埋地輸油管道泄漏三維數(shù)值模擬研究

李的林

摘要： 以東北某熱油管道為例，選取有限容積法建立三維流動(dòng)傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，來(lái)模擬油水在埋地管道周圍土壤中的兩相流情況，借用 CFD 軟件，分別模擬了在冬季不同位置的輸油管道發(fā)生泄漏，引起輸油管道周圍土壤溫度場(chǎng)發(fā)生的變化和泄露油品在土壤中的擴(kuò)散情況。模擬結(jié)果顯示，在輸油管道發(fā)生泄漏前，管道周圍已經(jīng)形成了比較穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。管道泄漏初期，大地溫度場(chǎng)變化迅速，并很快形成一個(gè)熱影響區(qū)域。 隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，溫度變化逐漸平穩(wěn)，上孔泄漏 300s 時(shí)，等溫線分布比較密集。泄漏一段時(shí)間后，先鋒油品移動(dòng)速度減小，油品開始向管道上方和下方擴(kuò)散。在輸油管道發(fā)生泄漏后，不同的泄漏位置，相應(yīng)位置周圍的大地溫度場(chǎng)也跟著變化，泄露油品在土壤中呈顯形狀各不相同的擴(kuò)散分布。

關(guān)鍵詞： 埋地管道；泄漏；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)

Abstract： to the Northeast oil pipeline as an example，select the finite volume method establish three‐dimensional flow and mass transfer mathematical model，to simulate two‐phase oil and water in the soil around the buried pipeline flow，using CFD software，simulated respectively in winter at different positions of the pipeline leak，caused by diffusion of oil pipeline and the surrounding soil temperature field changes and oil leakage in the soil. The simulation results show that a relatively stable temperature field has been formed around the pipeline before the pipeline is leaking. In the early stage of pipeline leakage，the earth's temperature field is changing rapidly，and a heat affected area is rapidly formed. With the increase of the leakagetime，thetemperaturechangesgradually，andthedistributionofthe300sismoreintensive.Afteraperiodoftime，thespeedofmovementofthe pioneer oil decreased，and the oil began to spread to the upper and lower part of the pipe. After the oil pipeline leak，the different leakageposition，

correspondingtothelocation oftheeartharoundthetemperaturefieldisalsochanged，theleakageofoilinthesoilwassignificantlydifferentfromthe

spread of the distribution.

Key words： buried pipeline；leakage；numerical simulation；temperature field

埋地管道作為主要運(yùn)輸工具，具有經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在許多方面具有特別的優(yōu)勢(shì)，例如在輸送液體、氣體等方面。 但是在最近幾年，由于管道數(shù)量不斷增多、管道使用時(shí)間不斷增長(zhǎng)以及一些人為因素的影響，經(jīng)常會(huì)發(fā)生管道泄漏事故，造成損失，所以制定一種合理的埋地管道泄漏檢測(cè)方案這一問題就顯得尤為重要【1-3】。根據(jù)管道泄漏前后周圍的大地溫度場(chǎng)變化為依據(jù)，產(chǎn)生了分布式光纖溫度傳感技術(shù)這一檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是管道檢測(cè)技術(shù)的主流，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文借用 CFD 軟件，建立三維流動(dòng)傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，來(lái)模擬油水在土壤這一多孔介質(zhì)中石文二相流情況，分別模擬了在冬季不同位置的輸油管道發(fā)生泄漏，引起管道周圍土壤溫度場(chǎng)發(fā)生的變化和泄露油品在土壤中的擴(kuò)散情況【4-7】。

