GSR公开课第14讲：输油管道小孔泄漏风险评估案例分享

主讲人：许大伟 技术总监

（2022年3月14日）

（环境咨询领域有13年的从业经验，就职于上海合然环保科技有限公司，主要从事污染地块调查与修复技术研发与应用以及污染地块修复管理等工作，从业至今完成超过200余项环境调查评价以及多项污染原位修复治理等项目，完成的环境调查与评估类项目涵盖石油化工、汽车制造、医药、电子电器、食品、物流等行业，参与污染修复的项目主要关注在石油烃、苯系物等有机污染物。在污染修复技术筛选、标记筛选和优化、方案制定以及修复实施和管理等方面具有丰富的经验，完成了4项污染地块调查与修复相关的实用新型专利的授权。）

 

课程概要：

报告主要通过仿真和数值模拟方式，研究河流穿越段的输油管道在不同泄漏情景（如不同管道压力、泄漏口半径、不同土壤介质等）的泄漏范围、泄漏口通量以及泄漏云团的发展。通过对油品在地表水运移、地下水溶质运移状态进行模拟，尝试通过三维管道区域实体模型构建来展示油品泄漏的影响范围，为管道运营的日常管理、泄漏应急管理和泄漏后的土壤和地下水污染修复治理、风险管控提供参考。

 

课程内容：

一、背景介绍

我国埋设约有3万公里的大口径、长距离输送油、气等不同介质的管道，随着时间的推移、运行过程中设备损耗、管道内腐蚀、形变导致的管道及设施缺陷，是造成管道在运营过程中发生油品泄漏的原因，尤其是穿越段管线油品泄漏对周边生态环境和人居环境形成较大隐患。泄漏的事故会造成这个水体下游水体的水质的恶化，造成河流大面积污染，影响周边地表水饮用水安全。由于油品在管道内高压运行中从管道缺陷口泄漏进入到土壤多孔介质空间中，进一步在土壤中迁移至地下水含水层，从土壤/河床进入到地表水水体的过程，是一个十分复杂的多孔介质多相流流体运动问题。本次评估对该流动过程进行概化，选取对泄漏影响最大、对周边环境影响较为关键的阶段进行评估。

二、泄漏情景、技术路线及方法

（一）泄漏情景

本项目根据穿2处河流（河流1和河流2）越段管道埋设位置（包气带或饱和带）、所在区域的环境背景、以及管道运营参数（如压力、口径等），总结出如下的泄漏情景：

本项目考虑到泄漏的隐蔽性情景，因此基于保守原则，主要评估泄漏油品在土壤多孔介质中的孔隙流的流动，并假定土壤多孔介质各向同性。

泄漏情景的研究主要包含3个要素：1）管道；2）土壤和地下水；3）穿越段上方的河流。本项目研究的泄漏口位置分为管道的正上方、正侧方以及正下方3类泄漏口条件，泄漏口形态仅考虑圆形缺陷口。

考虑到穿越段管道泄漏对环境要素的影响，本项目主要关注埋设于饱和带的输油管道的小孔泄漏情景，以及管道小孔泄漏后通过河床面进入到地表水体后的地表水溢油过程、以及小孔泄漏溢油在地下水中的溶质运移情况。

通常管道如果发生泄漏并被管道系统识别，则管道泄漏口上下游的阀室会立即启动截断阀，并进行泄压排油等应急程序，此后管道将不继续输出压力和泄漏油品，而管道小孔泄漏通常具有隐蔽性、管道压降不显著，泄漏不易被识别，因此，对于地表水的溢油情景，本项目以泄漏仿真结果的泄漏通量作为持续源强假设条件，评价的阶段主要集中在截断阀启动前的持续油品泄漏过程。

基于对泄漏事故后的土壤和地下水修复和风险管控角度的管理目的，本次地下水溶质运移的模拟的阶段主要集中在泄漏发生后、截断阀已启动、管道已不再输出泄漏油品、并且泄漏口区域的土壤与地下水已受到一定程度的溢油污染的情景下，以油品替代成分（如以苯替代汽油）的饱和度作为持续源强，模拟油品的地下水溶质运移过程。

（二）技术路线及框架

图2.2-1 本项目输油管道小孔泄漏评估技术路线

本项目的考察小孔泄漏的技术路线见图2.2-1 ，主要有以下步骤：1）采用导则公式计算泄漏源强，以及开展穿越段管道土壤介质的油品有压阻力系数参数实验；2）采用实验得出的阻力系数进行油品在多孔介质中泄漏流动的仿真计算，并对比源强计算结果；3）分析油品泄漏仿真计算结果、泄漏云团分布及云团表观流速的变化；4）采用仿真得出的泄漏源强，开展油品进入到地表水后的溢油模拟，以及泄漏油品在地下水中的溶质运移模拟。最后总和上述流程得到的结果，综合分析油品泄漏的扩散范围（如泄漏云团体积、云团扩展的最大长度等）、泄漏通量、泄漏总量、泄漏应急窗口时间等，为管道运营管理提供参考。

