Z形管不同位置泄漏的數(shù)值模擬

杜義朋，王為民，馬 躍，于麗麗，張純靜，高艷波，張國軍

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

Z形管不同位置泄漏的數(shù)值模擬

杜義朋，王為民，馬 躍，于麗麗，張純靜，高艷波，張國軍

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

油氣管道的泄漏易引發(fā)重大的安全事故并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，特別是我國有些地區(qū)管網(wǎng)運(yùn)行已有 30多年，發(fā)生泄漏幾率很大。及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏事故并作出合理的解決方案，對控制事故的發(fā)展和減少由此帶來的損失有著重要的意義。利用CFD仿真軟件和有限容積法借助多相流VOF模型，研究了上下兩個(gè)彎頭的Z形管不同漏點(diǎn)的復(fù)雜工況，考慮了重力的影響，對其壓力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對不同位置漏點(diǎn)對泄漏的影響做出了理論分析。

Z形輸油管； 泄漏； 數(shù)值模擬

中國管道工業(yè)發(fā)展至今已有50多年的歷史，我國在役特別是以東北管網(wǎng)為代表的輸油管道已經(jīng)運(yùn)行了30年以上，經(jīng)過多年腐蝕及內(nèi)外沖刷后，存在嚴(yán)重的安全隱患，導(dǎo)致泄露的可能性很高[1,2]。

油氣管道的泄漏易引發(fā)重大的安全事故并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道泄漏事故對控制事故的發(fā)展和減少由此帶來的損失有著重要的意義。各國科技人員相繼開發(fā)了一系列油氣管道泄漏監(jiān)測技術(shù)[3-5]，主要有：負(fù)壓波泄漏監(jiān)測技術(shù)[7]、音波泄漏監(jiān)測技術(shù)[8]、質(zhì)量平衡法[9]、實(shí)時(shí)模型法、統(tǒng)計(jì)分析法等等。但是在復(fù)雜工況下，各種方法都存在各自的不足[10]。如何經(jīng)濟(jì)有效地減少漏報(bào)誤報(bào)，及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測管線，防止和減少泄露的發(fā)生，對于管線的安全運(yùn)行、人民群眾和國家的財(cái)產(chǎn)安全以及環(huán)境保護(hù)都有著重要意義[11]。

利用CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真軟件和有限容積法借助多相流VOF(Volume of Fluid)模型[12]，研究上下兩個(gè)彎頭的Z形管不同漏點(diǎn)的復(fù)雜工況，對其壓力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對不同位置漏點(diǎn)對泄漏的影響做出了理論分析。

1 幾何模型

以某輸油Z形管道為例，公稱管徑為720 mm，兩個(gè)彎頭的彎徑比都為2。彎頭外側(cè)泄漏口徑為80 mm，原油進(jìn)口速度為2 m/s，含水率為20%，考慮重力影響，建立二維模型。幾何模型見圖 1，出口與泄漏口均采用壓力出口，并對泄漏口附近區(qū)域采用局部加密技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 Z形管幾何模型Fig.1 Z-shaped pipe geometry

2 控制方程

2.1 有限元法

本文采用了處理這種問題常用的有限元法得到了該問題的，體積分?jǐn)?shù)方程：

式中：mpq是p相到q相的質(zhì)量輸送，mqp是q相到p相的質(zhì)量輸送，若q相體積分?jǐn)?shù)被跟蹤，則每一單元的密度為：

2.2 湍流方程

考慮到泄漏處流動復(fù)雜且油水密度比較接近，本文采用了標(biāo)準(zhǔn)的k- 雙標(biāo)準(zhǔn)方程[4]。模型中定義為：

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；Gb是由于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；為可壓縮湍流脈動膨脹對總得耗散率的影響；為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取 1.92、取0.09；分別為湍動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，為湍動普朗特?cái)?shù)，取0.85；gi為重力加速度在i方向上的分量；Mt為湍動馬赫數(shù)，a為聲速。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及理論分析

在泄漏口徑為0.08 m時(shí)，分別選取原油速度1.5,2, 2.5 m/s進(jìn)行數(shù)值模擬。Z形管上下彎頭泄漏壓強(qiáng)分布圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 Z形管下部彎頭泄漏時(shí)不同輸送速度等壓圖Fig.2 Lower Z-shaped elbow pipe leakage pressure diagram under different transmission speed

圖3 Z形管上部彎頭泄漏時(shí)不同輸送速度等壓圖Fig.3 Z-shaped pipe upper part leakage pressure diagram under different conveying speed

