岳彬 蘭惠清 梁波 顧玉華

1北京航空工程技術(shù)研究中心

2北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院

管道腐蝕、自然災(zāi)害和人為因素等常導(dǎo)致埋地輸油管道發(fā)生泄漏事故[1]。輸油管道發(fā)生泄漏不僅會造成能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，而且會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。尤其是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)主要集中在沿海，該地區(qū)輸油管道發(fā)生泄漏比內(nèi)陸輸油管道泄漏后果更嚴(yán)重，不僅會污染土壤和地下水源，甚至?xí)斐珊Ｑ笪廴荆绊懻麄€海洋生態(tài)系統(tǒng)。

為此，大量學(xué)者應(yīng)用仿真模擬和試驗(yàn)手段開展了相關(guān)研究。李大全[2]在詳細(xì)分析成品油泄漏事故特征的基礎(chǔ)上，提出了漏油的噴射模型、土壤中的滲透模型和油池?cái)U(kuò)散模型，并定量評價(jià)了不同泄漏半徑內(nèi)漏油的危害程度。朱紅鈞等[3]借助計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真工具詳細(xì)模擬分析了輸油管道單個泄漏點(diǎn)的地下區(qū)域，探究了該泄漏點(diǎn)處影響油品流動的重要物理參數(shù)。吳國忠等[4]則針對輸油管道出現(xiàn)多個泄漏點(diǎn)的實(shí)際問題，建立了兩相流傳熱的耦合模型，利用CFD 軟件模擬了地下溫度場分布和各個泄漏點(diǎn)間的耦合特性。李朝陽[5]和何國璽等[6]建立了輸油管道在地下土壤中泄漏和滲流的數(shù)學(xué)和物理模型，利用CFD 計(jì)算漏油在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散情況，對泄漏的不同階段進(jìn)行了詳細(xì)研究。付澤第[7]建立了埋地漏油管道二維CFD模型，模擬了埋地成品油管道在土壤中的泄漏特征，仿真得出影響漏油的不同工況參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際泄漏事故進(jìn)行了對比驗(yàn)證。張永龍[8]則通過埋地漏油管道泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)臺的搭建，利用實(shí)驗(yàn)手段研究了泄漏口孔徑和位置、管道壓力參數(shù)對漏油在土壤中的滲流擴(kuò)散曲線的影響。李林[9]考慮了溫度效應(yīng)，通過三維流動傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型來模擬西北地區(qū)某埋地?zé)嵊凸艿涝诙景l(fā)生泄漏后周圍土壤溫度場的改變和油品在土壤中的擴(kuò)散特性。

上述文獻(xiàn)均是針對埋地管道油品的泄漏噴射和擴(kuò)散開展的仿真和試驗(yàn)研究，對于沿海地區(qū)輸油管道在地下多孔介質(zhì)中的泄漏擴(kuò)散過程，以及泄漏結(jié)束后地下漏油的分布研究還很少見。因此，本文以某沿海輸油管道的泄漏事故為背景，進(jìn)行詳細(xì)仿真研究，以期確定管道漏油的分布范圍。

1 泄漏擴(kuò)散模型

1.1 泄漏擴(kuò)散方程和假設(shè)

埋地管道發(fā)生漏油后，地下漏油擴(kuò)散過程可以用多孔介質(zhì)中多相流驅(qū)替來解釋，利用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型即可分析土壤中漏油的擴(kuò)散與滲流特性[10]。多孔介質(zhì)中的物質(zhì)（流體或者氣體）流動一定會遵循各種運(yùn)動守恒定律，包括動量、質(zhì)量和能量守恒，以及物質(zhì)的狀態(tài)方程[11]。在已知物質(zhì)特性本構(gòu)方程前提下，聯(lián)立求解泄漏原油在土壤中擴(kuò)散滲流的參數(shù)。

本文假設(shè)如下：①將漏油視為不揮發(fā)物質(zhì)；②土壤中的多孔介質(zhì)具有各向同性，無多孔介質(zhì)變形；③土壤層中的孔隙度和含水量均勻分布；④涉及到的氣體都視作理想氣體；⑤不存在微生物的降解[12]；⑥油水不相溶；⑦漏油不能滲透混泥土層。

