海底天然气管道泄漏数值模拟.pdf

第 4 2卷第 4期 2 0 1 3年 4月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 2 ．N O ． 4 A p r i 1 ， 2 0 1 3 海底天然气管道泄漏数值模拟 一 一 范开峰 ，王卫强 ，衣照秋 ，刘人玮 ，于 爽 I ． 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 I 1 3 0 0 1 ； 2 ． 辽河石油勘探局油田建设工程一公司，辽宁 盘锦 1 2 4 0 0 0 ； 3 ．中国石油大学 北京 ，北京 1 0 2 2 4 9 摘 要针对海底天然气管道非稳态泄漏过程 ，给定相应边界条件，采用 V O F模型进行数值模拟 ，观察 到了泄漏天然气气团由 “ 半球”形、“ 水滴”形到 “ 球”形的过渡过程 ，得到了天然气在水中上升过程的体积 分数分布特性。为了解海底天然气管道泄漏过程和实施应急措施提供了一定的理论参考。 关键词海底管道；天然气泄漏 ；气泡羽流；数值模拟 中图分类号T Q 0 1 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 l 一 0 4 6 0 2 0 1 3 0 4 0 5 0 3 0 4 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f S u b ma r i n e Ga s P i p e l i n e Le a k a g e F A N Ka i -f e n g ， W A NG W e i q i a n g ， Y 1 Z h a o q i u ， L I U R e n w e i ， Y U - S h u a n g ， 1 ． Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 01 ， Ch i n a ； 2 ． L i a o h e P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n B u r e a u t h e F i r s t O i l fi e l d C o n s t r u c t i o n E n g i n e e ri n g C o mp a n y， L i a o n i n g P a n j i n 1 2 4 0 0 0 ； 3 ． C h i n a P e t r o l e u m Un i v e r s i t y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e u n s t e a d y l e a k a g e p r o c e s s o f s u b ma rin e n a t u r a l g a s p i p e l i n e ， t h e r e l e v a n t b o u n d a r y c o n d i t i o n s we r e g i v e n ， t h e n VOF mo d e l wa s u s e d t o s i mu l a t e i t， a n d t h e t r a n s i e n t p r o c e s s o f t h e l e a k a g e n a t u r a l g a s ri s i n g f r o m “ h e mi s p h e r e ”f o r m ， “ d r 0 p ” t o“ s p h e r e ”fo r m wa s o b s e r v e d ， the v o l u me fra c t i o n d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s d u r i n g t h e p r o c e s s o f n a t u r a l g a s r i s i n g we r e o b t a i n e d ，wh i c h c a n p r o v i d e s o me t h e o r y r e f e r e n c e s t o k n o w t h e s u b ma r i n e n a t u r a l g a s p i p e l i n e l e a k a g e p r o c e s s a n d i mp l e me n t e me r g e n c y me a s u r e s ． Ke y wo r d s S u b ma r i n e p i p e l i n e ； Na t u r a l g a s l e a k a g e ； Bu b b l e p l um e ； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 近年来，伴随着海洋资源的不断勘探开发，越 来越多的海洋平 台和海底管道被建立起来。海底管 道作为海上油气集输 的主要手段 ，已成为输送海洋 油气资源的生命线。 但是， 海底管道工作环境恶劣， 不仅容易发生腐蚀穿孔 ，还容易受到海流 、潮汐 、 波浪、海底滑坡等自然环境的影响，同时易受到第 三方破坏， 如船舶抛锚、 渔船拉网作业等的影响“ 。 这使得管道失效率高 ，容易发生泄漏事故 ，泄漏事 故一旦发生 ，不仅造成巨大的直接经济损失 ，还会 污染周边海洋环境 ，影响安全生产甚至造成人员伤 亡事故。 其中， 泄漏的天然气如果在海水表面聚积， 遇 到明火还有 可能发生火灾和爆炸等二次恶性事 故 ，对海洋平台、船舶及人员安全形成严重威胁 。 因此 ，对海底天然气管道泄漏进行数值研究具有现 实意 义。 1 天然气管道泄漏控制方程 利用计算流体力学软件中的 V O F模型模拟海 底天然气管道泄漏过程，天然气管道泄漏过程要遵 守质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和 组分质量守恒方程 ，其表达式如下 1 ． 