埋地输油管道泄漏三维数值模拟

李 泽， 马贵阳

(辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001)



埋地输油管道泄漏三维数值模拟

李 泽， 马贵阳

(辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001)

采用有限容积法建立埋地管道周围土壤中油水两相流的三维流动传质数学模型，借助CFD软件分别模拟了冬季管道不同位置发生泄漏后周围土壤温度场的变化及油品在土壤中的扩散分布情况。模拟结果表明，泄漏前，管道周围形成稳定温度场。泄漏后，随管道泄漏位置变化，大地温度场变化不同，油品在土壤中呈不同形状扩散分布。

埋地管道； 泄漏； 数值模拟； 温度场

埋地管道作为主要运输工具，具有经济、安全、环保等优点，尤其在输送液体、气体、浆液等方面具有独特优势。但近几年，随着管道增多、管龄增长及人为因素影响，管道泄漏事故频繁发生，造成经济损失和资源浪费，给人们生活生产带来影响。因此，科学合理的制定埋地管道检测方案具有重要意义。目前，国内外对管道检测技术的研究已很多，并取得了很大的成就。分布式光纤温度传感技术是根据管道泄漏前后周围温度场变化为依据的检测技术，具有精度高、自适应能力强、数据传输和读写速度快等优点，是检测技术的主要研究方向，应用前景广阔[1-4]。本文采用CFD软件建立土壤多孔介质中油水二相流的三维流动传质数学模型，分别模拟埋地管道不同位置泄漏后周围土壤温度场变化及油品在土壤中扩散分布情况。

1 计算模型

1.1 管道泄漏物理模型

针对埋地管道泄漏问题，建立管道泄漏及周围土壤区域的三维物理模型，如图1(a)所示。对埋深h管径D的原油管道周围L×H×W的土壤区域进行模拟，采用正四面体和正六面体混合型体网格进行模型划分，基于管壁及泄漏口附近温度梯度变化较大，对管道及泄漏口附近网格划分应该加密，以确保能更好的捕捉到温度场的变化情况，如图1(b)所示。模拟分析管道正上方、正左方、正下方发生泄漏后不同时刻管道周围温度场的变化情况及油品在土壤中的渗流扩散，本文主要研究管道孔泄漏，由于大地自身具有温度场，且管道散热对距离地面一定深度处影响很小，在此深度温度常年变化低于1 ℃，可近似认为是恒温层，距埋地管道水平径向一定距离处，管道散热对此处影响特别小，可定义为绝热面(无热量交换)。

图1 管道泄漏三维物理模拟及三维网格模型

Fig.1 Three-dimensional physical model and threedimensional grid model of pipeline leakage

土壤作为一种多孔介质，具有一定的孔隙度，因此土壤有很好的储容性，即多孔介质储存和容纳液体的能力。当管道发生泄漏后，管内高温流体会大量渗漏到管道周围土壤中，从而使管道泄漏点附近大地温度场发生变化，该过程可以认为是多孔介质流固耦合换热问题[5-8]，故其控制方程如下：

(1) 质量守恒方程：

(1)

式中：U为流体速度，m/s；ρf为流体密度，kg/m3；t为时间，s。

(2) 动量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

(3) 能量守恒方程：

(5)

式中：γ为液体所占孔隙分数，无量纲量；ρs为固相介质的密度，kg/m3;ρp为多孔介质骨架的密度，kg/m3;hf为液相介质的焓，J/m3；hs为相变后固相介质的焓，J/m3；hp为多孔介质骨架的焓，J/m3；λeff为多孔介质的有效热导率，W/(m·K)。

1.2 边界条件

(5) 在y=-H处， T=Tm为地下恒温层。

2 数值模拟及结果分析

以东北某热油管道为例，管道埋深1.6 m，直径700 mm，且管道外壁包有40 mm厚的聚氨酯保温层，地表环境温度-20 ℃，平均风速1 m/s，土壤密度1 680 kg/m3，比热容2 225 J/(kg·K)，导热系数1.512 W/(m·K)。土壤初始温度为-2 ℃，地下恒温层温度为8 ℃，管内油温52 ℃，密度870 kg/m3，比热容2 150 J/(kg·K)，导热系数0.14 W/(m·K)，黏度2.27×10-4Pa·s。泄漏口直径50 mm，泄漏口流速为2 m/s，土壤孔隙度为0.45，模型计算区域为5 m×5 m×5 m。油品在管道中稳定运行一段时间后，管道周围土壤形成稳定的温度场，该温度场为管道泄漏时的初始条件，对后期土壤温度场变化具有很大影响。管道泄漏前轴向和径向稳定温度场如图2所示。管道下方恒温层温度高于地表温度，土壤吸收相同的热量，管道下方的温度升高比较快，所以管道径向温度场呈立椭圆型分布。又因为管壁温度基本相等，所以轴向温度场近似直线分布。

图3给出管道正上方穿孔泄漏后管道周围土壤温度场随时间的变化。

图2 管道稳定运行径向及轴向温度场

Fig.2 Radial and axial temperature field before pipeline leaking

图3 管道正上方穿孔泄漏径向及轴向土壤温度场随时间变化等直线图

Fig.3 The radial and axial plane soil temperature change with time isograms after perforated leakage occurs above the pipe

