶，龐鑫峰，張敏政. 埋地管道泄漏三維大地溫度場仿真分析[J]. 西安石油大學學報:自然科學版，2007，22(2)：166-172.

Yuan Zhaoqing, Pang Xinfeng,Zhang Minzheng. Simulation of 3D earth temperature field formed by the leakage of the underground thermal pipeline[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Seience & Technology Edition), 2007，22(2)：166-172.

[5] 王曉冬. 滲流力學基礎(chǔ)[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2006.

[6] 潘鑫峰. 寒區(qū)地下輸油管道泄漏熱影響區(qū)域溫度場數(shù)值模擬[J]. 油氣田地面工程，2008，27(6)：31-33.

Pang Xinfeng. Temperature field numerical simulation in the heat affect zone for the leakage of underground oil transportation pipeline in cold area[J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2008，27(6):31-33.

[7] 李澤,馬貴陽. 埋地不同壓力管道泄漏的數(shù)值模擬[J]. 遼寧石油化工大學學報,2015,35(1):24-28.

Li Ze,Ma Guiyang. Numerical simulation of underground pipeline leakage in different pressure [J]. Journal of Liaoning Shihua University,2015,35(1):24-28.

[8] Wu G Z ，Zheng Z，Li H D. Influence of soil frozen impact on heat transfer during process of buried pipeline leakage[C]// International forum on porous flow and applications，Wuhan. PRC：[s. n.]，2009.

[9] 楊世銘. 傳熱學[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

(編輯 王亞新)

Three-Dimensional Numerical Simulation of Underground Pipeline Leakage

Li Ze，Ma Guiyang

(School of Petrochemical Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun Liaoning 113001， China)

The three dimensional flow and mass transfer mathematical model of oil-water flow in the soil around underground pipeline is built using the finite volume methodo. The ground temperature change in different locations is numerical simulated by the CFD software when oil pipeline leaks in winter and the range of oil distribution in the soil. The simulation results show that there is a stable temperature field around the pipe before leak, while the changed of temperature fields and the oil distributions are different under three conditions after leak.

Underground pipeline; Leakage; Numerical simulation; Temperature field

1006-396X(2015)05-0085-06

2014-06-04

2014-10-22

遼寧省優(yōu)秀人才支持計劃項目( 2013-ZLG027-1) 。

李澤(1990-)，男，碩士研究生，從事埋地管道泄漏周圍土壤傳熱問題研究；E-mail:137531081@qq.com。

馬貴陽(1965-)，男，博士，教授，從事計算流體力學及多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)的研究；E-mail: guiyangma1@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.05.017