高雪利，馬貴陽，高忠杰

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

模擬與計(jì)算

埋地輸油管道泄漏對大地溫度場影響數(shù)值模擬

高雪利，馬貴陽，高忠杰

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

管道泄露后引起流體能量遷移，滲流場對溫度場產(chǎn)生較大影響。分析了滲流場與土壤溫度場的耦合作用，采用有限容積法建立管道泄漏多孔介質(zhì)流固耦合換熱數(shù)學(xué)模型，界定合理的邊界條件，利用SIMPLE算法進(jìn)行數(shù)值求解。得到了管道泄漏前后大地溫度場的變化規(guī)律。結(jié)果表明：管道泄漏后，一定時(shí)間內(nèi)管道附近大地溫度場波動明顯。隨著泄漏時(shí)間的延續(xù)影響區(qū)內(nèi)溫度場變化逐漸趨于平穩(wěn)。在管線周圍一定范圍內(nèi)布置光纖傳感器，應(yīng)用分布式光纖溫度傳感技術(shù)檢查管道泄漏是可行的。

分布式傳感技術(shù)； 光纖溫度傳感器； 泄漏； 多孔介質(zhì)； 溫度場

埋地管道具有便利、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、使用年限長等優(yōu)點(diǎn)，尤其在運(yùn)輸液體、氣體、漿液等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。近年來隨著管道輸油輸氣應(yīng)用的增多、管道使用年齡增長以及管道受損、腐蝕、地理?xiàng)l件和各地氣候變化等因素的影響，泄漏事故頻繁發(fā)生，造成很大的資源浪費(fèi)并且給環(huán)境問題帶來巨大的壓力。因此制定科學(xué)合理的埋地管道檢漏方案具有很大的實(shí)際意義。國內(nèi)外目前對管道泄漏的探測主要分為監(jiān)測和檢測兩種方法。應(yīng)用比較廣范的主要有，負(fù)壓波檢測法，流量平衡法，壓力點(diǎn)分析法，噪聲監(jiān)測，漏磁探測，熱紅外檢測，超聲波檢測等。分布式光纖溫度傳感技術(shù)[1-3]是目前世界上比較前沿的檢測技術(shù)，在我國還尚未普遍使用。它是基于拉曼光反射、布里淵光反射和光纖光柵原理制定的檢測方法。具有精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕 、體積小、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)。是今后極具發(fā)展前景的管線檢測技術(shù)[4-7]。分別對埋地管道輸送過程中有無泄漏時(shí)的大地溫度場分布進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了管道泄露前和發(fā)生泄露后，周圍土壤溫度場的不同。為分析和探測泄漏進(jìn)度，評估污染奠定了理論依據(jù)。

1 問題的描述及網(wǎng)格的劃分

某熱油管道覆土深度 1.6 m,管道直徑為Φ700 mm,測試區(qū)域土壤密度1 680 kg/m3，比熱容2 225 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)1.512 W/（m·K）。管內(nèi)原油溫度52 ℃,密度870 kg/m3，比熱容2 150 J/（kg·K），粘度2.27×10-4Pa·s，導(dǎo)熱系數(shù)0.14 W/（m·K）。分別以管道右側(cè)和下側(cè)泄漏為例，建立二維泄漏模型，泄漏口處原油流速0.5 m/s，泄漏口孔徑50 mm。模擬區(qū)域采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行單元劃分。由于泄漏口附近溫度場分布梯度較大，對該處網(wǎng)格的劃分必須加密，以確保能夠準(zhǔn)確地捕捉到溫度場的變化。

2 建立模型

2.1 物理模型

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可知，距地面一定深度 H處，大地溫度年終變化小于 1 ℃?？梢哉J(rèn)為H(m)處是恒溫層，管道熱量的耗散對距管道水平徑向距離L處影響非常小，可認(rèn)為左側(cè)和右側(cè)是絕熱的。故簡化后的物理模型見圖1。

圖1 管道泄露前穩(wěn)態(tài)溫度場Fig.1 Stable temperature field before leak

2.2 管道泄漏二維流固耦合數(shù)學(xué)模型

土壤作為多孔介質(zhì)，具有一定的孔隙度，因此也有很好的儲容性，即多孔介質(zhì)儲存和容納流體的能力。埋地管道泄漏后，高溫原油就會滲漏到土壤多孔介質(zhì)中，從而影響泄漏點(diǎn)附近大地溫度場的分布。因此整個(gè)泄漏過程可看作多孔介質(zhì)的流固耦合換熱問題[8]。質(zhì)量守恒方程，動量守恒方程，能量守恒方程如下。

式中：Ef— 流體總能；

Es— 固體介質(zhì)總能；

γ — 介質(zhì)孔隙度；

keff— 介質(zhì)有效導(dǎo)熱率；— 流體焓源項(xiàng)。

其中：keff=γkf+ (1?γ)ks，kf為流體熱導(dǎo)率，kf為固體導(dǎo)熱率。

邊界條件：（m2·K）,v為風(fēng)速,TK為地表環(huán)境溫度，K。

y=y0處，T=TM為地下恒溫層，這里取278 K。

3 模擬結(jié)果分析

埋地輸油管道在土壤中形成了自身穩(wěn)定的溫度場，改溫度場的分布對管道泄漏后大地溫度場的變化具有非常重要的影響,見圖2。

圖 2 管道正下方穿孔泄露后土壤溫度場隨時(shí)間變化等值線圖Fig.2 Equivalence lines of soil temperature field below pipeline after leak at different time