1 模型計(jì)算

1.1 管道泄漏物理模型

在處理埋地管道泄漏的問題上，建立三維物理模型，對(duì)泄漏管道及周圍土壤區(qū)域進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖 1（a）所示。所模擬的原油管道埋深為 h 管徑為 D，其模擬的土壤區(qū)域?yàn)楣艿乐車?L×H×W 的土壤，其模型劃分的網(wǎng)格為正四面體和正六面體混合型，由于在輸油管壁及輸油管泄漏口附近的溫度梯度變化比較大，對(duì)應(yīng)該在輸油管道及輸油管泄漏口附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密劃分，進(jìn)而能更好的捕捉到溫度場(chǎng)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，輸油管道周圍溫度場(chǎng)在不同時(shí)刻的變化情況和泄露油品在土壤中的滲流分布情況，本文的主要研究對(duì)象是輸油管道孔泄 漏，因?yàn)榇蟮乇旧碛凶约旱臏囟葓?chǎng)，并且在距離地面一定深度處，輸油管道散熱對(duì)該處的影響會(huì)非常小，該深度處的溫度常年變化小于10，可近似認(rèn)為是恒溫層，同時(shí)在距離埋地輸油管道水平徑向的一定距離，輸油管道散熱對(duì)該的處影響也非常小，可定義為絕熱面。

由圖 3 可知，管道泄漏初期，大地溫度場(chǎng)變化迅速，并很快形成一個(gè)熱影響區(qū)域。 隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，溫度變化逐漸平穩(wěn)，上孔泄漏 300s 時(shí)，等溫線分布比較密集。因?yàn)槭艿捷斢凸艿佬螤詈洼斢凸苄孤┛椎挠绊?，在管道上方一橢圓區(qū)域會(huì)成為土壤的高溫區(qū)，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(yùn)移分布，由于管道發(fā)生穿孔泄漏， 故可以把泄漏口看作點(diǎn)源，管道泄漏后，管道油品在進(jìn)入土壤后，會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)在泄漏口附近形成一個(gè)扇形區(qū)域。 隨著泄漏的不斷增多，原油在克服土壤黏性阻力和慣性阻力的同時(shí)，加之重力作用，熱油不斷向下擴(kuò)散，導(dǎo)致管道周圍一些等溫線向下移動(dòng)。

圖 5 為管道正下方穿孔泄漏后管道周圍土壤溫度隨時(shí)間的變化， 泄漏初期管道周圍大地溫度變化明顯。 位于管道下面的土壤，溫度高于地表溫度，并且原油會(huì)向下滲流，跟上方的泄漏比較，在相同時(shí)刻，熱油區(qū)域就會(huì)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(duì)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?yàn)橛推吩诙嗫捉橘|(zhì)中的流動(dòng)會(huì)受到原有液體的阻滯作用，一部分油品開始向管道上方擴(kuò)散，進(jìn)而擴(kuò)散到地表。

圖 7 為管道正左側(cè)穿孔泄漏后管道周圍土壤溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，其土壤溫度場(chǎng)變化情況與上下口泄漏的變化趨勢(shì)相似。 泄漏后， 在管道周圍很快形成一個(gè)比較規(guī)則的溫度場(chǎng)，泄漏一段時(shí)間后，高溫?zé)嵊筒粩嘞蛳乱苿?dòng)，等溫線發(fā)生不同程度的改變，320K 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 30s 時(shí)，原油軸向分布圖無(wú)變化，所以在管線檢測(cè)時(shí)候某些儀器布置位置要全方位，否則對(duì)泄漏初期檢測(cè)結(jié)果有不同程度的影響。 泄漏一段時(shí)間后，先鋒油品移動(dòng)速度減小，油品開始向管道上方和下方擴(kuò)散。

3 結(jié)論

管道在油氣運(yùn)輸中起著重要的作用，近年來(lái)，泄漏事故頻繁發(fā)生在檢測(cè)輸油管道附近土壤溫度場(chǎng)的變化實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確，這就給分布式光纖檢測(cè)技術(shù)提供依據(jù)。本文通過(guò) 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(chǎng)的變化及油品在土壤中的擴(kuò)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(chǎng)變化略有不同，在檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)選用精度高的儀器才能更準(zhǔn)確快速的檢測(cè)到泄漏口位置，及時(shí)有效的采取措施，減少損失。

（2） 輸油管道在發(fā)生泄漏后，其周圍的溫度場(chǎng)會(huì)因季節(jié)、氣候、管道埋深、泄漏流速及土壤特性等許多因素的影響而變化，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(chǎng)的變化情況，使模擬結(jié)果可靠性更高。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 潘鑫峰.寒區(qū)地下輸油管道泄漏熱影響區(qū)域溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J].