羅 威,袁銳波,林紅剛,陳有錦,曹志鵬,朱 正

(1.昆明理工大學 機電工程學院, 昆明 650504;2.光機電液系統(tǒng)集成與控制研究所, 昆明 650504)

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,人們對物質(zhì)需求不斷提升,世界各國對石油資源的需求日益增長,而管道輸送作為五大運輸方式之一,為石油資源的高效穩(wěn)定運輸做出了不可磨滅的貢獻。然而,隨著管道使用時間的增加,管道的腐蝕、磨損和老化情況日益嚴重,容易發(fā)生泄漏事件,存在極大的安全隱患,嚴重威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全[1]。因此,對石油輸送管道的檢測和泄漏分析具有現(xiàn)實意義。

目前,國內(nèi)外提出了許多管道泄漏檢測方法,如負壓波法、流量平衡法和模型法,其中模型法是在管道流體動力學模型的基礎上建立輸油管道模型,根據(jù)輸油管道兩端的壓力及流量信號變化來估計管道沿線流體參數(shù),從而判斷輸油管道是否發(fā)生泄漏,實現(xiàn)泄露定位功能[2-3]。為了能夠精準判斷和定位泄漏位置,需要在考慮諸多因素對石油流動特性影響下,對管道泄漏進行流場特性分析。

在實際輸油過程中,有很多因素會對石油的流動特性產(chǎn)生影響,如黏度。我國油田所產(chǎn)的石油大多是高含蠟、高凝點和高黏度的“三高”石油,在運輸時容易發(fā)生膠凝,為了順利運輸石油,通常需要給石油進行加熱處理。石油加熱處理后凝點一般能下降10 ℃左右,黏度的下降甚至能達到50%～90%,能大大降低運輸時的損耗,延長輸送距離[4]。因此,為了準確判斷和定位泄漏位置,需要考慮加熱處理對石油流動特性的影響。

由于實際管道泄漏的孔徑大小具有不確定性,本文選擇了具有代表性的3種微小泄漏孔徑進行研究,在模擬石油加熱處理的條件下,從泄漏孔處石油的流動狀態(tài)和壓力、速度的變化規(guī)律對泄漏流場特性進行分析總結。

1 泄漏管道模型建立

1.1 管道模型建立和參數(shù)設置

本次研究的是穩(wěn)定狀態(tài)下,以石油為介質(zhì)的直管,通過泄漏孔向外界泄漏的情況,忽略從開始泄漏到穩(wěn)定的流場變化,只對泄漏模型進行穩(wěn)態(tài)流場分析。以石油運輸管道的實際參數(shù)為基礎,建立了管道泄漏模型,整個模型包括管道和泄漏孔兩部分,管徑和管壁厚度保持不變[5],分別為400 mm和6 mm。管道泄漏是一個快速的過程,為了放緩并更好分析整個泄露過程,對泄漏孔進行了加長處理,如圖1所示。

圖1 泄漏層三維建模圖和二維流動示意圖

為研究加熱處理和泄漏孔徑大小對管道泄漏的影響,需要保持泄漏位置、入口流速和出口壓力不變,具體參數(shù)如表1所示。其中管長L之所以選用20 m,是因為實際管道太長可達上百千米,并且加長管道對前面的泄漏孔的泄漏影響幾乎可以忽略,因此本文只截取一段20 m長管道對泄露進行分析。

表1 管道參數(shù)

1.2 模型選擇和計算方法

利用ANSYS FLUENT求解黏性不可壓縮流體的N-S方程,捕捉石油流動現(xiàn)象。本次研究中,60 ℃石油流動的雷諾數(shù)為89 000,遠大于湍流流動的臨界值,因此選用具有較強穩(wěn)定性和魯棒性的高雷諾數(shù)k-ε湍流模型。當計算湍流流動時,不僅需要考慮基本的連續(xù)性方程和動量方程,還要考慮湍流方程,標準的k-ε湍流模型需要求解湍流動能方程及湍流耗散方程以獲得湍流動能k和耗散率ε,其中動能方程是精確方程,而耗散方程是一個經(jīng)驗方程[6]。

