浅水海底管道气体泄漏运动特性
发布时间：2020-02-04
摘 要：为了进行海底管道输气工程的安全仿真研究，对管道的气体泄漏点进行定位和预报。以 渤 海 浅水工况下的输气管道泄漏为背景，建立浅水气体泄漏的数学模型和有限元数值模型。通过两种模型对比、验证，得到泄漏气体水面上扩散半径和沿流方向偏移距离的关键数据，研究水下气体泄漏的运动规律。研 究 表明：数学模型与有限元数值模型计算结果较为吻合。海洋的潮流流向、泄漏口径(即泄漏率)大小影响泄漏气体的运动，泄漏气体到达水面的扩散半径随着泄漏率的增大而增大，流方向偏移距离随着泄漏率的增大而减小。
关键词：浅水海底管道;气体泄漏;数学理论;有限元模拟
0 引 言
近年来中国快速上升的综合国力与能源供应之间的矛盾十分突出，海洋的油气资源储量巨大，成为解决能源问题的重要手段。海底油气输送系统面临极端环境和复杂地质条件，一旦发生失效，维修与更换困难，不但会导致正常管道的运输功能停滞，使经济收益受到大幅损失，而且将污染水质，破坏海洋生态环境，造成灾难性后果。若水下输气管道破裂的位置处于海洋平台附近，溢出的气体有可能意外引燃，进而对上部平台造成更为严重的事故影响。
对于水下气体泄漏，国内外学者的研究包括试验研究、理论研究和数值模拟等3部分。在试验研究方面，BULSON 较早用试验的方法对气泡羽流及其工程应用作了系统研究;MCDOUGALL[1]和MILGRAM[2]建立了气泡羽流模型，并通过大量的试验研究得出气泡扩散半径的经验公式;20世纪80年代末期，吴凤林等[3-4]专门对圆形气泡羽流形成区运动形态作了细致分析。在理论研究方面，BUSCAGLIA 等[5]分析了质量转移效应对大尺度气泡羽流的数值计算模型的影响;马霞[6]通过编制程序，预测静止环境中的圆形气泡羽流流场并与试验数据对比;徐婷婷[7]对气泡羽流流型试验进行研究，改变曝气量和水深条件来研究气泡羽流的流动形 态。在 数 值 模 拟 方 面，DHOTRE 等[8]采 用 计 算 流 体 动 力 学 (ComputationalFluidDynamics，CFD)仿真对大尺寸气泡羽流进行研究;尹群等[9]运用软件 NEPTUNE 对不同破损情况下天然气泄漏扩散情况进行模拟;范开峰等[10]采用 VOF模型研究海底管道天然气泄漏在水中上升过程的体积分数分布特性。
国内对水下油气泄漏过程的研究主要是对国外研究的吸收和再现[11]，对气泡羽流运动特性数学模型的完善，然而国内实际海况下气体泄漏问题的分析很少，特别是在实际工程应用中对海底管道气体泄漏的一些重要预测参数的确定还存在一定困难。本文基于一组水下气体泄漏释放试验，在 MATLAB中进行数学理论模型计算，结合渤海实际工况，将 FLUENT 软件中的多相流模型(VOF模型)和离散相模型耦合，建立水下气体泄漏有限元数值模拟模型。对潮流场进行二次拟合的方式加入海洋环境载荷，对比数学模型理论计算结果和有限元数值模拟结果，得到天然气泄漏的偏移距离和扩散半径等关键参数，探究水下气体泄漏运动的规律，为海洋工程实践的安全仿真系统提供研究基础。
1 水下气体泄漏运动理论
对水下油气泄漏的情况来说，气体占据控制体内部空间且不会形成水合物，可用理想气体的状态方程来表述气体在整个过程中的变化，本文研究中有如下假定。
管道气体泄漏假定：(1)气体在管道内做一维稳态流动;(2)泄漏口的流动为等熵流动;(3)管道内气体服从理想气体运动规律;(4)气体在管道内的流动为绝热流动。此假定用于天然气泄漏速率计算。
气泡在水中运动基本方程假定：(1)初始半径较小的气泡在短距离上升过程中形状始终保持为球形;(2) 图1 水下油气泄漏理想状态气泡内气体温度在运动过程中保持不变。
当环境流体的速度不很大时，如图1所示，为浅水情况下的典型油气泄漏情况，此时气体始终没有从主控制体侧面逸出，主控制体的运动轨迹几乎不会发生弯折或弯折曲率的绝对值很小。由于气泡与控制体内部的液体之间存在滑移速度ωb，从而使气体从控制体上部逸出，并最终上浮至水平面滑移半径为βb。 βb 的取值范 围 为 0.65～0.80(可 取 0.70)，ωb 的 取 值 范 围 为0.25～0.35m/s。
根据控制单元体内的具体情况，利用有限差分对控制方程进行离散，得到理论计算结果。
3.3 管道泄漏口参数