1.2 泄漏擴(kuò)散模型

基于我國沿海某地區(qū)埋地輸油管道實(shí)際泄漏事故，建立相應(yīng)的泄漏擴(kuò)散平面模型。漏油擴(kuò)散區(qū)為100 m×7.6 m 的長方形（圖1a），土壤模型上表面為水泥地面，完全不滲油，下表面為地下水位面。漏油管道中心位于長方形中線距基準(zhǔn)面4.6 m 處（圖1b），即坐標(biāo)為（50 m，4.6 m）。由于土壤泄漏模擬范圍大，為減少網(wǎng)格數(shù)量，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對泄漏口處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如圖1b 所示，一共2 219 813個網(wǎng)格。

管材為X42，管徑0.25 m，泄漏位置與管道中心的連線與水平面呈逆時針45°夾角，泄漏孔徑20 mm（圖1c）。輸油管道壓力1.2 MPa，泄漏口為速度入口，管壁為壁面，四個泄漏空間邊界為壓力出口，泄漏空間為多孔介質(zhì)，孔隙度為0.05，初始含水率為0.3。泄漏擴(kuò)散模型的邊界條件如表1所示。

根據(jù)工況數(shù)據(jù)可得，流速v=1.687 67 m/s，運(yùn)動黏度ν=5.88×10-6m2/s。雷諾數(shù)Re=1.182 5×105，湍流強(qiáng)度I=3.716×10-2。

圖1 埋地輸油管道泄漏擴(kuò)散模型Fig.1 Leakage and diffusion model of buried oil pipeline

表1 泄漏擴(kuò)散模擬的邊界條件Tab.1 Boundary condition of leakage and diffusion simulation

2 結(jié)果分析與討論

2.1 持續(xù)泄漏

剛開始泄漏時，在管道內(nèi)部輸送壓力作用下，漏油從管道右上方與水平面呈45°噴射進(jìn)入土壤。隨著持續(xù)泄漏，在內(nèi)壓、重力和多孔介質(zhì)擴(kuò)散驅(qū)動力等共同作用下，漏油向四周擴(kuò)散滲流，且水平方向比垂直方向的擴(kuò)散更遠(yuǎn)，如圖2所示。漏油的滲流速度隨著擴(kuò)散距離的增加呈遞減趨勢。

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

圖2中白色小圓代表管道橫截面，紅色區(qū)域?yàn)槁┯托孤﹨^(qū)，漏油已經(jīng)完全充滿土壤中的孔隙。紅色邊緣區(qū)域即為油鋒面，顏色從紅色過渡到藍(lán)色，表示漏油的體積分?jǐn)?shù)從1 降到了0。泄漏初期，油鋒面呈現(xiàn)斜倒置橢圓形，管道內(nèi)壓和土壤毛細(xì)管力的共同作用使得漏油從泄漏口射流進(jìn)入土壤中并快速擴(kuò)散。同時由于漏油自重，油品的流動不可避免地受到影響，導(dǎo)致漏油沿泄漏口管壁向下滲流產(chǎn)生尾流（圖2中黑色線條）。

土壤的孔隙中部分空氣和水分等流體，在漏油擴(kuò)散滲流的驅(qū)動下會進(jìn)行重新分布。從圖3可以看出，隨著漏油的不斷泄漏擴(kuò)散，泄漏口周圍土壤中的水分逐漸減少，匯聚于漏油的周圍。

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

泄漏口的噴射范圍呈半橢圓狀，隨著噴射距離的增加漏油的流速逐漸降低為0（圖4）。同時，泄漏口漏油的噴射方向與泄漏口垂直，與水平面呈45°角，向半橢圓空間擴(kuò)散，擴(kuò)散速度不斷減小，如圖5中黑色箭頭所示。

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

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

2.2 泄漏停止

隨著泄漏的繼續(xù)，可以發(fā)現(xiàn)漏油區(qū)的油鋒面在水平方向的距離略小于豎直方向距離，鋒面呈橢圓形狀。這可能是由于漏油在土壤中的豎向擴(kuò)散受重力和毛細(xì)壓力影響，而水平擴(kuò)散受毛細(xì)壓力和土壤阻力影響；隨著漏油進(jìn)一步的擴(kuò)散滲流，管道上方原本匯聚的油在重力、毛細(xì)壓力及土壤阻力作用下向下擴(kuò)散，使得油鋒面變成規(guī)則的圓形。漏油向下擴(kuò)散最多并達(dá)到地下水位，且漏油只能沿著地下水位面水平擴(kuò)散。另外，漏油向上只能擴(kuò)散到混泥土層下表面，如圖6 所示。漏油在土壤中擴(kuò)散的同時，原土壤中的水被排出空隙，并聚集到漏油周圍，形成一個水包油的漏油區(qū)。