湍流黏度方程:

(1)

湍流動能方程:

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(2)

湍流耗散方程:

(3)

式中:μt為湍流強度;Cμ為湍流常數(shù);ρ為介質(zhì)密度;t為時間;C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù);Gb為因浮力產(chǎn)生的湍流動能;Gk為因平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能;k為湍流動能;ui為i方向速度;xi、xj分別為i、j方向的位移;σk為k的普朗特數(shù);σε為ε的普朗特數(shù);ε為湍流耗散率;μ為分子黏度;YM為可壓縮對耗散率的影響;Sk、Sε為用戶定義項[7]。

除了湍流模型的選擇,還需要考慮石油黏度隨著溫度的變化而發(fā)生的改變。溫度對石油黏度的影響是比較大的,但是對于不同種類的石油,目前還沒有一個準確且通用的公式來描述它們之間的黏溫特性關系,大多是在實驗室數(shù)據(jù)上進行擬合整理得到的經(jīng)驗關系式[8-9]。因此,國內(nèi)外關于黏溫特性的經(jīng)驗公式有很多,本文選取較為常見的指數(shù)型黏溫特性公式:

μ=Ae-BT

(4)

式中:μ為流體黏度,mPa·s;T為熱力學溫度,℃;A、B為常數(shù)。

1.3 網(wǎng)格劃分與無關性驗證

本文分別對管道和流體區(qū)域進行了網(wǎng)格劃分,因為此模型為對稱模型,所以對其進行了對稱處理,以減少不必要的計算,避免計算機資源的浪費。為了提高在泄漏孔處的仿真進度,對泄漏孔進行了加密處理[10-11],其中流體域網(wǎng)格尺寸為3 mm,泄漏孔處網(wǎng)格為0.03 mm,網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 管道網(wǎng)格劃分圖

為了在保證仿真結果準確的同時,選擇最少的網(wǎng)格數(shù),對不同網(wǎng)格密度的網(wǎng)格進行無關性驗證[12],結果顯示如表2所示,可以看出80萬和110萬網(wǎng)格在結果上相差不大,但是與60萬相比就有一定的差距,因此選擇80萬網(wǎng)格是符合要求的。

表2 網(wǎng)格無關性驗證結果

2 熱處理對泄漏的影響

通常石油加熱處理包括2部分,分別為站內(nèi)加熱和伴管加熱,站內(nèi)加熱是指輸油站內(nèi)使用加熱爐對石油加熱,伴管加熱是指將伴熱電纜或熱流體安裝于管道外部,對管道進行加熱[13]。因為管道模型長度有限,為了放大溫度的影響,在仿真中只考慮站內(nèi)加熱的情況,將管道入口流體的溫度設置為50 ℃,管道外壁面溫度設置為25 ℃。

在石油輸送過程中,石油的黏度會隨著溫度的改變而改變,石油的流動特性也發(fā)生改變,進而對泄漏產(chǎn)生影響。為了更細致地展示這些情況,在輸油管長20 m,泄漏孔徑為4.5 mm的模型中,導出了如圖3所示的黏度-溫度變化關系。

圖3 黏度-溫度變化圖

由圖3可知,石油的黏度在管道中是一直變化的,而且越靠近管道內(nèi)壁,黏度的變化越劇烈。加熱處理后的石油黏度為421 mPa·s,經(jīng)過20 m管道的冷卻作用,最后黏度上升到425 mPa·s,而實際生活中的管道長度大約有100 km,黏度的變化會更大,因此,考慮溫度對黏度的影響,在石油管道泄漏檢測中非常必要。

為了探究加熱處理對泄露的影響,在泄露孔處將進行加熱處理和未進行加熱處理的石油進行對比,分析泄漏孔中軸線壓力和流速的變化規(guī)律,其中未進行加熱處理即常溫狀態(tài)且黏度為常數(shù),得到如圖4所示的不同溫度下泄漏孔壓力、速度對比曲線。

