海底管道泄漏參數(shù)靈敏度分析

盧盛燦，張　軍*，臧曉剛，龔　翔，陳懷民

（1.集美大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室，福建 廈門 361021）

海底管道泄漏參數(shù)靈敏度分析

盧盛燦1，2，張軍1，2*，臧曉剛1，龔翔1，陳懷民2

（1.集美大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省能源清潔利用與開發(fā)重點實驗室，福建 廈門 361021）

文章利用FLUENT軟件中的歐拉模型，對海底管道油氣兩相泄漏進行仿真，分別模擬沒有氣體擴散及有氣體擴散的情況，考慮了氣泡尺寸、海流、泄漏率及油的種類等因素對油氣運動形態(tài)的影響，采用靈敏度理論，計算出油在水下漂移距離及到達水面的時間的靈敏度。計算結(jié)果表明，泄漏率對油到達水面的時間的靈敏性最高，海流對油在水下漂移距離的靈敏性最高。該靈敏度分析結(jié)果可為管道泄漏應(yīng)急決策提供理論依據(jù)。

FLUENT；海流；泄漏率；靈敏度

海底石油管道被稱為油田的生命線，海底管道的安全、可靠運行是海底管道的根本保證。隨著海底石油資源開采和石油長距離運輸不斷增多，管道泄漏事故不斷增多，事故一旦發(fā)生，造成廣泛的海洋環(huán)境污染和對野生動物棲息地嚴重的破壞以及漁業(yè)、旅游業(yè)等傷害。如2010年4月20日，位于墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，大約36 h后沉入墨西哥灣，11名工作人員死亡，經(jīng)濟損失達幾十億美元。浮油面積隨后擴大至美國東海岸地區(qū)，其污染直接導(dǎo)致墨西哥灣沿岸1 000 nmile長的濕地和海灘被毀，漁業(yè)受損，脆弱的物種滅絕［1］。海底管道泄漏以后的油氣擴散的形態(tài)及軌跡的研究對采取緊急措施及應(yīng)急計劃尤為重要。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對海底管道的失效情況及管道泄漏油氣擴散的形態(tài)進行了研究，關(guān)鍵問題包括:（1）石油第一次到達表面的大概位置和所需要的時間；（2）在表面的浮油大小和濃度分布；（3）石油達到水表面是否會改變體積密度。國外學(xué)者Yapa P D，Dasanayaka L K，Wimalaratne M R等在文獻 ［3］中研究了油氣泄漏以后的羽流動態(tài)模型和平流模型，確定石油分別在兩種不同模型下，到達水面的時間及具體位置。文獻［2］中研究了油氣在深海低溫高壓的情況下，油滴在上升過程中的形態(tài)變化，其結(jié)果表明，在油滴直徑小于0.5 mm的情況下，油滴能在水下長時間停留。袁朝慶、郝佳寧［4］等考慮了管道泄漏以后的流場的耦合作用，分析管道泄漏對周圍海水溫度場的影響及石油上浮的擴散形態(tài)。本文以某一海洋平臺周圍海底管道為背景，考慮了海底管道的泄漏參數(shù)靈敏度，對管道油氣擴散過程進行詳細的分析，給出了各個參數(shù)對海底油氣上升到水面的時間及水平漂移距離的影響程度，對管道風險評估工作及采用有效的應(yīng)急措施、應(yīng)急規(guī)劃具有一定得參考作用。

1　靈敏度分析方法及歐拉理論模型

1.1靈敏度分析方法

不同的研究領(lǐng)域，靈敏度分析的內(nèi)容不同，本文主要討論海底管道水下溢油數(shù)值模型中參數(shù)靈敏度的分析方法，靈敏度分析是模型參數(shù)識別過程的重要步驟之一，其結(jié)果對采取應(yīng)急措施及應(yīng)急規(guī)劃有重要的指示作用。有助于決策者根據(jù)靈敏度的分析做出正確的決策，使與泄漏有關(guān)的損失降到最低。

1.1.1局部靈敏度分析方法局部靈敏度分析是用于檢驗一個參數(shù)的變化對海底管道溢油數(shù)值模擬結(jié)果的影響，分析時只改變一個參數(shù)變量的值，其他的不變，逐一地分析每個參數(shù)變化對管道泄漏模擬結(jié)果的影響，可以理解為模型設(shè)計函數(shù)F（x1，x2，…，xn）因某個設(shè)計變量xi（i=1，2，…，n）發(fā)生變化而引起其函數(shù)值的變化。

式中:Si為變量xi的靈敏度；F（x1，x2，…，xn）為模型設(shè)計函數(shù)，xi是第i個變量，由上式可知，Si的絕對值越大，表示xi越靈敏，對函數(shù)的影響程度越大。

