海底悬跨石油管道泄漏流场和温度场耦合分析.pdf

海底悬跨石油管道泄漏流场和温度场耦合分析 袁朝庆 ， 郝佳宁 ， 马良 1 ． 黑龙江省高校防灾减灾及 防护工程重点实验室 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 ； 2 ． 东北石油大学 土木 建筑工程学 院， 黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 ； 3 ． 四川建筑职业技术学院， 四川 德 阳6 1 8 0 0 0 摘要 对海底悬跨石油管道泄漏后流场与温度场的耦合进行分析 ， 建立二维 多相流海底管道模 型， 给出合理的流体力学和热力学边界条件， 利用有限元软件 F L U E N T进行数值仿真分析。分析结果 表 明 海底悬跨石油管道泄漏对周 围海水的温度场影响明显， 高温 区域随石油上浮而 向上扩展 ； 泄 漏介质在管道周 围产生绕流运动， 离开管道后 出现“ 滴流” 现象。 关键词 海底 管道 ； 温度场 ； 流场 ； 模拟 中图分 类号 T H 4 9； T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 3 o 5 0 0 2 3 0 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 5 Co u p l i n g An a l y s i s o f F l o w Fi e l d a n d Te mp e r a t u r e Fi e l d o n S p a n n i n g S u b ma r i n e Oi l Pi p e l i n e a f t e r Le a k a g e YUAN Zh a oq i n g ， HAO J i an i n g ， M A Li a n g ’ 1 ． He i l o n g j i a n g K e y L a b o r a t o r y o f D i s a s t e r P r e v e n t i o n ， Mi t i g a t i o n a n d P r o t e c t i o n E n g i n e e ri n g ， D a q i n g 1 6 3 31 8， Ch i n a； 2． Co l l e g e o f Ci v i l a n d Ar c h i t e c t ur e Eng i n e e ring， No r t h e a s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Da q i n g 1 6 3 3 1 8 ， C h i n a ； 3 ． S i c h u a n C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y ， D e y a n g 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t Th e c o up l i n g o f flo w fie l d a n d t e mp e r a t u r e fie l d o n s p a n n i n g s u b ma rine o i l p i p e l i n e a r e a n a l y z e d a f t e r l e a k a g e， t wod i me n s i o n a l mu h i p h a s e fl o w s u b ma rin e p i p e l i n e mo d e l i s e s t a b l i s h e d， r e a s o n a b l e b o u n da ry c o n d i t i o ns o f flu i d me c h a n i c s a nd t h e r mo d y n a mi c s a r e g i v e n， t h e fin i t e e l e me n t s o f t wa r e F LU EN T i s u s e d t o ma k e n u me ric a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e mp e r a t u r e fi e l d o f s u r - r o u n d i n g s e a wa t e r i s s i g n i fi c a n t l y aff e c t e d b y t h e l e a k a g e o f s p a n n i n g s u b ma r i n e p i p e l i n e， t h e h i g ht e rn p e r a t u r e e f f e c t r e g i o n u p wa r d e x t e n d s wi t h t he o i l ris i n g ． Th e flo w mo v e me n t a r o u n d flu i d o n l e a k i n g me d i a m a r o u n d p i p e l i n e i s p r o d u c e d， t h e p h e n o me n o n o f t ri c k l e s aft e r l e a v i n g t h e p i p e i s a p p e a r e d ． K e y wor ds s u bma rin e p i pe l i n e； t e mpe r a t u r e fi e l d； flo w f i e l d； s i mu l a t i o n 0 引言 海底压力管道以其连续、 快捷、 经济、 高效等 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 2 7 4 0 7 1 优点， 成为海上油气集输的主要方式 。然而， 由于海底环境的复杂多变， 对海底压力管道的安 全运行造成了很大威胁， 腐蚀、 波流作用、 第三方 活动、 机械损伤、 海床运动、 管材和焊接缺陷、 设备 海底悬跨石油管道泄漏流场和温度场耦合分析 V o B 0 ． N o 5 2 0 1 3 和附件失效 、 人员失误等因素都会造成海底管道 的泄漏 J ， 如 2 0 0 0年 E q u i l o n管道公司在墨西哥 湾的海底管道被船锚拖拉偏离初始位置而发生断 裂 _ 4 ； 2 0 1 0年 ， 墨西哥湾原油泄漏事故 ； 2 0 1 1年 6 月， 康菲中国渤海蓬莱发生溢油事故； 2 0 1 1 年 l 2 月 ， 中海油珠海终端天然气海底管道发生泄漏等 ， 海底管道泄漏产 生 了巨大的经济损 失和环境 污 染 。 海底悬跨石油管道是裸露于海床之上的一种 压力管道_ 6 ， 更容易受到环境因素和外力作用 的影 响 ， 也 是 海 底 管 道 事 故 发 生 的 主 要 位 置 。 目前 ，国 外 的 S e n s a ， B l u e R o a d R e s e a r c h ， S m a r t F i b e r s 等公司 已有 光纤温度 传感技 术检测油气管道 的相关应用实例 ， 检测效果 良好。 但我 国此方面的研究 刚刚开展 ， 只在部分管段进 行了初步应用 ， 由于对光纤传感器的布置缺乏相 关理论指导 ， 没有取得预期的检测效果 ， 急需对管 道泄漏后热油流动规律和温度场变化进行研究 ， 以便给出合理的传感器布置 ， 通过实时监测温度 场变化 ， 判定热油管道泄漏 ， 并及时报警和对泄漏 点定位 。文 中利用 F L U N T进行海底悬跨石油管 道泄漏流场和温度场耦合数值仿真 ， 得 出泄漏前 后海 底管道周围温度场的变化以及泄漏原油的运 动规律。 1 物理模型及控制方程建立 以渤海某油气田的海底原油输送管道为原 型， 建立二维模型 ， 对其泄漏前后情况进行模拟 ， 物理模型如图 1 所示。 在计算中忽略金属管道本身厚度 ， 输油 管道 内半径为 r 0 ， 泄漏 口弧长为 r ， 外面包有厚度为 r 的保温层， 假设管道内流动介质温度为定值 t ， 保 温层外表面温度为定值 t 。 该模型中管道 内输送介质、 海水和保 温层 的 能量控制微分方程 等 一 2 h ／ p c r o Ht 1 p c a t 1 杀 [ A tr T r ] r 刍 [ A ] 2 p 。 L j L A j z p c o q t 2 [ A r 鲁 ] 刍 [ A ] 3 p 2 了 l A z J l A J j 式 中 管道内输送介质与管道 内壁的对流 换热系数 c ， c 。 ， C 2 管道 内输送介质 、 保 温材料 和 海水的比热容 t ， 管道内 输送介质和保温材料的温度 r 管道径向长度变量 P ， P ， P 管道内输送介质 、 保温材料 和 海水的密度 A ， A ， A ， 管道内输送介质、 保温材料 和海水 的导热系数 模型 中所采用的边界类型 上边 界为 自由出 流 ， 下边界为恒温， 左右边界为绝热 。泄漏前的边 界条件 等 I 一 。 I 4 l 5 式中 海水与管道的对流换热系数 f ， 管道所处位置 当量温度 泄漏后速度入 E l 边界条件为 I 6 l r t O ／ 2 2 一 r 2 ／ r n ≤ ≤3 2 2 ／ r 0 泄漏前管道内石油、 保温层温度和周围海水 温度作为计算初始条件 图1 海底悬跨石油管道物理模型 式 中 I m t l I t 1 ， Y 7 r0 t l 2 ， y 泄漏口所在径向平面管道内石油温度