沿海地區(qū)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(shù)研究中心

2北京交通大學(xué)機械與電子控制工程學(xué)院

管道腐蝕、自然災(zāi)害和人為因素等常導(dǎo)致埋地輸油管道發(fā)生泄漏事故[1]。輸油管道發(fā)生泄漏不僅會造成能源浪費和經(jīng)濟損失，而且會造成嚴重的環(huán)境污染。尤其是我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)主要集中在沿海，該地區(qū)輸油管道發(fā)生泄漏比內(nèi)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?xí)斐珊Ｑ笪廴?，影響整個海洋生態(tài)系統(tǒng)。

為此，大量學(xué)者應(yīng)用仿真模擬和試驗手段開展了相關(guān)研究。李大全[2]在詳細分析成品油泄漏事故特征的基礎(chǔ)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(nèi)漏油的危害程度。朱紅鈞等[3]借助計算流體動力學(xué)（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(qū)域，探究了該泄漏點處影響油品流動的重要物理參數(shù)。吳國忠等[4]則針對輸油管道出現(xiàn)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(shù)學(xué)和物理模型，利用CFD 計算漏油在多孔介質(zhì)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(shù)，并結(jié)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(shù)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(yīng)，通過三維流動傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型來模擬西北地區(qū)某埋地?zé)嵊凸艿涝诙景l(fā)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(qū)輸油管道在地下多孔介質(zhì)中的泄漏擴散過程，以及泄漏結(jié)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(shè)

埋地管道發(fā)生漏油后，地下漏油擴散過程可以用多孔介質(zhì)中多相流驅(qū)替來解釋，利用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型即可分析土壤中漏油的擴散與滲流特性[10]。多孔介質(zhì)中的物質(zhì)（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(zhì)量和能量守恒，以及物質(zhì)的狀態(tài)方程[11]。在已知物質(zhì)特性本構(gòu)方程前提下，聯(lián)立求解泄漏原油在土壤中擴散滲流的參數(shù)。

本文假設(shè)如下：①將漏油視為不揮發(fā)物質(zhì)；②土壤中的多孔介質(zhì)具有各向同性，無多孔介質(zhì)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(qū)埋地輸油管道實際泄漏事故，建立相應(yīng)的泄漏擴散平面模型。漏油擴散區(qū)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(wǎng)格數(shù)量，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對泄漏口處的網(wǎng)格進行加密處理，如圖1b 所示，一共2 219 813個網(wǎng)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(zhì)，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(jù)工況數(shù)據(jù)可得，流速v=1.687 67 m/s，運動黏度ν=5.88×10-6m2/s。雷諾數(shù)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(jié)果分析與討論

2.1 持續(xù)泄漏

剛開始泄漏時，在管道內(nèi)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(xù)泄漏，在內(nèi)壓、重力和多孔介質(zhì)擴散驅(qū)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(qū)域為漏油泄漏區(qū)，漏油已經(jīng)完全充滿土壤中的孔隙。紅色邊緣區(qū)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(shù)從1 降到了0。泄漏初期，油鋒面呈現(xiàn)斜倒置橢圓形，管道內(nèi)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(dǎo)致漏油沿泄漏口管壁向下滲流產(chǎn)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(qū)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(xù)，可以發(fā)現(xiàn)漏油區(qū)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(guī)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(qū)。

根據(jù)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(nèi)表面有漏油的不動層，所以漏油屬于邊界流體。當(dāng)關(guān)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(qū)動力后，地下的漏油趨近于穩(wěn)定狀態(tài)，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(nèi)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(nèi)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(shù)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(zhì)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(qū)人工填海區(qū)域，查詢管道施工手冊可知，該區(qū)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(shè)土壤層的孔隙度沿深度方向呈階梯狀分布。另外從事故調(diào)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(chǔ)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(jù)模擬計算結(jié)果，參照巖土指南、標準BS 1377 和BS 5930、ASTM 的相關(guān)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(guān)試驗數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 鉆孔數(shù)據(jù)Tab.2 Data of drill hole

將仿真數(shù)據(jù)和鉆孔試驗獲得的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)。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?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)離泄漏口較遠時，比如達到A、B孔，此時地下便沒有發(fā)現(xiàn)漏油。

另外，通過測量鉆孔獲取的土壤樣品孔隙度，發(fā)現(xiàn)不同深度土壤的孔隙度分布與前文所假設(shè)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(shù)據(jù)擬合對比Fig.10 Fitting comparison between the simulation and drilling test data

4 結(jié)論

以我國南方沿海地區(qū)輸油管道泄漏事故為例，采用多孔介質(zhì)的多相流體動力學(xué)理論，構(gòu)建了該沿海輸油管道泄漏擴散的CFD 模型，結(jié)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(guī)律可為沿海地區(qū)輸油管道泄漏事故的應(yīng)急處理提供理論指導(dǎo)。