李明鑫 王為民 申龍涉 鄧桂春

(泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué)—福建省清潔能源協(xié)同創(chuàng)新中心， 福建 晉江 362268)

關(guān)鍵字：海底管道，泄漏，擴(kuò)散，數(shù)值模擬

0 引言

隨著海上油氣田的開發(fā)和開采工藝技術(shù)的發(fā)展，海底管道在生產(chǎn)運(yùn)輸石油、天然氣全過程中具有不可代替的重要作用。但管線一旦發(fā)生泄漏事故，泄露油品在上升、擴(kuò)散的過程中會(huì)直接污染海水水質(zhì)，對(duì)周圍的海洋生物造成危害，泄漏后漂浮在海面的油品還對(duì)海洋的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。因此，對(duì)泄漏油品在海水中的運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散問題進(jìn)行研究就顯得尤為的重要。

由于石油、天然氣等一次性資源消耗量的不斷加重，陸地上所開采發(fā)掘的石油資源的產(chǎn)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到我們每天所消耗的需要，因此人類將石油開發(fā)逐漸向海洋發(fā)展[1]。但海底的環(huán)境比陸地的環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致了海底輸油管道外部更加容易受到各種因素的破壞和干擾。并且海底管道投資大、風(fēng)險(xiǎn)高，一旦出現(xiàn)管道油品泄漏事故，泄漏的油品將對(duì)海洋環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，也給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境帶一定的沖擊[2]。

在現(xiàn)實(shí)的海水流動(dòng)中海底輸油管道泄漏一般要先經(jīng)歷在海水中的射流流動(dòng)過程，再到泄露至海面后在海上的擴(kuò)散過程。所以，管道泄漏后泄漏油品射入海水是在水流流動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行流動(dòng)擴(kuò)散的，而由于水流流動(dòng)的作用，泄漏油品不僅通過自己泄露的壓力作用向上擴(kuò)散還會(huì)因?yàn)樗骱统毕鲃?dòng)的作用向下游或四周擴(kuò)散。在從泄漏到漂浮的過程中泄漏油品的濃度，泄露面積以及泄露速度都會(huì)發(fā)生一定程度的變化。

本文試圖通過采用計(jì)算流體力學(xué)和fluent軟件的多相流模型對(duì)海底管線泄漏的擴(kuò)散及海面浮油進(jìn)行研究，為海洋水質(zhì)生態(tài)環(huán)境的影響研究提供一種方法和依據(jù)。

1 海底輸油管道泄漏擴(kuò)散的影響因素分析

1.1 泄漏口徑對(duì)擴(kuò)散的影響

在管道泄漏中泄漏源對(duì)泄漏擴(kuò)散的范圍有不可避免的影響。根據(jù)泄漏面積的大小，泄漏源一般分為三種：第一種為小孔泄漏，這種情況通常為介質(zhì)經(jīng)過比較小的孔口長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)向外泄漏，第二種是大孔泄漏，指在很短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過較大的孔洞泄漏；第三種是管道破裂。

1.2 水流對(duì)擴(kuò)散的影響

水流的大小與水流的流動(dòng)方向都對(duì)油品的擴(kuò)散產(chǎn)生影響。水流的速度可以影響泄漏的面積及距離，對(duì)油的擴(kuò)散起到推動(dòng)的作用，而且加劇物質(zhì)間的傳熱和傳質(zhì)。因此水流的流動(dòng)方向可以改變油泄漏的擴(kuò)散軌跡及在是水中擴(kuò)散的位置。

2 FLUENT 模擬計(jì)算結(jié)果

2.1 不同孔徑的泄漏分布

本文分別模擬當(dāng)泄露速度為3m/s時(shí)，0.02m，0.08m和0.3m三種不同泄露孔徑下油品泄露的擴(kuò)散分布。

從圖1～圖3的云圖可以看出，泄漏孔徑為0.02m、0.08m、0.3m時(shí)，油的噴射高度分別在在2.5～3m、4.5～5m、8～8.5m。隨著孔徑的增大管道泄露濃度隨之增大，噴射高度也依次增加，而且由于重力的作用，油會(huì)從射核兩側(cè)向下分布的也越明顯。

圖1 孔徑0.02m 泄漏云圖

圖2 孔徑0.08m泄漏云圖

圖3 孔徑0.3m泄漏云圖

從圖4～圖6速度梯度圖可以看出泄漏的出口速度在達(dá)到一個(gè)頂峰之后會(huì)向兩側(cè)擴(kuò)散。當(dāng)口徑為0.02m時(shí)，速度向兩側(cè)擴(kuò)散的范圍泄漏為中心的兩側(cè)的1m區(qū)域內(nèi)，口徑為0.08m時(shí)，擴(kuò)散的范圍增大為中心兩側(cè)2m的范圍，當(dāng)口徑為0.3m時(shí)，速度的擴(kuò)散范圍擴(kuò)大到了8m左右。而且可以看出隨著口徑的增大速度梯度的改變也更加明顯。