由圖2、圖3可知，泄漏口徑不變隨著流速的增加，等壓線分布越來越稀疏，壓力梯度增大。速度越大管壁外側(cè)負(fù)高壓區(qū)增大，最大壓力亦增大。特別是，Z形管上部彎頭在輸送速度由2 m/s到2.5 m/s時(shí)最大壓力值急劇減小，從-800帕減小到-1 500帕。速度越大管壁內(nèi)側(cè)負(fù)壓區(qū)增大，最大負(fù)壓值亦增大。特別是，Z形管上部彎頭在輸送速度由2 m/s到2.5 m/s時(shí)最大負(fù)壓值急劇增大，從600帕升高到150帕。這是由于油流流經(jīng)彎頭時(shí)，由于離心慣心力的作用，外壁壓力升高，內(nèi)壁壓力降低；這樣，靠近外壁產(chǎn)生擴(kuò)散效應(yīng)，內(nèi)壁則產(chǎn)生收斂效應(yīng)。又由于離心慣性力的作用，油流在彎管中力圖向外壁方向流動，因此加強(qiáng)了油流對內(nèi)壁的脫離。

4 結(jié)束語

（1）分析了 Z形管上下彎頭泄漏且考慮重力影響的壓力場，對泄漏后壓力場的變化進(jìn)行了數(shù)值模擬。

（2）通過對比發(fā)現(xiàn)，Z形管上部彎頭泄漏與下部彎頭泄漏在速度相對較小時(shí)壓力隨輸送速度增大逐漸增大，但是速度相對較高時(shí)，特別是在 2 m/s到2.5 m/s的范圍內(nèi)上部彎頭壓力場變化劇烈。因此對于Z形管的復(fù)雜工況，單一考慮一個(gè)彎頭且忽略重力是有待完善的。

（3）鑒于上下彎頭不同情況，在泄漏時(shí)通過增大流速來減少相對漏油量的方法[13]在具體實(shí)施過程中，對于上下彎頭泄漏時(shí)采取的措施應(yīng)該分別制定，特別是在合適流速的選取上。

［1］余洋．2007年中國油氣管道發(fā)展綜述[J]．國際石油經(jīng)濟(jì)，2008(3)：45-51.

［2］蒲明．中國油氣管道發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]．國際石油經(jīng)濟(jì)，2009(3)：40-47.

［3］ Witness Mpesha,Sraha L.Gssaman,M.Hanif Chaudhry. Leak detection in pipes by frequency response method[J].Journal of Hydraulic Endineering,2001(2)：134-147.

［4］王雪亮，蘇欣，楊偉．油氣管道泄漏技術(shù)綜述[J]．天然氣與石油，2007，25（3）：19-23.

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［6］亓 強(qiáng)，劉吉東．應(yīng)用負(fù)壓波法檢測管道泄漏的技術(shù)研究[J]．油氣田地面工程,2002，21(1)：100.

［7］熊慶生，劉奕伽．音波管道泄漏檢測系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程,2010，29(8)：59.

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［9］ 張連文．管道泄漏檢測技術(shù)及評價(jià)[J]．油氣田地面工程,2003，22(4)：1-3.

［10］王振堂，趙志勇，周世剛，劉碧峰，李建軍．幾種長輸管道泄漏監(jiān)測技術(shù)的分析對比[J]．油氣田地面工程2003，22(10)：58．

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［12］ 朱紅鈞，林元華，謝龍漢．FLUENT流體分析及仿真實(shí)用教程[M]．北京：人民郵電出版社，2010.

［13］李朝陽，馬貴陽，劉亮，等．輸油彎管泄漏數(shù)值模擬[J]．當(dāng)代化工，2011，40（4）：420-422.

Numerical Simulation of Z-shaped Pipeline Leakage in Different Locations

DU Yi-peng,WANG Wei-min,MA Yue,Y U Li-li,ZHANG Chun-jing,GAO Yan-bo,ZHANG Guo-jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Oil and gas pipeline leakage easily leads to major security incidents which can cause huge economic loss,especially in some parts of the pipe network in China which has run for over 30 years, leakage probability is bigger.Timely detection of pipeline leakage and making a reasonable solution are significant for the control of accidents. In this paper, using CFD simulation software and the finite volume method, complex conditions of Z-shaped tube leakage in different locations were studied with multiphase VOF model. Taking into account the effect of gravity, numerical simulation of the pressure field was carried out, and effect of different leakage locations on the leakage was analyzed.

Z-shaped pipeline; Leakage; Numerical simulation

TQ 019

A

1671-0460（2012）01-0095-03

2011-11-03

杜義朋（1986-），男，山東濱州人，在讀研究生，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，研究方向：油氣管道輸送技術(shù)。E-mail：duyu.love@163.com。