沿海地区管道漏油分布模拟及试验验证*

岳彬 兰惠清 梁波 顾玉华

1北京航空工程技术研究中心

2北京交通大学机械与电子控制工程学院

管道腐蚀、自然灾害和人为因素等常导致埋地输油管道发生泄漏事故[1]。输油管道发生泄漏不仅会造成能源浪费和经济损失，而且会造成严重的环境污染。尤其是我国经济发达地区主要集中在沿海，该地区输油管道发生泄漏比内陆输油管道泄漏后果更严重，不仅会污染土壤和地下水源，甚至会造成海洋污染，影响整个海洋生态系统。

为此，大量学者应用仿真模拟和试验手段开展了相关研究。李大全[2]在详细分析成品油泄漏事故特征的基础上，提出了漏油的喷射模型、土壤中的渗透模型和油池扩散模型，并定量评价了不同泄漏半径内漏油的危害程度。朱红钧等[3]借助计算流体动力学（CFD）仿真工具详细模拟分析了输油管道单个泄漏点的地下区域，探究了该泄漏点处影响油品流动的重要物理参数。吴国忠等[4]则针对输油管道出现多个泄漏点的实际问题，建立了两相流传热的耦合模型，利用CFD 软件模拟了地下温度场分布和各个泄漏点间的耦合特性。李朝阳[5]和何国玺等[6]建立了输油管道在地下土壤中泄漏和渗流的数学和物理模型，利用CFD 计算漏油在多孔介质中的扩散情况，对泄漏的不同阶段进行了详细研究。付泽第[7]建立了埋地漏油管道二维CFD模型，模拟了埋地成品油管道在土壤中的泄漏特征，仿真得出影响漏油的不同工况参数，并结合实际泄漏事故进行了对比验证。张永龙[8]则通过埋地漏油管道泄漏扩散实验台的搭建，利用实验手段研究了泄漏口孔径和位置、管道压力参数对漏油在土壤中的渗流扩散曲线的影响。李林[9]考虑了温度效应，通过三维流动传质数学模型来模拟西北地区某埋地热油管道在冬季发生泄漏后周围土壤温度场的改变和油品在土壤中的扩散特性。

上述文献均是针对埋地管道油品的泄漏喷射和扩散开展的仿真和试验研究，对于沿海地区输油管道在地下多孔介质中的泄漏扩散过程，以及泄漏结束后地下漏油的分布研究还很少见。因此，本文以某沿海输油管道的泄漏事故为背景，进行详细仿真研究，以期确定管道漏油的分布范围。

1 泄漏扩散模型

1.1 泄漏扩散方程和假设

埋地管道发生漏油后，地下漏油扩散过程可以用多孔介质中多相流驱替来解释，利用相关的数学模型即可分析土壤中漏油的扩散与渗流特性[10]。多孔介质中的物质（流体或者气体）流动一定会遵循各种运动守恒定律，包括动量、质量和能量守恒，以及物质的状态方程[11]。在已知物质特性本构方程前提下，联立求解泄漏原油在土壤中扩散渗流的参数。

本文假设如下：①将漏油视为不挥发物质；②土壤中的多孔介质具有各向同性，无多孔介质变形；③土壤层中的孔隙度和含水量均匀分布；④涉及到的气体都视作理想气体；⑤不存在微生物的降解[12]；⑥油水不相溶；⑦漏油不能渗透混泥土层。

1.2 泄漏扩散模型

基于我国沿海某地区埋地输油管道实际泄漏事故，建立相应的泄漏扩散平面模型。漏油扩散区为100 m×7.6 m 的长方形（图1a），土壤模型上表面为水泥地面，完全不渗油，下表面为地下水位面。漏油管道中心位于长方形中线距基准面4.6 m 处（图1b），即坐标为（50 m，4.6 m）。由于土壤泄漏模拟范围大，为减少网格数量，采用非结构化网格划分，对泄漏口处的网格进行加密处理，如图1b 所示，一共2 219 813个网格。

管材为X42，管径0.25 m，泄漏位置与管道中心的连线与水平面呈逆时针45°夹角，泄漏孔径20 mm（图1c）。输油管道压力1.2 MPa，泄漏口为速度入口，管壁为壁面，四个泄漏空间边界为压力出口，泄漏空间为多孔介质，孔隙度为0.05，初始含水率为0.3。泄漏扩散模型的边界条件如表1所示。

根据工况数据可得，流速v=1.687 67 m/s，运动黏度ν=5.88×10-6m2/s。雷诺数Re=1.182 5×105，湍流强度I=3.716×10-2。

图1 埋地输油管道泄漏扩散模型Fig.1 Leakage and diffusion model of buried oil pipeline

表1 泄漏扩散模拟的边界条件Tab.1 Boundary condition of leakage and diffusion simulation

2 结果分析与讨论

2.1 持续泄漏

刚开始泄漏时，在管道内部输送压力作用下，漏油从管道右上方与水平面呈45°喷射进入土壤。随着持续泄漏，在内压、重力和多孔介质扩散驱动力等共同作用下，漏油向四周扩散渗流，且水平方向比垂直方向的扩散更远，如图2所示。漏油的渗流速度随着扩散距离的增加呈递减趋势。

图2 泄漏后土壤中漏油分布Fig.2 Saturation contour curve of oil in the soil after leakage

图2中白色小圆代表管道横截面，红色区域为漏油泄漏区，漏油已经完全充满土壤中的孔隙。红色边缘区域即为油锋面，颜色从红色过渡到蓝色，表示漏油的体积分数从1 降到了0。泄漏初期，油锋面呈现斜倒置椭圆形，管道内压和土壤毛细管力的共同作用使得漏油从泄漏口射流进入土壤中并快速扩散。同时由于漏油自重，油品的流动不可避免地受到影响，导致漏油沿泄漏口管壁向下渗流产生尾流（图2中黑色线条）。

