埋地输油管道泄漏三维数值模拟研究

李的林

摘要： 以东北某热油管道为例，选取有限容积法建立三维流动传质数学模型，来模拟油水在埋地管道周围土壤中的两相流情况，借用 CFD 软件，分别模拟了在冬季不同位置的输油管道发生泄漏，引起输油管道周围土壤温度场发生的变化和泄露油品在土壤中的扩散情况。模拟结果显示，在输油管道发生泄漏前，管道周围已经形成了比较稳定的温度场。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 300s 时，等温线分布比较密集。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。在输油管道发生泄漏后，不同的泄漏位置，相应位置周围的大地温度场也跟着变化，泄露油品在土壤中呈显形状各不相同的扩散分布。

关键词： 埋地管道；泄漏；数值模拟；温度场

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

埋地管道作为主要运输工具，具有经济、安全、环保等优点，尤其是在许多方面具有特别的优势，例如在输送液体、气体等方面。 但是在最近几年，由于管道数量不断增多、管道使用时间不断增长以及一些人为因素的影响，经常会发生管道泄漏事故，造成损失，所以制定一种合理的埋地管道泄漏检测方案这一问题就显得尤为重要【1-3】。根据管道泄漏前后周围的大地温度场变化为依据，产生了分布式光纤温度传感技术这一检测技术，该技术是管道检测技术的主流，具有广阔的应用前景。本文借用 CFD 软件，建立三維流动传质数学模型，来模拟油水在土壤这一多孔介质中石文二相流情况，分别模拟了在冬季不同位置的输油管道发生泄漏，引起管道周围土壤温度场发生的变化和泄露油品在土壤中的扩散情况【4-7】。

1 模型计算

1.1 管道泄漏物理模型

在处理埋地管道泄漏的问题上，建立三维物理模型，对泄漏管道及周围土壤区域进行模拟，其结果如图 1（a）所示。所模拟的原油管道埋深为 h 管径为 D，其模拟的土壤区域为管道周围 L×H×W 的土壤，其模型划分的网格为正四面体和正六面体混合型，由于在输油管壁及输油管泄漏口附近的温度梯度变化比较大，对应该在输油管道及输油管泄漏口附近的网格进行加密划分，进而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，输油管道周围温度场在不同时刻的变化情况和泄露油品在土壤中的渗流分布情况，本文的主要研究对象是输油管道孔泄 漏，因为大地本身有自己的温度场，并且在距离地面一定深度处，输油管道散热对该处的影响会非常小，该深度处的温度常年变化小于10，可近似认为是恒温层，同时在距离埋地输油管道水平径向的一定距离，输油管道散热对该的处影响也非常小，可定义为绝热面。

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 300s 时，等温线分布比较密集。因为受到输油管道形状和输油管泄漏孔的影响，在管道上方一椭圆区域会成为土壤的高温区，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，管道油品在进入土壤后，会在较短时间内在泄漏口附近形成一个扇形区域。 随着泄漏的不断增多，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 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。 位于管道下面的土壤，温度高于地表温度，并且原油会向下渗流，跟上方的泄漏比较，在相同时刻，热油区域就会稍大一些。 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 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，320K 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 30s 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。

3 结论

管道在油气运输中起着重要的作用，近年来，泄漏事故频繁发生在检测输油管道附近土壤温度场的变化实现快速准确，这就给分布式光纤检测技术提供依据。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）管道不同位置發生泄漏后，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） 输油管道在发生泄漏后，其周围的温度场会因季节、气候、管道埋深、泄漏流速及土壤特性等许多因素的影响而变化，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。

参考文献：

[1] 雷朝. 输油管道泄漏检测系统的设计与优化[J]. 天然气与石油 ，2010，28（5）： 19-21

[2] 潘鑫峰.寒区地下输油管道泄漏热影响区域温度场数值模拟[J].