圖2為埋地管道正下方發(fā)生泄漏后，大地溫度場隨泄漏時(shí)間的變化而變化的規(guī)律圖。結(jié)合穩(wěn)態(tài)時(shí)圖2分析可知：埋地輸油管道泄漏后的最初一段時(shí)間大地溫度場變化明顯，并在短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)較大的熱影響區(qū)。由于受到泄漏口位置和重力的影響，高溫區(qū)主要集中在管道下方一個(gè)橢圓形區(qū)域內(nèi)。由模擬數(shù)據(jù)可知：當(dāng)管道下方發(fā)生穿孔泄漏后，320 K等溫線隨泄漏口流體的擴(kuò)散移動非?？?。泄漏120 s后，距離管道底端下移0.723 m.。而270 K等溫線位置基本沒有變化。與泄漏前穩(wěn)態(tài)的大地溫度場相比，其它高于270 K的等溫線均有不同幅度的下移。說明熱影響區(qū)范圍還再不斷擴(kuò)大。受重力的影響，管頂?shù)降孛嬷g的等溫線位置基本沒有變化。

圖3為管道正右方發(fā)生穿孔泄漏時(shí)，土壤溫度場隨泄漏時(shí)間的變化規(guī)律圖，結(jié)合圖3可知：無論是下方泄漏還是右側(cè)泄露，泄漏初期等溫線變化趨勢接近。泄漏初期泄漏口附近大地溫度場變化劇烈，并很快形成一個(gè)較明顯的熱影響區(qū)。由于受到重力作用的影響，泄漏出的高溫原油開始向下遷移，使得320 K等溫線由橢圓形慢慢接近于圓形。

圖 3 管道正右方穿孔泄露后土壤溫度場隨時(shí)間變化等值線圖Fig.3 Equivalence lines of soil temperature field right pipeline after leak at different time

而且管道下方溫度場變化明顯。由圖3可知：隨著泄漏時(shí)間的繼續(xù)，熱影響區(qū)范圍還在逐漸擴(kuò)大，但慢慢趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)樵偷恼扯缺容^大，而且擴(kuò)散過程受到土壤孔隙的粘滯阻力，慣性阻力等因素的影響遠(yuǎn)離泄漏口處滲流速度越來越小；同時(shí)滲流區(qū)域內(nèi)孔隙中原油也逐漸達(dá)到擬飽和狀態(tài)，隨著熱侵潤面積的不斷擴(kuò)大，法面方向上的熱量供應(yīng)不足，從而導(dǎo)致泄漏一定時(shí)間后大地溫度場的變化緩慢并逐漸趨于平穩(wěn)。

從泄漏前后熱影響區(qū)的變化來看，管道周圍各處大地溫度場都受到不同程度的影響，不同深度上的土壤溫度與穩(wěn)態(tài)時(shí)相比都有相應(yīng)的變化。應(yīng)用分布式光纖溫度傳感器測得的溫度變化值可以精確到0.1 ℃，因此只要在管道周圍一定范圍內(nèi)科學(xué)布點(diǎn)，即可檢測并確定管道泄漏口的位置。由此可見，應(yīng)用分布式光纖溫度傳感技術(shù)檢測管道泄漏是可行的。

4 結(jié)論及建議

埋地管道泄漏后，最初一段時(shí)間內(nèi)泄漏口附近土壤溫度變化明顯，泄漏點(diǎn)附近形成較大的熱影響區(qū)。隨著泄漏時(shí)間的延長熱影響區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大并開始逐漸趨于平穩(wěn)。受到重力作用的影響，熱力影響區(qū)逐漸向下方擴(kuò)大。此項(xiàng)研究對科學(xué)合理地優(yōu)化管道沿線光纖溫度傳感器的布點(diǎn)，指導(dǎo)管道泄漏檢測工作，快速準(zhǔn)確的檢測到管線的泄露位置具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。盡可能的減少經(jīng)濟(jì)損失，提高工作效率。

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Numerical Simulation for Effect of Underground Pipeline Leakage on the Earth Temperature Field

GAO Xue-li,MA Gui-yang,GAO Zhong-jie
(School of Oil and Gas Engineering , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

The pipeline leak can cause fluid energy transfer, and the seepage field has great impact on temperature field. In this paper, coupling effect of seepage field and soil temperature field was analyzed. Heat transfer mathematic model in porous medium on account of fluid-solid coupling effect around pipeline leak points was established by the finite volume method, the reasonable boundary conditions were defined, numerical calculation was carried by SIMPLE numerical algorithm. Change rule of temperature field before and after pipeline leak was gained. The results show that: after pipeline leak, within certain time, the earth temperature field near the pipeline fluctuates obviously ; along with continuation of leakage time, the temperature field in the area gradually tends to steady. Through laying fiber-optic sensors around the pipeline, pipeline leak check can be realized by distributed optical fiber temperature sensor technology.

Distributed sensing technique; Optic fiber temperature sensor; Leakage; Porous media; Temperature field

TE 973

A

1671-0460（2011）03-0294-03

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 基金號：20082186

2010-11-30

高雪利（1983-），男，碩士，山東濱州人，2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：埋地管道水熱力耦合數(shù)值計(jì)算及管道滲漏溫度場計(jì)算的研究。E-mail：sdsgxl@126.com。