海底輸油管道溢油輸移擴散特性

朱耘志，楊宏偉

（中國南水北調(diào)集團中線有限公司，北京 100032）

在能源需求的驅(qū)動下，石油開采技術(shù)隨之發(fā)展與進步，石油資源的開采逐步由陸地轉(zhuǎn)向海洋，其中，在海洋油氣開發(fā)中，采用管道運輸是最為高效開采手段。然而，對于海底輸油管道而言，復(fù)雜多變的海洋環(huán)境無疑帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，全球范圍內(nèi)的海底輸油管道溢油事故時有發(fā)生。因此，進行海底輸油管道溢油輸移擴散特性研究對海洋油氣開發(fā)事故處理具有重要意義。

目前關(guān)于海底輸油管溢油擴散的研究：馬孜豪等研究了溢油孔徑、洋流速度及泄漏速度對海底輸油管道柴油泄漏的擴散特性的影響，結(jié)果表明洋流速度影響泄漏擴散的主要因素；Lalith K.Dasanayaka 等對具有羽流運動階段和平流擴散階段的模型和只有平流擴散階段的簡化模型進行了比較； Lindo-Atichati,D研究了溢油油滴尺寸、溢油速率、高壓生物降解和垂直海水流速等對溢油輸移的影響；Zhu 等對海底管道溢油擴散進行數(shù)值模擬，預(yù)測了海底溢油到達(dá)海面的時間及最大遷移距離。

綜上可以發(fā)現(xiàn)：目前國內(nèi)外關(guān)于水下溢油研究已經(jīng)取得大量研究成果，但水深對泄露輸移擴散的影響多見于天然氣管路泄露，且以往研究中多沒有考慮油氣泄露一段時間后，溢油管段兩端的閥門被關(guān)閉對溢油速度的影響。本文將采用Euler-Euler 雙流體模型對海底輸油管道泄露過程進行數(shù)值模擬，主要探討海水流速、溢油密度、溢油初速度及水深因素對溢油輸移擴散距離的影響。本文所做研究成果可為溢油事故處置方案的制定提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 數(shù)值模擬過程

1.1 數(shù)值模型

連續(xù)方程

動量方程

1.2 計算模型

根據(jù)工程實際建立數(shù)值計算幾何模型如圖1所示，其中，y 軸對稱的二維矩形，其水平方向的長度隨水深進行調(diào)整，為 60 m 或 80 m；泄漏口位于底邊長度的四等分點處，且D=0.06 m。

圖1 幾何模型

對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，并對泄漏口處進行局部加密如圖2所示，最終劃分網(wǎng)格數(shù)量為 252778。

圖2 網(wǎng)格局部加密

設(shè)置模型左側(cè)為洋流速度入口，速度為0.05- 0.25 m/s；右側(cè)為自由出流邊界條件；D 處泄漏口為速度入口邊界條件，并考慮溢油泄露后關(guān)閉閥門進行應(yīng)急處置，使得溢油速率非均勻且隨時間變化，適當(dāng)簡化后可得溢油速率隨時間變化曲線如圖3所示，溢油速度通過UDF 進行定義。

圖3 溢油速度隨時間變化曲線

2 結(jié)果分析

如圖4所示為溢油輸移擴散過程圖，由圖可見：t=3s 時，溢油的主干部分幾乎垂直于海底平面，t=15s 時，溢油主干部分的傾斜程度越來越大，溢流頂部明顯可見漩渦狀流形，t=40s 時，溢流抵達(dá)水面，并沿水流方向擴散，t=46s 時，由于閥門關(guān)閉，泄露速率降低，溢流主干處出現(xiàn)斷裂。

圖4 溢油擴散過程

2.1 海水流速的影響

如圖5所示，當(dāng)溢油密度為780 kg/m，溢流初速度為15m/s，水深為20 m 時，由于海水流速的增大，使得溢流在水平方向上的速度顯著增大，相同時間內(nèi)，溢流在水平方向輸移擴散的距離也就越遠(yuǎn)。故隨著海水流速的增大，石油到達(dá)水平面后沿著海水方向的輸移擴散距離也隨之增大。

圖5 溢油擴散距離隨海水流速的變化曲線

2.2 溢油密度的影響

圖6給出了海水流速為0.1 m/s，溢流初速度為15m/s，水深為20 m 時，溢油擴散距離隨溢油密度的變化曲線，由圖可知：隨著溢油密度的增大，溢油在水面上的擴散距離隨之減小，這是由于溢油密度越大，溢油擴散輸移所需的推動力越大，故海水流速不變的條件下，輸移擴散的距離越小。

圖6 溢油擴散距離隨溢油密度的變化曲線

2.3 溢油初速度的影響

圖7給出了海水流速為0.1 m/s，溢油密度為780 kg/m，水深為20 m 時，溢油擴散距離隨溢油初速度的變化曲線。由圖可知：由于溢流初速度越大，溢油所具有的初始動量就越大，油品到達(dá)水面所需的時間就越短，橫向水流對油品作用的時間就越短，從而使得油品沿海水方向的輸移擴散距離越短，故隨著溢油初速度的增大，溢油輸移擴散的距離隨之減小。

圖7 溢油擴散距離隨溢油初速度的變化曲線

2.4 水深的影響

圖8所示為海水流速為0.1 m/s，溢油密度為780 kg/m，溢流初速度為15m/s 時，溢油擴散距離隨水深的變化曲線。由圖可見：當(dāng)水深小于35m 時，隨著水深的增大，溢油輸移擴散距離呈緩慢增大，而當(dāng)水深大于35m 時，輸移擴散距離急劇增大。這是由于水深增大使得溢油到達(dá)水面的時間延長，海水作用時間更長，溢油擴散距離越遠(yuǎn)，當(dāng)水深足夠深時，由圖8可知，溢油時間超過40s 后，溢油初始速度大幅降低，溢流所受到的推動能也大幅降低，進一步增大溢油到達(dá)水面的時間，這也使得輸移擴散距離進一步增大。

圖8 溢油擴散距離隨水深的變化曲線

3 結(jié)論

本文對不同工況下海底輸油管道溢油擴散過程進行數(shù)值模擬，并探討海水流速、溢油密度、溢油初速度以及水深因素對溢油輸移擴散距離影響行為。結(jié)論如下：

海水流速、溢油密度、溢油初速度以及水深均會影響溢油擴散距離，其中，海水流速的影響尤為顯著。此外，海水流速越大、溢油的密度越小、溢油初速度越小、水深越深，溢油輸移擴散距離越大。