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        海底輸油管道溢油輸移擴(kuò)散特性

        2022-10-14 07:44:54朱耘志楊宏偉
        中國(guó)水運(yùn) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:輸油管道

        朱耘志,楊宏偉

        (中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司,北京 100032)

        在能源需求的驅(qū)動(dòng)下,石油開采技術(shù)隨之發(fā)展與進(jìn)步,石油資源的開采逐步由陸地轉(zhuǎn)向海洋,其中,在海洋油氣開發(fā)中,采用管道運(yùn)輸是最為高效開采手段。然而,對(duì)于海底輸油管道而言,復(fù)雜多變的海洋環(huán)境無疑帶來了前所未有的挑戰(zhàn),全球范圍內(nèi)的海底輸油管道溢油事故時(shí)有發(fā)生。因此,進(jìn)行海底輸油管道溢油輸移擴(kuò)散特性研究對(duì)海洋油氣開發(fā)事故處理具有重要意義。

        目前關(guān)于海底輸油管溢油擴(kuò)散的研究:馬孜豪等研究了溢油孔徑、洋流速度及泄漏速度對(duì)海底輸油管道柴油泄漏的擴(kuò)散特性的影響,結(jié)果表明洋流速度影響泄漏擴(kuò)散的主要因素;Lalith K.Dasanayaka 等對(duì)具有羽流運(yùn)動(dòng)階段和平流擴(kuò)散階段的模型和只有平流擴(kuò)散階段的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了比較; Lindo-Atichati,D研究了溢油油滴尺寸、溢油速率、高壓生物降解和垂直海水流速等對(duì)溢油輸移的影響;Zhu 等對(duì)海底管道溢油擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬,預(yù)測(cè)了海底溢油到達(dá)海面的時(shí)間及最大遷移距離。

        綜上可以發(fā)現(xiàn):目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水下溢油研究已經(jīng)取得大量研究成果,但水深對(duì)泄露輸移擴(kuò)散的影響多見于天然氣管路泄露,且以往研究中多沒有考慮油氣泄露一段時(shí)間后,溢油管段兩端的閥門被關(guān)閉對(duì)溢油速度的影響。本文將采用Euler-Euler 雙流體模型對(duì)海底輸油管道泄露過程進(jìn)行數(shù)值模擬,主要探討海水流速、溢油密度、溢油初速度及水深因素對(duì)溢油輸移擴(kuò)散距離的影響。本文所做研究成果可為溢油事故處置方案的制定提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

        1 數(shù)值模擬過程

        1.1 數(shù)值模型

        連續(xù)方程

        動(dòng)量方程

        1.2 計(jì)算模型

        根據(jù)工程實(shí)際建立數(shù)值計(jì)算幾何模型如圖1所示,其中,y 軸對(duì)稱的二維矩形,其水平方向的長(zhǎng)度隨水深進(jìn)行調(diào)整,為 60 m 或 80 m;泄漏口位于底邊長(zhǎng)度的四等分點(diǎn)處,且D=0.06 m。

        圖1 幾何模型

        對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對(duì)泄漏口處進(jìn)行局部加密如圖2所示,最終劃分網(wǎng)格數(shù)量為 252778。

        圖2 網(wǎng)格局部加密

        設(shè)置模型左側(cè)為洋流速度入口,速度為0.05- 0.25 m/s;右側(cè)為自由出流邊界條件;D 處泄漏口為速度入口邊界條件,并考慮溢油泄露后關(guān)閉閥門進(jìn)行應(yīng)急處置,使得溢油速率非均勻且隨時(shí)間變化,適當(dāng)簡(jiǎn)化后可得溢油速率隨時(shí)間變化曲線如圖3所示,溢油速度通過UDF 進(jìn)行定義。

