王衛(wèi)強，李朝陽，2，馬貴陽，羅 凱，安 康

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001;2.中國石油集團工程設計有限責任公司 西南分公司，四川 成都 610017)

0 引言

據統(tǒng)計，目前世界上管道的50%已運行30年或者更長時間。我國約有62%的油氣管道運行期超過20年，85%以上接近10年［1］。管道老化、銹蝕及人為破壞等，都會造成管道泄漏乃至破裂。如發(fā)現(xiàn)及維護不及時，將會造成巨大經濟損失、污染環(huán)境，甚至對人民生命財產造成危害［2］。隨著我國經濟的持續(xù)發(fā)展，管道事業(yè)在我國具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。由于管道泄漏問題的日益嚴重，利用高科技技術研制開發(fā)一套適合我國管道狀況的檢測與定位系統(tǒng)，能促進我國經濟快速發(fā)展。管道泄漏檢測是一門跨領域、多學科綜合的技術，它涉及到流體力學、傳熱學等多個學科。目前管道泄漏檢測技術對于復雜工況的檢測都存在一定不足。如何有效的減少誤報和漏報，及時準確地檢測管道泄漏現(xiàn)象的發(fā)生，對管道安全運行及人民群眾的生命財產安全具有重要意義［3－6］。

采用有限容積法，建立三維管道泄漏方程，分析了不同輸送速度及泄漏孔徑對泄漏后管內流場影響。可為進一步研究管道泄漏檢測技術提供一定的理論指導。

1 控制方程

由于泄漏處流動復雜，計算時采用標準的k－ε雙標準方程。有限容積法是處理此類問題的常用方法，由有限元方法得到體積分數(shù)方程，動量方程，能量方程。

體積分數(shù)方程

如果相下標用12表示，如果第二相的體積分數(shù)被跟蹤，每一單元中的密度為

動量方程

能量方程

式中 keff——有效的熱傳導率。

標準k－ε湍流方程

式中 μi——為湍動粘度;

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項;

Gb——由于浮力引起的湍動能k的產生項;

Prt——湍動 Prandtl數(shù);

gi——重力加速度在第i方向的分量;

β——熱膨脹系數(shù);

YM——代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻。

邊界條件:

2 數(shù)值模擬與結果分析

以某輸油管道為例，管徑為500 mm的90°水平彎管，彎徑比8。模擬區(qū)域為彎管及其前后5 m管道。建立三維泄漏模型，幾何模型見圖1，采用局部加密技術對模擬區(qū)域進行單元劃分。

圖1 模擬區(qū)域

對比圖2可知，在沒有發(fā)生泄漏時，管道正常運行時，彎管處壓力等值線幾乎是等間距。壓強由外壁到內壁逐漸降低，輸送速度增加越大，外側壓強與內側壓強的差值增大越大。由圖3可知當彎頭處存在泄漏口時，管內壓力整體降低，且在泄漏口下方存在小范圍高壓區(qū)。由于管道中流體的速度方向不能及時改變，在泄漏口與其附近流體之間產生壓差，該壓差使流體從上游的高壓區(qū)域流向泄漏處的低壓區(qū)域。因為油流的慣性作用，在泄漏口沒有流出的油流在分子的相互作用力下在泄漏口下方處速度幾乎減為零，導致在泄漏口下方形成小范圍高壓區(qū)形成局部高壓區(qū)。在泄漏口徑一定時，輸送速度增加該高壓區(qū)范圍和強度變大，對泄漏口下方產生的破壞力增加，導致管道的進一步破裂。距泄漏口一定范圍，等值線分布變?yōu)榈乳g距。由速度增大引起的壓強變化導致管內等壓線的形態(tài)變化不大。

圖2 泄漏前不同輸送速度軸向切面等壓圖

圖3 6 cm泄漏口時不同輸送速度的軸向切面等壓圖

圖4 2 m/s輸送速度不同尺寸泄漏口軸向切面等壓圖

表1 泄漏半徑6 cm時，不同速度下的質量流量

表2 2 m/s時，不同泄漏孔徑的泄漏百分量

參照表1可知:速度增大導致管內壓強的增大，而泄漏百分量降低。當泄漏口徑一定時，輸送速度增加，管內壓力增加。而泄漏量取決于管內壓力，管內壓力越大泄漏量越大。由圖4和表2可知:泄漏口徑增大，在泄漏口處泄漏量增加，需要上游和下游補充質量損失，這管內壓強呈整體降低的趨勢?？趶皆酱笮孤┛诟浇鼔簭娫叫≡矫黠@，局部高壓區(qū)的強度和范圍減小，由泄漏導致的管道破壞降低。由表2可知隨著泄漏口徑的增加，泄漏百分比變化明顯。

4 結論

通過模擬發(fā)現(xiàn):(1)泄漏孔徑一定時，當輸送速度增加時，管內壓強整體增大，泄漏口下方高壓區(qū)范圍和強度變大，泄漏百分量在減小。(2)當輸送速度一定時，泄漏孔徑增大，管內壓強減小，泄漏量增加，高壓區(qū)的強度及范圍降低。由此利用科學方法及儀器研究彎管內壓強的變化，可以確定管道穿孔的程度及位置。管內壓強和流量變化特性為高科技管道檢測泄漏技術提供了可能性。

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