圖4 不同溫度下泄漏孔壓力、速度對比曲線

由圖4可知,當石油進行加熱處理后,泄漏孔處的壓力和速度都有了明顯變化。就壓力而言,加熱處理使泄漏孔處的壓力下降幅度更大,與常溫相比最大相差32.4%;對速度來說,加熱處理使泄漏孔處的速度上升幅度更大,與常溫相比最大相差7.7%。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得知,當石油進行加熱處理后,其管道泄漏處的壓力和速度都有了顯著的變化,對后續(xù)的泄漏檢測有較大影響,因此,在對泄漏流場分析中,加上熱處理的設置就顯得更有必要。

3 泄漏流場分析

由于加熱后管道泄漏處的壓力和速度都有了明顯變化,因此,本文在加熱處理后對管道泄露流場進行了分析和研究。本文的管道仿真模型為三維模型,為了更直觀體現(xiàn)管道內(nèi)流場狀況,避免管道對流場分析的影響,本文選擇對稱面作為監(jiān)測平面,描述流場的變化[5]。

3.1 泄漏孔內(nèi)流動分析

在石油泄漏過程中,因為管道內(nèi)外壓差較大,泄漏孔處流速非常大,并且流動復雜,為了更好地描述泄漏孔內(nèi)的流動狀況,在輸油管長20 m,泄漏孔徑為4.5 mm的模型中,導出了如圖5所示的石油在泄漏孔處的流線圖。

圖5 泄漏孔處流線圖

如圖5所示,當油液從右向左涌入泄漏孔時,其主要流動部分在泄漏管的左側,且速度較大,而在泄漏孔右側產(chǎn)生了一個小的渦流。這是因為流體從大截面管道向小截面管道流動時,流線會發(fā)生彎曲,導致流束收縮,形成類似頸縮的現(xiàn)象[14],之后由于中心流體壓強更大,迫使中心流體向壁面流動,從而產(chǎn)生了渦流。

3.2 不同泄漏孔徑的流場分析

在輸油管道的實際運行過程中,泄漏孔的大小不可預測,不同的泄漏孔大小會對流場特性產(chǎn)生不同影響。本文選取1.5、3.0、4.5 mm 3種圓形泄漏孔徑作為研究對象,并從壓力和流速2個方面分析流場特性。

3.2.1壓力云圖分析

圖6分別是泄漏孔直徑為1.5、3.0、4.5 mm的泄漏流場壓力分布云圖。由圖6可知,當發(fā)生微小泄漏時,管內(nèi)的壓力幾乎沒有改變,說明微小泄漏對輸油管內(nèi)的壓力影響是極小的,可以忽略不記。另外,由于管道內(nèi)外壓差較大,流體壓力從泄漏孔底部開始向泄漏孔頂部逐漸減小,在頂部達到最小值。隨著泄漏孔徑的增大,可以明顯發(fā)現(xiàn)在泄漏孔底部出現(xiàn)了半圓形壓降,并且在發(fā)生頸縮附近形成了低壓區(qū)域。

圖6 不同泄漏孔徑壓力云圖

將3種泄漏孔徑下,沿泄漏孔軸線壓力變化規(guī)律進行對比,得到如圖7的泄漏孔軸線壓力曲線。

圖7 泄漏孔軸線壓力對比曲線

根據(jù)圖7所示,在管道內(nèi)部時,隨著泄漏孔直徑的增大,對管道內(nèi)的壓力影響逐漸增大,并且在泄漏孔處壓力下降的幅度也會增加,與1.5 mm泄漏孔相比,3.0 mm泄漏孔多下降了41.6%,4.5 mm泄漏孔多下降了65.8%。在泄漏管內(nèi)部時,泄漏孔徑越大,壓力減小的過程就越平滑,最后壓力都會下降至標準大氣壓[15-16]。此外,當泄漏孔徑增大后,可以明顯看出流體經(jīng)過頸縮后壓力先減小后增大的過程。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得知,一段直管發(fā)生微小泄漏時,管內(nèi)壓力的變化是非常微小的,只有在泄漏口附近才能看到壓力的變化。在泄漏孔附近出現(xiàn)了半圓形壓降,泄漏孔越大,在泄漏的瞬間壓力下降得越明顯。