圖4 孔徑0.02m速度梯度圖

圖5 孔徑0.08m速度梯度圖

圖6 孔徑0.3m速度梯度圖

從以上分析可以得到隨著泄漏口徑的增大，向高空噴射的趨勢(shì)更加明顯，噴射高度以及噴射的質(zhì)量也隨之升高；泄漏射核區(qū)的泄漏速度、泄漏后擴(kuò)散的速度值在海水中的分布與泄漏孔徑的大小有關(guān)，泄漏口徑越大泄漏的速度越大，速度分布的范圍也越廣。

2.2 泄漏速度的影響

泄漏速度不同，噴射出流的射程也會(huì)不同，擴(kuò)散情況也會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于改變速度的模擬計(jì)算，本文以0.08m的泄漏口徑為固定項(xiàng)，通過模擬1m/s，3m/s，7m/s三個(gè)速度的泄漏濃度分布。

通過泄漏云圖7～圖9所示，在相同口徑不同速度下的泄漏情況。當(dāng)泄漏速度為1m/s時(shí)，泄漏噴射高度為2～2.5m之間，泄漏頂端向兩側(cè)下落的趨勢(shì)不明顯，在泄漏速度為3m/s時(shí)，噴射高度為4.5m～5m左右，泄漏油品從最高處回落了1m的距離，當(dāng)泄漏速度為7m/s時(shí)，噴射的高度為7.5～8m之間，油品受重力的因素便顯得更加明顯，油品由最高處的8m向兩側(cè)下降至5m左右。所以隨著泄漏速度的變大，泄漏的油品濃度增加，泄漏體積也不斷增大。出口速度越大，噴射距離越遠(yuǎn)。達(dá)到海面的時(shí)間越短，擴(kuò)散的面積也越大。

圖7 1m/s時(shí)泄漏云圖

圖8 3m/s時(shí)泄漏云圖

圖9 7m/s時(shí)泄漏云圖

2.3 水流對(duì)泄露的影響

在海底的實(shí)際環(huán)境中，水流的狀態(tài)是流動(dòng)的。本文以0.3m泄露口，7m/s泄漏速度為基礎(chǔ)，分別對(duì)0.1m/s，0.5m/s水速對(duì)油擴(kuò)散的影響進(jìn)行分析。

通過圖10～圖13的云圖可以明顯的看到通過改變水流的速度，管道內(nèi)泄露的油品因?yàn)槭盏搅怂髁鲃?dòng)的影響都向水流的下風(fēng)向產(chǎn)生了偏移。隨著流速的增大傾斜的角度也隨之增大，泄漏擴(kuò)散的范圍也明顯向右偏轉(zhuǎn)，向下游移動(dòng)的趨勢(shì)更為明顯?？梢娝鞯牧鲃?dòng)對(duì)油的擴(kuò)散起到了輸送的作用。通過速度梯度圖說明水流的速度對(duì)泄露的擴(kuò)散速度影響不大，泄漏的射流只是向下游發(fā)生了偏移，但是速度并沒有改變。

圖10 0.1m/s水速 泄漏云圖

圖11 0.5m/s水速 泄漏云圖

圖12 0.1m/s速度梯度圖

圖13 0.5m/s速度梯度圖

圖14 ～圖15為泄漏擴(kuò)散后的擴(kuò)散云圖，當(dāng)水流速度為0.1m/s時(shí)，泄漏油品仍以射流的主體向上擴(kuò)散，泄漏油品大量的漂浮在海面之上。當(dāng)水流流速為0.5m/s時(shí)，由于水流的增大，泄漏的射流主體被水流沖散，泄漏的油品在水下大面積的擴(kuò)散。水流越大泄漏到達(dá)海綿的時(shí)間越長(zhǎng)。由此可以發(fā)現(xiàn)，水流越大，泄漏油品在水下的污染范圍越廣，對(duì)海洋環(huán)境及海洋生物危害更加嚴(yán)重。后續(xù)的清理工作也更加的費(fèi)時(shí)。

圖14 0.1m/s 泄漏云圖

圖15 0.5m/s泄漏云圖

3 結(jié)論

輸油管道在海水中泄漏后，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)在泄露口處形成噴射流動(dòng)，噴射的高度與噴射的速度都會(huì)根據(jù)泄漏初始條件的改變而發(fā)生變化。隨著泄漏口徑的增大，向高空噴射的趨勢(shì)更加明顯，噴射高度以及噴射的質(zhì)量也隨之升高；泄漏射核區(qū)的泄漏速度、泄漏后擴(kuò)散的速度值在海水中的分布與泄漏孔徑的大小有關(guān)，泄漏口徑越大泄漏的速度越大，速度分布的范圍也越廣。所以隨著泄漏速度的變大，擴(kuò)散區(qū)域會(huì)同樣會(huì)擴(kuò)大。而且在同一時(shí)刻，泄漏的油品濃度隨速度的增大而增加。泄漏體積也不斷增大。管道泄漏后在海底的泄漏擴(kuò)散過程中，濃度的分布和速度變化的趨勢(shì)一致。通過改變水流的速度，管道內(nèi)泄露的油品因?yàn)槭盏搅怂髁鲃?dòng)的影響都向水流的下風(fēng)向產(chǎn)生了偏移，水流速度越大擴(kuò)散越容易，泄漏油品污染的區(qū)域也隨之增大。