1 质量守恒方程 竺 0 1 8 t 8 x 式中 r一气体密度 ，k g ／ m ； t一时间，S ； U 、v_ 、 Y方向的速度 ，m／ s 。 1 ． 2 动量守恒方程 动量守恒定律实际上是牛顿第二定律 。在惯性 非加速 坐标系中 f 方向上的动量守恒方程为 J 一 考 c 2 [ 苦 鲁 ]] _ ； 考 ㈦ 式中r一气体密度 ，k g ／ m t一时间 ，s ； u ， 、u ／ ～相应坐标系上的速度，m ／ s ； ∞一相应方向坐标 ； P一流体微元体上的压强，P a ； 一 因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力f 的分量 ； 一 相应方向上的单位质量力，m ／ s ； 差 垒 旦 省 尊育 厅科学 研究 基 金， L 2 0 1 1 o 5 4 。国 家 质检总 局 科研项目“ 质 检公益 性行 业 科研专 项 项目 ” 资 助， 2 o l 0 1 0 0 2 5 。 收 稿日 期 2 O 1 2 一l l-2 8 作 者 简 介 薯 二 ， 顺 人 ， 在 读 硕 士 ， 2 O l 1 年 毕 业 于 辽 宁 石 油 化 工 大 学 油 气 储 运 工 程 专 业 ， 研 究 方 向 从 事 石 油 、 天 然 气 储 存 运 输 安 全 技 术 方 面 的 研 究 。E -m a i l f k f 5 2 6 6 1 6 3 ． c o m 。 ‘ 一 ’ ⋯ ’。 化 工 2 0 1 3 年 4月 由于甲烷泄漏质量流量大 ，且管道内外压差巨 大 泄漏瞬间管道内压强是管道外压强的 3 2倍 ， 因此甲烷泄漏瞬间即在泄漏 口上方形成一个气团。 由其浓度分布云图知其泄漏 0 ． 1 s时形成一个半径 约 1 m的 “ 半球”形气团，气团中甲烷体积分数为 1 。在泄漏 0 ． 5 s 时刻 ，气 团进一步扩张变大 ，形成 左右半径约 2 IT I 、高约 2 ． 5 m的 “ 水滴”形状气团。 在 1 ． 0 S 时刻 ， 气团较之前在左右方向上扩张距离很 小 ，高度扩张距离较大 ，形成半径约 2 ． 1 m的 “ 球” 形气团。 随后，气团主要在高度上进一步向上扩张，在 1 ． 4 S 时刻气团上升距离近 1 0 m， 顶部约到达海水表 面。与此同时，气团湍动强烈 ，在上升羽流中心两 侧形成回流漩涡， 气团有分散成小气团的趋势。当 气团顶部大部分接触到 自由液面后 ，气团开始逐渐 向左右两侧扩散 ，有水平运动的趋势。当泄漏趋于 稳定后， 其气体分布情况与图 2 所示的气泡羽流流 场相符合。由图可知， 泄漏气团中甲烷体积分数大 部分都为 1 ，说明甲烷 比较集中，这主要由于甲烷 泄漏质量流量大，泄漏气体供应充分的缘故。 4 结束语 通过对海底天然气管道泄漏过程的数值模拟 ， 得到了其浓度分布特性， 符合气泡羽流流场分布情 况。泄漏甲烷气团形状经历了 “ 半球”形 、“ 水滴” 形到 “ 球”形的过渡过程 ，其后大气团上升破碎成 小气团并向左右两侧扩散 。 研究海底管道气 体泄漏扩散过程和扩散规律 对 于海洋油气资源开发 与运输 、海洋平 台安全运 行、船舶安全和人员安全有着重要的现实意义，同 时也为突发事故应急处理与救援提供了理论支持。 参考文献 [ 1] 尹群 ，刘海燕 ，李良碧． 海底输气管道泄漏风险定量分析[ J 1 ． 江苏 科技大学学报 自然科学版 ，2 0 0 9 ，2 3 3 1 8 9 1 9 2 ． [ 2 ]景海泳，余建星 ，杜尊峰，等-海底管道水下气体扩散 F L U E N T仿 真分析【 J 1 ．海洋技术 ，2 0 1 2 ，3 1 3 8 2 8 5 ． [ 3] 李长俊． 天然气管道输送【 M ] 北京 石油工业 出版社， 2 0 0 8 3 - 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p h q , s e fl o w b e t w e e n i n c l i n e d p ara e l p l a t e s [J ] ． C h e m E n g T e c h n o l ， 1 9 8 7 1 o 】 2 8 1 - 2 8 9 ． 1 4 j R o mm e l W， B l a s s E ， Me o n W．P l a t e s e p a r a t o r s fo r d i s p e r s e e d l i q u i d - l iq u i d s y s t e msmu h i p h a s e f l o w ， d r o p l e t c o a l e s c e n c e ， s e p a r a t i o n p e rf o r ma n c e a n d d e s ig n [ J ] ．C h e m E n g S e i ， 1 9 9 2 ，4 7 3 5 5 5 5 6 4 ． [ 5 ] 吴 剑华， 唐洪 涛， 于 驰． 斜 板 沉降 带的 设 计[ j ] 侣 工_}殳 计； 2 0 0 3 ， 1 3 6 1 0 1 3 ． [ 6] 戴干策， 陈敏匿．化工流体力学[ M ] ；北京化学工业出版社， 1 9 8 8 2 8 3 ． [ 7] L e e J C ， H o d g s o n T D ． F i l m fl o w a n d c o a l e s c e n c e B a s i c r e l a t i o n s ， f i l m s h a p e a n d c r i t e ri a f o r i n t e r f a e e mo b i l i t y [ J ] ． C h e m E n g S c i ， 1 9 6 8 ，2 3 1 3 7 5 -1 3 9 7 ． [ 8 ]戚俊清， 刘亚莉， 许培援， 等． 斜板沉降器的分离特性及实验研究[ J 】 ． 化工机械，1 9 9 9 ， 2 6 4 ． 1 9 2 - 1 9 5 ．