1.1.2全局靈敏度分析方法在局部靈敏度分析的基礎(chǔ)上，挑選出對數(shù)值模型結(jié)果影響較大的參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)之間的相關(guān)性分別作不同的組合，分析不同參數(shù)組合對模型的影響，克服了單一參數(shù)靈敏度分析的局限性，使得模型更加準確，但其計算難度大、工作量也較大。多參數(shù)組合靈敏度分析指的是具有m個自變量的多元函數(shù)F中n個自變量發(fā)生變化而引起函數(shù)值的變化，其中有Cnm種組合，每一種組合定義為Cnm（i），其中n≤m。某幾個參數(shù)組合Cnm（i）對函數(shù)F的靈敏度如式（2）所示［5］。

式中：Sc（i）為某幾個參數(shù)組合Cnm（i）對函數(shù)F的靈敏度。

1.2歐拉模型

歐拉模型把彌散相和連續(xù)流體相一樣看作是連續(xù)介質(zhì)，并同時建立一套包含n個動量方程和連續(xù)性方程的方程組來求解每一相。控制方程如下所示［6］。

式中：k代表相的角標；ρk為第k相所占氣體或液體密度；ρ為混合密度，由各相密度加權(quán)求得；μk為第k相的歐拉相速度；Pk為各相的壓力標量；I為單位張量；T為剪應(yīng)力張量；gk為重力加速度向量；ek為比熱力學(xué)能；qk為微團熱值；S為源相。

2　算例

在解決海底管道泄漏擴散問題上，有各種模型方法來處理，例如傳統(tǒng)的氣體擴散模型、高斯嚴羽模型、軌跡煙云模型、sutton模型、淺層模型、BM模型等［7］，但在海底管道泄漏應(yīng)用上具有一定的限制。

本文算例采用通用計算流體軟件FLUENT中的歐拉模型，模擬二維20 m海底管道水下泄漏油氣擴散，分別考慮了在不同海流、不同油滴尺寸、不同泄漏率及不同油的種類等參數(shù)，采用因子變換法對海底管道泄漏數(shù)值模型進行局部靈敏度分析。首先模擬管道只有油泄漏的情況，其次模擬油氣同時泄漏情況，選取海流參數(shù)C進行靈敏度分析，同時保持其他值不變，將C增加一定的值，每改變一次參數(shù)值，就運行一次模型，不輸出與C變化相關(guān)的油在水下的漂移距離及上升到海面的時間，作為靈敏度分析的依據(jù)。其他各項靈敏度計算過程與C的靈敏度計算過程類似。模型參數(shù)如下：

表1　模型參數(shù)

表2　參數(shù)屬性

通過采用流體網(wǎng)格劃分軟件ICEM，對計算區(qū)域進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格局部放大如圖1所示。

圖1　網(wǎng)格局部放大

沒有氣體擴散下的計算結(jié)果如圖2所示。

圖2　沒有氣體擴散海流與水平距離關(guān)系圖

圖3　各參數(shù)對水平距離標準差靈敏度

圖4　各參數(shù)對時間標準差靈敏度

有氣體擴散下的計算結(jié)果如圖5所示。

圖5　氣泡尺寸D=1 mm海流與水平距離結(jié)果圖

圖6　氣泡尺寸D=5 mm海流與水平距離結(jié)果圖

圖7　氣泡尺寸D=9 mm海流與水平距離結(jié)果圖

圖8　各參數(shù)對水平距離標準差靈敏度

圖9　各參數(shù)對時間標準差靈敏度

3　參數(shù)靈敏度分析

（1）在沒有氣體擴散的情況下，根據(jù)圖2可知，在海流C小于0.1 m/s，泄漏率Q為0.002 8～0.003 6 m3/s時，密度較小的油，其水平漂移距離隨海流的增大而明顯增大；當海流C＞0.1 m/s后，密度大的油，其水平距離隨海流變化更加顯著。泄漏率Q=0.042 m3/s時，三種不同密度的油，隨海流的增加，水平距離相互趨近。根據(jù)圖3可知，海流對水平距離的影響程度約為43%；泄漏率約為33%；油的種類約為24%。由圖4可知，海流對油到達水面的時間的影響程度約為10%；泄漏率為73%；油的種類約為17%。綜上可知，在沒有氣體擴散的情況下，各參數(shù)對水平距離的靈敏度的順序為：SHC＞SHQ＞SHt，對油到達水面的時間的靈敏度的順序為：STQ＞STt＞STc。