3.2.2速度云圖分析

石油在管道入口處速度為8 m/s,泄漏孔直徑分別為1.5、3.0、4.5 mm的泄漏流場速度分布云圖,如圖8。分析圖片,可以明顯發(fā)現(xiàn),在管壁附近的流速低于較低,且越靠近管壁流速越低,這是因為石油的黏性較高,在石油與壁面的接觸過程中產(chǎn)生了較大的剪切力,阻礙了石油的流動,從而在壁面附近形成了速度邊界層[17]。

圖8 不同泄漏孔徑速度云圖

由圖8可知,在管道內(nèi)外壓差的作用下,油液的流速沿著泄漏管道逐漸增大,最后以遠大于管道內(nèi)的速度從泄漏孔噴出,并且泄漏孔越小,高速流動的部分越接近泄漏管的軸線。由于泄漏孔較小,泄漏造成的流速變化對輸油管道內(nèi)的影響較小,只是在靠近泄漏孔的位置形成了一個類似尾巴的速度增大區(qū)域[18]。當油液經(jīng)過泄漏孔后,在管壁的作用下,油液的速度開始大幅度下降,最后回歸正常流速。

圖9 泄漏孔偏左軸線速度分布曲線

在泄漏流場分析中,石油的主要流動部分在泄漏孔的偏左側,為了更好表示油液從泄漏孔開始流速沿著泄漏孔變化的過程,繪制了如圖9所示的泄漏孔偏左軸線速度分布曲線。根據(jù)圖9所示,在管道內(nèi)部,隨著泄漏孔徑的減小,其速度曲線出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢,這是受油液撞擊管壁所形成的渦流影響。在泄漏的瞬間,泄漏孔徑越大,速度增大的幅度越大,與1.5 mm泄漏孔相比,3.0 mm泄漏孔增大幅度多42%,4.5 mm泄漏孔幅度多58.6%。之后在泄漏孔內(nèi)部,石油還會逐漸加速,流速最大可達到46.6 m/s。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得知,當管道發(fā)生微小泄漏時,對管內(nèi)的流速影響是較小的,只會在泄漏孔附近形成速度增大區(qū)域,并且油液流速會沿著泄漏管逐漸增加,最終遠超管內(nèi)流速,隨著泄漏孔徑的增大,這個速度也會增大,因此,不難判斷泄漏孔徑越大,泄漏量也會跟著增加。

4 結論

1) 在研究管道泄漏流場特性時,考慮熱處理對其的影響是必要的,因為我國石油大多具有高黏性,需要進行加熱處理,以降低運輸難度。其次,通過對比發(fā)現(xiàn),加熱處理后的石油在泄漏孔處的壓力和速度有顯著變化,當入口溫度為50 ℃時,在距入口8 m處的4.5 mm泄漏孔中壓力下降32.4%,速度提高7.7%。

2) 由于油液從右向左輸送,泄漏發(fā)生時,油液主要在泄漏管的左側流動。此外,在泄漏孔附近會出現(xiàn)類似頸縮的流動現(xiàn)象,并在此處產(chǎn)生渦流,使壓力和速度局部短暫下降,而后保持原有變化趨勢流出泄漏管。

3) 微小泄漏對輸油管道的內(nèi)部壓力影響非常小,幾乎可以忽略。當發(fā)生泄漏時,泄漏孔處的壓力驟降,并且隨著泄漏孔徑的增大壓力降低的幅度增加,在距入口8 m處的泄漏孔中,孔徑從1.5 mm增大到4.5 mm后壓力下降65.8%。

4) 油液由管道進入泄漏孔,受內(nèi)外壓差作用,在泄漏孔處速度驟然上升,之后沿著泄漏管緩慢增加,最后遠超管道內(nèi)的速度。泄漏孔徑越大,泄漏孔處速度增加的幅度越大,在距入口8 m處的泄漏孔中,孔徑從1.5 mm增大到4.5 mm后速度增加58.6%,與壓力的變化對應,因此泄漏量也會增加。