管道所处水深为17.0m，压强P =0.17MPa，管道起点处的压力为6MPa，天然气温度为323.15K，管道摩擦系数取0.5，管内天然气甲烷含量为94.72%，摩尔质量为17.097kg/kmol，假定距管道起点等效长度Le =1km 处管道发生泄漏，气体常数取8.314Pa·m3/(mol·K)，管道直径为1.219m，泄漏孔径取圆孔。计算不同泄漏孔径下气体泄漏速度，具体情况如表5所示。天然气管道的泄漏事故规模一般是按泄漏口径的大小划分的。根据工程经验，小规模(小口径)泄漏事故发生的可能性较大，大规模(大口径)泄漏事故发生的可能性较小。即天然气管道泄漏一般为孔口泄漏，泄漏过程可看作是可压缩气体的孔口出流。为方便建模，这里以圆孔口泄漏为基础来推导计算公式。在该实例中定义泄漏口径100mm 以下为小孔泄漏，泄漏口径达100mm 及以上为大孔泄漏。
3.4 有限元数值模型
在FLUENT 中建立的模型是一个长度L=80m，高度 H =28m 的矩形，其中水面在从底边起17m 高处，水面上的介质是空气，具体如图5所示。A、B、D3个边界定义为速度入口类型，F与 C两条边界定义为wall类型，E定义为出口中的溢出类型。其中水和天然气的湍流黏度比设为17，而 D 边上来流速度由 UDF加载3.3中定义的各方向下潮流的拟合速度。
网格划分为正方形，单位长度为0.1m。由于海底管道为细长型构件，因此采用双精度模式。湍流设置选用标准双k?e方程，欧拉相数为3(其中水为主相，空气、甲烷为第二相)。设置模型底边为管道，甲烷气体泄漏口在底边中点 F处，呈射流状。可利用 FLUENT 自带的Injections功能，设置破损孔径的大小、气体泄漏速度和质量速度等参数。
为使流场内的初始速度为稳定海流速度，使用自定义初始化程序进行初始化 DEFINE_INIT，初始化过程采用相应的稳定流场参数，计算时间为小孔泄漏(20mm)气体开始泄漏后25s左右，大孔泄漏(100mm、300mm、500mm)气体开始泄漏后10～15s。
4 计算结果对比
4.1 数学理论计算结果
在数学模型中加载目标油田具体的管道泄漏口参数，将潮流条件代入到模型初始条件中进行计算，选取主风向 NE方向这一组气体泄漏数学模型计算结果，如图6和图7所示。
4.2 有限元模拟结果及对比
4.2.1 小孔径泄漏
随机选取小孔径泄漏的两组 FLUENT 模拟图如图8所示。
通过图8，结合气体泄漏动态过程，可以看出：FLUENT 数值模拟与实际天然气泄漏后的扩散运动过程类似，两种模型的耦合一方面完成了气液两欧拉相在自由表面上的相互作用，使泄漏气体离散成更加贴切的气泡粒子，另一方面能真实地模拟泄漏的气体羽流形态以及运动轨迹。
研究水下气体泄漏运动的规律，关键参数是泄漏的偏移距离和扩散半径，综合统计16个潮流方向的两种模型计算结果见表6和图9。
由表5～图9可知：在浅水海底管道气体的小口径泄漏中，数学理论计算模型和有限元数值模型模拟气体泄漏运动的偏移距离和扩散半径这两种关键参数的误差均控制在10%以内，结果拟合度较高。
4.2.2 大孔径泄漏
随机选取大孔径泄漏的两组 FLUENT 模拟图如图10所示。
变换大孔径泄漏的口径，按照3.2部分泄漏口参数，分别选取口径为100mm、300mm 和500mm，综合两种模型的计算结果如图11和图12所示。
由图11和图12可知：在浅水海底管道气体的大口径泄漏中，数学理论计算模型和有限元数值模型模拟气体泄漏运动得到的偏移距离和扩散半径这两种关键参数的结果拟合度高，两种模型相互验证，结果合理正确。
4.2.3 结果对比
在不同管道泄漏口径下，对比不同潮流流向气体泄漏的气泡羽流半径、流方向偏移距离，如图13和图14所示。由图13和图14可知：在相同潮流作用、不同泄漏率(泄漏孔径一样)下，泄漏气体到达海面的扩散半径、流方向漂移距离是不同的。气泡羽流到达水面的扩散半径随泄漏率的增大而增大，流方向漂移距离随泄漏率的增大而减小。原因在于泄漏率越大，相对的运动速度越大，到达海面的运动时间则越小。
5 结 论
运用数学理论计算模型与有限元数值模型相结合来研究浅水海底管道气体泄漏问题，可以很好地考虑海洋环境载荷因素的影响，相互对比验证，更加准确客观。其中，将 FLUENT 软件中的 VOF模型和 DPM模型耦合一方面能够准确地仿真水下气体泄漏的整体羽流运动形态，另一方面能够模拟气体泄漏过程中气泡离散颗粒的运动轨迹。
对于浅水气体泄漏得到以下结论：(1)海洋的潮流流向、泄漏口径(即泄漏率)大小影响泄漏气体的运动，在海面得到不同的扩散半径、流方向偏移距离。(2)泄漏气体到达水面的扩散半径随着泄漏率的增大而增大，流方向偏移距离随着泄漏率的增大而减小。
上述结论对于进行管道气体泄漏点的定位、预报海底管道气体泄漏情况以及实施应对处理措施都有着很大的参考作用。
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