        圖3 溢油速度隨時(shí)間變化曲線

        2 結(jié)果分析

        如圖4所示為溢油輸移擴(kuò)散過程圖,由圖可見:t=3s 時(shí),溢油的主干部分幾乎垂直于海底平面,t=15s 時(shí),溢油主干部分的傾斜程度越來越大,溢流頂部明顯可見漩渦狀流形,t=40s 時(shí),溢流抵達(dá)水面,并沿水流方向擴(kuò)散,t=46s 時(shí),由于閥門關(guān)閉,泄露速率降低,溢流主干處出現(xiàn)斷裂。

        圖4 溢油擴(kuò)散過程

        2.1 海水流速的影響

        如圖5所示,當(dāng)溢油密度為780 kg/m,溢流初速度為15m/s,水深為20 m 時(shí),由于海水流速的增大,使得溢流在水平方向上的速度顯著增大,相同時(shí)間內(nèi),溢流在水平方向輸移擴(kuò)散的距離也就越遠(yuǎn)。故隨著海水流速的增大,石油到達(dá)水平面后沿著海水方向的輸移擴(kuò)散距離也隨之增大。

        圖5 溢油擴(kuò)散距離隨海水流速的變化曲線

        2.2 溢油密度的影響

        圖6給出了海水流速為0.1 m/s,溢流初速度為15m/s,水深為20 m 時(shí),溢油擴(kuò)散距離隨溢油密度的變化曲線,由圖可知:隨著溢油密度的增大,溢油在水面上的擴(kuò)散距離隨之減小,這是由于溢油密度越大,溢油擴(kuò)散輸移所需的推動(dòng)力越大,故海水流速不變的條件下,輸移擴(kuò)散的距離越小。

        圖6 溢油擴(kuò)散距離隨溢油密度的變化曲線

        2.3 溢油初速度的影響

        圖7給出了海水流速為0.1 m/s,溢油密度為780 kg/m,水深為20 m 時(shí),溢油擴(kuò)散距離隨溢油初速度的變化曲線。由圖可知:由于溢流初速度越大,溢油所具有的初始動(dòng)量就越大,油品到達(dá)水面所需的時(shí)間就越短,橫向水流對(duì)油品作用的時(shí)間就越短,從而使得油品沿海水方向的輸移擴(kuò)散距離越短,故隨著溢油初速度的增大,溢油輸移擴(kuò)散的距離隨之減小。

        圖7 溢油擴(kuò)散距離隨溢油初速度的變化曲線

        2.4 水深的影響

        圖8所示為海水流速為0.1 m/s,溢油密度為780 kg/m,溢流初速度為15m/s 時(shí),溢油擴(kuò)散距離隨水深的變化曲線。由圖可見:當(dāng)水深小于35m 時(shí),隨著水深的增大,溢油輸移擴(kuò)散距離呈緩慢增大,而當(dāng)水深大于35m 時(shí),輸移擴(kuò)散距離急劇增大。這是由于水深增大使得溢油到達(dá)水面的時(shí)間延長(zhǎng),海水作用時(shí)間更長(zhǎng),溢油擴(kuò)散距離越遠(yuǎn),當(dāng)水深足夠深時(shí),由圖8可知,溢油時(shí)間超過40s 后,溢油初始速度大幅降低,溢流所受到的推動(dòng)能也大幅降低,進(jìn)一步增大溢油到達(dá)水面的時(shí)間,這也使得輸移擴(kuò)散距離進(jìn)一步增大。

        圖8 溢油擴(kuò)散距離隨水深的變化曲線

        3 結(jié)論

        本文對(duì)不同工況下海底輸油管道溢油擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并探討海水流速、溢油密度、溢油初速度以及水深因素對(duì)溢油輸移擴(kuò)散距離影響行為。結(jié)論如下:

        海水流速、溢油密度、溢油初速度以及水深均會(huì)影響溢油擴(kuò)散距離,其中,海水流速的影響尤為顯著。此外,海水流速越大、溢油的密度越小、溢油初速度越小、水深越深,溢油輸移擴(kuò)散距離越大。

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