根據(jù)邊界層理論，因?yàn)橐后w和固體之間存在著界面作用，土壤孔隙的內(nèi)表面有漏油的不動層，所以漏油屬于邊界流體。當(dāng)關(guān)閉泄漏段管道兩端閥門后，原油泄漏將會停止，而在失去壓力以及泄漏初始速度等驅(qū)動力后，地下的漏油趨近于穩(wěn)定狀態(tài)，不再向周圍擴(kuò)散，從圖6中可得到漏油半徑約為42 m。

圖7是泄漏口處壓力的變化曲線，可見在泄漏口中心壓力最高，兩邊迅速降低為零。

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

圖7 泄漏口位置壓力分布Fig.7 Pressure distribution of leakage hole

2.3 管道內(nèi)壓影響

本次漏油事故的泄漏口僅為20 mm，屬于小孔泄漏，輸油管道內(nèi)壓對漏油半徑的影響見圖8，隨著輸油管道壓力的增加，漏油半徑呈指數(shù)增大。

圖8 管道壓力對泄漏半徑的影響Fig.8 Effect of pipeline pressure on leakage radius

2.4 泄漏模型校正

多孔介質(zhì)模型中孔隙度是影響漏油在土壤中擴(kuò)散運(yùn)移的重要因素。本次研究管道位于沿海地區(qū)人工填海區(qū)域，查詢管道施工手冊可知，該區(qū)域的土壤需要分層考慮。因?yàn)槊繉油寥李w粒大小和排列不同，造成土壤的孔隙度不同，所以需要改進(jìn)泄漏模型，重新假設(shè)土壤層的孔隙度沿深度方向呈階梯狀分布。另外從事故調(diào)查報(bào)告獲知，該次泄漏事件共造成約1 200 t 的漏油總量。在前面的研究基礎(chǔ)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，坐標(biāo)為（100 m，4.6 m），并運(yùn)用UDF 編寫子程序來描述模型孔隙度的分布，再進(jìn)行模擬計(jì)算。圖9為重新得到的漏油在土壤中的擴(kuò)散分布情況，由圖可知漏油半徑約為83 m。

圖9 漏油在土壤中的擴(kuò)散分布Fig.9 Distribution of oil in the soil

3 鉆孔試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對泄漏點(diǎn)附近不同距離的地層進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，來驗(yàn)證本模擬試驗(yàn)的正確性。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，參照巖土指南、標(biāo)準(zhǔn)BS 1377 和BS 5930、ASTM 的相關(guān)位置選取標(biāo)準(zhǔn)等，分別選取距泄漏點(diǎn)300、120、83、39 和33 m 的五個位置進(jìn)行打孔。注意需要放置14 m 的套管，目的是驗(yàn)證每處地下土壤中是否有油，含油層厚度是多少，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 鉆孔數(shù)據(jù)Tab.2 Data of drill hole

將仿真數(shù)據(jù)和鉆孔試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到圖10 所示的曲線，藍(lán)色三角形和紅色星號分別代表仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中離泄漏口最近的E孔，漏油擴(kuò)散深度為3.32 m，油層厚度為3.23 m；隨著距泄漏點(diǎn)距離的增加，油擴(kuò)散深度越深，油層厚度越小?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)離泄漏口較遠(yuǎn)時，比如達(dá)到A、B孔，此時地下便沒有發(fā)現(xiàn)漏油。

另外，通過測量鉆孔獲取的土壤樣品孔隙度，發(fā)現(xiàn)不同深度土壤的孔隙度分布與前文所假設(shè)的土壤孔隙度分布比較符合，故圖9所示的漏油擴(kuò)散分布情況得到了有效驗(yàn)證，同時也說明土壤孔隙度對油品擴(kuò)散的影響很大。

圖10 仿真與鉆井試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合對比Fig.10 Fitting comparison between the simulation and drilling test data

4 結(jié)論

以我國南方沿海地區(qū)輸油管道泄漏事故為例，采用多孔介質(zhì)的多相流體動力學(xué)理論，構(gòu)建了該沿海輸油管道泄漏擴(kuò)散的CFD 模型，結(jié)合漏油總量仿真模擬該泄漏事故的漏油擴(kuò)散過程，得到泄漏停止后的漏油擴(kuò)散半徑。對泄漏周圍不同位置進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)驗(yàn)證，分析漏油在地下的分布及油層厚度情況，表明仿真取得了較好的模擬效果。本文模擬獲得的漏油分布規(guī)律可為沿海地區(qū)輸油管道泄漏事故的應(yīng)急處理提供理論指導(dǎo)。