土壤的孔隙中部分空气和水分等流体，在漏油扩散渗流的驱动下会进行重新分布。从图3可以看出，随着漏油的不断泄漏扩散，泄漏口周围土壤中的水分逐渐减少，汇聚于漏油的周围。

图3 泄漏后土壤中水分布Fig.3 Saturation contour curve of water in the soil after leakage

泄漏口的喷射范围呈半椭圆状，随着喷射距离的增加漏油的流速逐渐降低为0（图4）。同时，泄漏口漏油的喷射方向与泄漏口垂直，与水平面呈45°角，向半椭圆空间扩散，扩散速度不断减小，如图5中黑色箭头所示。

图4 泄漏口速度等值线（m/s）Fig.4 Velocity contour line of leakage hole(m/s)

图5 泄漏口速度矢量分布Fig.5 Velocity vector distribution of leakage hole

2.2 泄漏停止

随着泄漏的继续，可以发现漏油区的油锋面在水平方向的距离略小于竖直方向距离，锋面呈椭圆形状。这可能是由于漏油在土壤中的竖向扩散受重力和毛细压力影响，而水平扩散受毛细压力和土壤阻力影响；随着漏油进一步的扩散渗流，管道上方原本汇聚的油在重力、毛细压力及土壤阻力作用下向下扩散，使得油锋面变成规则的圆形。漏油向下扩散最多并达到地下水位，且漏油只能沿着地下水位面水平扩散。另外，漏油向上只能扩散到混泥土层下表面，如图6 所示。漏油在土壤中扩散的同时，原土壤中的水被排出空隙，并聚集到漏油周围，形成一个水包油的漏油区。

根据边界层理论，因为液体和固体之间存在着界面作用，土壤孔隙的内表面有漏油的不动层，所以漏油属于边界流体。当关闭泄漏段管道两端阀门后，原油泄漏将会停止，而在失去压力以及泄漏初始速度等驱动力后，地下的漏油趋近于稳定状态，不再向周围扩散，从图6中可得到漏油半径约为42 m。

图7是泄漏口处压力的变化曲线，可见在泄漏口中心压力最高，两边迅速降低为零。

图6 泄漏停止后漏油的分布Fig.6 Distribution of oil leak after the end of leakage

图7 泄漏口位置压力分布Fig.7 Pressure distribution of leakage hole

2.3 管道内压影响

本次漏油事故的泄漏口仅为20 mm，属于小孔泄漏，输油管道内压对漏油半径的影响见图8，随着输油管道压力的增加，漏油半径呈指数增大。

图8 管道压力对泄漏半径的影响Fig.8 Effect of pipeline pressure on leakage radius

2.4 泄漏模型校正

多孔介质模型中孔隙度是影响漏油在土壤中扩散运移的重要因素。本次研究管道位于沿海地区人工填海区域，查询管道施工手册可知，该区域的土壤需要分层考虑。因为每层土壤颗粒大小和排列不同，造成土壤的孔隙度不同，所以需要改进泄漏模型，重新假设土壤层的孔隙度沿深度方向呈阶梯状分布。另外从事故调查报告获知，该次泄漏事件共造成约1 200 t 的漏油总量。在前面的研究基础上，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，坐标为（100 m，4.6 m），并运用UDF 编写子程序来描述模型孔隙度的分布，再进行模拟计算。图9为重新得到的漏油在土壤中的扩散分布情况，由图可知漏油半径约为83 m。

图9 漏油在土壤中的扩散分布Fig.9 Distribution of oil in the soil

3 钻孔试验验证

通过对泄漏点附近不同距离的地层进行钻孔试验，来验证本模拟试验的正确性。根据模拟计算结果，参照岩土指南、标准BS 1377 和BS 5930、ASTM 的相关位置选取标准等，分别选取距泄漏点300、120、83、39 和33 m 的五个位置进行打孔。注意需要放置14 m 的套管，目的是验证每处地下土壤中是否有油，含油层厚度是多少，相关试验数据汇总见表2。

表2 钻孔数据Tab.2 Data of drill hole

将仿真数据和钻孔试验获得的数据进行对比，得到图10 所示的曲线，蓝色三角形和红色星号分别代表仿真数据和试验数据。其中离泄漏口最近的E孔，漏油扩散深度为3.32 m，油层厚度为3.23 m；随着距泄漏点距离的增加，油扩散深度越深，油层厚度越小。可以发现，当离泄漏口较远时，比如达到A、B孔，此时地下便没有发现漏油。

另外，通过测量钻孔获取的土壤样品孔隙度，发现不同深度土壤的孔隙度分布与前文所假设的土壤孔隙度分布比较符合，故图9所示的漏油扩散分布情况得到了有效验证，同时也说明土壤孔隙度对油品扩散的影响很大。

图10 仿真与钻井试验数据拟合对比Fig.10 Fitting comparison between the simulation and drilling test data

4 结论

以我国南方沿海地区输油管道泄漏事故为例，采用多孔介质的多相流体动力学理论，构建了该沿海输油管道泄漏扩散的CFD 模型，结合漏油总量仿真模拟该泄漏事故的漏油扩散过程，得到泄漏停止后的漏油扩散半径。对泄漏周围不同位置进行钻孔试验验证，分析漏油在地下的分布及油层厚度情况，表明仿真取得了较好的模拟效果。本文模拟获得的漏油分布规律可为沿海地区输油管道泄漏事故的应急处理提供理论指导。