（2）在有氣體擴散的情況下，由圖5可知，氣泡尺寸為D=1 mm，泄漏率Q=0.002 8 m3/s，油的水平距離隨海流的增大而平緩增長；Q為0.003 6～ 0.004 2 m3/s，海流大于0.1 m/s時，水平距離迅速增長。由圖6可知，氣泡尺寸為D=5 mm，海流大于0.1 m/s，水平距離的增大隨海流的增大而變平緩；如圖7，氣泡尺寸為D=9 mm，任意一種油，都是隨著海流的增大而保持穩(wěn)定增大。由圖8可知，海流對水平距離的影響程度為44%；泄漏率約為19.6%；油的種類為32%；氣泡尺寸約為4.4%。由圖9可知，海流對油到水面的時間影響約為5.6%；泄漏率為65%；油的種類約為19.7%，氣泡尺寸約為9.7%。綜上可知，在有氣泡擴散的情況下，各參數(shù)對水平距離的靈敏度順序為：SHC>SHt>SHQ>SHD，對油到達水面的時間的靈敏度的順序為：STQ>STt>STD>STC。

4　結(jié)論

參數(shù)靈敏度分析可以確定不同參數(shù)對海底管道泄漏到達水面的時間及水平漂移距離的影響程度，在采取緊急措施及應(yīng)急規(guī)劃中起重要作用，通過靈敏度的分析，可以針對相應(yīng)的海況環(huán)境，優(yōu)先處理問題。從文章的分析可知，海流是影響水平漂移距離的重要因素，泄漏率及石油的種類都是影響石油上升到水面的時間的重要因素。其次，在有氣體擴散的情況下，其氣泡尺寸對石油上升的時間具有不可忽略的影響，氣泡尺寸越大，石油上升的時間越短。

針對較為復(fù)雜的海況，文章沒有考慮到參數(shù)的隨機性及更多的海況參數(shù)，研究表明［3］，溫度、鹽度及海浪都是影響泄漏石油運動形態(tài)軌跡的重要參數(shù)。這將有待于進一步研究分析。

［1］楊玉峰，苗韌，安琪，等.墨西哥灣漏油事件因果分析及對我國的啟示和建議［J］.中國能源，2010，32（8）：13-17.

［2］YapaPD，WimalaratneMR，DissanayakeAL.HowDoesOilandGasBehaveWhenReleasedinDeepwater［J］.JournalofHydro-environment Research，2012，6：275-285.

［3］DasanayakaLK，YapaPD.RoleofPlumeDynamicsPhasein aDeep WaterOiland Gas Release Model［J］.JournalofHydro-environment Research，2009，2：243-253.

［4］袁朝慶，郝佳寧，等.海底懸跨石油管道泄漏流場和溫度場耦合分析［J］.壓力容器，2013，30（5）：23-27.

［5］郝靜，張永祥，薛瀟，等.地下水流數(shù)值模型內(nèi)部參數(shù)靈敏度分析［J］.人民黃河，2013，35（6）：83-86.

［6］唐家鵬.Fluent14.0超級學(xué)習(xí)手冊［M］.北京：人民郵電出版社.

［7］景海泳，余建星，杜尊峰，等.海底管道水下氣體擴散FLUENT仿真分析［J］.海洋技術(shù)，2012，31（3）：82-85.

Analysis on the Sensitivity of Submarine Pipeline Leakage Parameters

LU Sheng-can1，2，ZHANG Jun1，2，ZANG Xiao-gang1，GONG Xiang1，CHEN Huai-min2
1.College of Mechanical and Energy Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，F(xiàn)ujian Province，China；
2.Fujian Province Key Laboratory of Energy Clean Utilization and Development，Jimei University，Xiamen 361021，F(xiàn)ujian Province，China

In this paper，the FLUENT software is used to simulate the two phase（oil and gas）leakage of submarine pipelines.The effects of bubble size，ocean currents，leakage rate and oil kinds on the oil and gas flow are taken into account.The sensitivity theory is applied to calculate the sensitivity of the drift distance of oil underwater and of the time for the oil to reach the water surface，respectively.The calculating results show that the sensitivity of leakage rate is the highest when the oil reaches the water surface，and the sensitivity of ocean currents is the highest to the drift distance of the oil.The sensitivity analysis results can provide theoretical basis for Pipeline Leakage Emergency Decision Making.

FLUENT；ocean currents；leakage rate；sensitivity

TE991.5

A

1003-2029（2016）04-0103-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.019

2016-01-27

福建省高校專項資助項目（JK2012027）；福建省科技計劃資助項目（2014H6019）

盧盛燦（1989-），碩士研究生，主要從事海底管道腐蝕泄漏研究。E-mail：brilliance_lshc@126.com

張軍（1966-），博士，副教授，主要研究方向為多相流體流動、流體靜電霧化技術(shù)、海洋能利用、流體機械化等。E-mail：bull0202@sina.com