由图3可知，管道泄漏初期，大地温度场变化迅速，并很快形成一个热影响区域。随着泄漏时间的增长，温度变化逐渐平稳，上孔泄漏300 s时，等温线分布比较密集。由于受管道形状和泄漏孔的影响，土壤高温区主要集中在管道上方一椭圆区域，从泄漏口到地表之间的所有等温线都有不同程度的上移，但不是很明显。图4为管道泄漏后油品在土壤中的运移分布，由于管道发生穿孔泄漏，故可以把泄漏口看作点源，管道泄漏后，油品进入土壤后很快在泄漏口附近形成一个扇形区域。随着泄漏的延长，泄漏量不断增加，原油在克服土壤黏性阻力和惯性阻力的同时，加之重力作用，热油不断向下扩散，导致管道周围一些等温线向下移动。

图4 管道正上方穿孔泄漏径向及轴向不同时刻土壤中原油分布图

Fig.4 The distribution of oil in radial and axial plane at different times after perforated leakage above the pipe

图5为管道正下方穿孔泄漏后管道周围土壤温度随时间的变化，泄漏初期管道周围大地温度变化明显。由于管道下方土壤温度高于地表的温度，且原油受重力作用向下渗流，与上方泄漏相比较，同一时刻热油区域稍大一些。管道下孔泄漏，泄漏量一定范围内，油品传递的热量对地表温度影响很小。图6为管道下孔泄漏后热油在土壤中的分布，由图6可知，油品泄漏初期分布比较规则，但随着泄漏量的增加，土壤分布不均匀，油品分布形状也发生变化，这是因为油品在多孔介质中的流动会受到原有液体的阻滞作用，一部分油品开始向管道上方扩散，进而扩散到地表。

图5 管道正下方穿孔泄漏径向土壤温度场随时间变化等直线图

Fig.5 The radial and axial plane soil temperature change with time isograms after perforated leakage occurs beneath the pipe

图6 管道正下方穿孔泄漏径向及轴向不同时刻土壤中原油分布图

Fig.6 The distribution of oil in radial and axial plane at different times after perforated leakage beneath the pipe

图7为管道正左侧穿孔泄漏后管道周围土壤温度随时间的变化规律，其土壤温度场变化情况与上下口泄漏的变化趋势相似。泄漏后，在管道周围很快形成一个比较规则的温度场，泄漏一段时间后，高温热油不断向下移动，等温线发生不同程度的改变，320 K等温线由近似椭圆向圆形变化。图8为管道左方穿孔泄漏后热油在土壤中的分布，由图8可以看出，泄漏30 s时，原油轴向分布图无变化，所以在管线检测时候某些仪器布置位置要全方位，否则对泄漏初期检测结果有不同程度的影响。泄漏一段时间后，先锋油品移动速度减小，油品开始向管道上方和下方扩散。

图7 管道正左方穿孔泄漏径向及轴向土壤温度场随时间变化等直线图

Fig.7 The radial and axial plane soil temperature change with time isograms after perforated leakage occurs at the left of pipe

3 结论

管道在油气运输中起着重要的作用，近年来，泄漏事故频繁发生，快速准确的检测管道周围土壤温度场的变化情况，为基于温度变化而实现检测的分布式光纤检测技术提供参考。本文通过CFD软件分别模拟了冬季管道不同位置发生泄漏后周围土壤温度场的变化及油品在土壤中的扩散分布情况，得出以下结论：

(1) 管道不同位置发生泄漏后，周围温度场变化略有不同，在检测过程中，应选用精度高的仪器才能更准确快速的检测到泄漏口位置，及时有效的采取措施，减少损失。

(2) 管道泄漏后周围温度场变化受季节、气候环境、管道埋深、泄漏流速及土壤特性等许多因素的影响，要充分考虑不同影响因素下埋地管道泄漏后周围土壤温度场的变化情况，使模拟结果可靠性更高。

图8 管道正左方穿孔泄漏径向及轴向不同时刻土壤中原油分布图

Fig.8 The distribution of oil in radial and axial plane at different times after perforated leakage at the left of pipe

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(编辑 王亚新)

Three-Dimensional Numerical Simulation of Underground Pipeline Leakage

Li Ze，Ma Guiyang

(School of Petrochemical Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun Liaoning 113001， China)

The three dimensional flow and mass transfer mathematical model of oil-water flow in the soil around underground pipeline is built using the finite volume methodo. The ground temperature change in different locations is numerical simulated by the CFD software when oil pipeline leaks in winter and the range of oil distribution in the soil. The simulation results show that there is a stable temperature field around the pipe before leak, while the changed of temperature fields and the oil distributions are different under three conditions after leak.

Underground pipeline; Leakage; Numerical simulation; Temperature field

1006-396X(2015)05-0085-06

2014-06-04

2014-10-22

辽宁省优秀人才支持计划项目( 2013-ZLG027-1) 。

李泽(1990-)，男，硕士研究生，从事埋地管道泄漏周围土壤传热问题研究；E-mail:137531081@qq.com。

马贵阳(1965-)，男，博士，教授，从事计算流体力学及多孔介质传热传质的研究；E-mail: guiyangma1@163.com。

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.05.017