（三）评估方法

1）泄漏源强计算

采用《建设项目环境风险评价技术导则》（HJ/T169-2018）附录F中关于液体泄漏的计算公式，本质上该计算公式为能量守恒方程，即伯努利方程转写得出。考虑到管道埋设于土壤中，对于管道泄漏口而言需要对其泄漏压力进行修正，如图2.3-1所示。

图2.3-1 泄漏源强计算公式及修正

2）仿真和模拟

本次对油品泄漏仿真流程主要采用ANSYS workbench平台开展，主要包括采用ANSYS spaceclaim构建管道泄漏的几何模型、采用Meshing工具进行网格化模型构建以及采用ANSYS Fluent计算不同泄漏口、不同管道运行工况压力、以及不同泄漏时长条件下的泄漏油品云团分布，并积分运算得出不同泄漏情景下的泄漏通量和泄漏体积。

地表水溢油模拟采用DHI MIKE开展，地下水溶质运移模拟采用Aquaveo GMS地下水模拟软件开展。仿真和模拟的操作流程见下图2.3-2：

图2.3-2 本项目仿真和模拟的操作流程

（四）土壤阻力系数实验

研究多孔介质的渗流问题，通常采用达西定律，流动的压降与流速呈线性关系。而对于有压条件下的多孔介质多相流流动，流体压降和流速呈现非线性关系，因此需要对达西定律进行修正。关于有压条件下的多孔介质流体压降与流速的关系，Forchheimer于1901年提出对Darcy定律的修正，如下公式：

其中，A、B为经验常数、v为多孔介质的渗流速度，为压降与多孔介质区域有效渗流路径的比。1952年土耳其化学工程师Sabri Ergun认为多孔介质内部的压降是粘性学能量损失和惯性能量损失的加和，推导出如下公式，适用的雷诺数范围广泛，同时也适用于多种填充物。

其中，是多孔介质的孔隙率；是多孔介质的孔隙直径；为流体密度；是流体通过多孔介质区域时的流速。结合Forchheimer公式可知，流速的一次项系数为粘性阻力系数，二次项系数为惯性阻力系数。

为配合Fluent中多孔介质模型计算的参数需求，本项目针对河流1和河流2两处穿越段管道所在区域的土壤进行钻探采样，根据所采集土壤样品容重，配置土柱实验，测量不同河流穿越段管道埋设区间土壤的惯性阻力系数和粘性阻力系数。其中，河流1穿越段土壤岩性为细至中砂，河流2穿越段土壤岩性为粉质砂土，穿越段区域地貌环境见图2.4-1及图2.4-2。土壤阻力系数实验设计见图2.4-3。土壤阻力系数实验装置见图2.4-4及图2.4-5。阻力系数参数实验结果见表2.4-1。

表2.4-1 土壤阻力系数实验结果

三、仿真及模拟结果、分析

1）仿真前处理建模

本次仿真的几何建模采用ANSYS Spaceclaim 软件构建几何模型，并采用ANSYS Workbench平台配置的Meshing工具进行几何模型的网格化模型构建。本次仿真过程根据不同泄漏口位置可能出现的不同流动主方向，构建不同尺寸的几何模型，其中泄漏口尺寸设置分为10mm、20mm和50mm，如图3.1-1。

图3.1-1 泄漏仿真模型前处理：几何建模

本项目模型网格化过程中，对泄漏口区域及管道沿线区域的空间均进行了网格加密，以满足最小几何尺寸区域（如泄漏口区域）具有3个或3个以上的网格节点要求，以及网格正交质量最低不小于0.2，平均网格正交质量在0.7~0.8之间。见图3.1-2。

图3.1-2 泄漏仿真模型前处理：网格化模型

2）仿真结果与分析

在仿真试运算中，采用相同的参考文献实验室阻力参数计算，2处河流穿越段的油品泄漏总体流动趋势为垂向向下。

在试运算后采用阻力系数实验得出的参数进行修正后的仿真计算，总结如下：河流1穿越段油品在河床下泄漏后，以10mm半径的泄漏口计，大约需要1.2小时即流出河床进入到地表水中，由于河流1河床以下约5m处有基岩层，即流体不可穿透的阻隔层的存在，因此河流1的油品泄漏油品运动主要趋势为横向流动；河流2穿越段由于其土壤阻力系数十分显著，在1小时的仿真过程中，泄漏油品扩展的距离仍然有限，没有显著的流动趋势。在对河流2的24小时泄漏仿真模拟结果发现泄漏流动趋势仍然总体垂向向下。

通过对仿真云团的分析可知，土壤多孔介质内的有压流动的表观流速呈现快速衰减的趋势，流动速率在泄漏1小时后表现为很低。通过对比导则公式计算的源强结果与仿真得出的泄漏通量结果可知，导则公式计算结果得出的泄漏通量数倍高出仿真计算结果，其原因在于导则计算公式并未考虑到土壤多孔介质的阻力作用，因此仿真结果可以作为管道泄漏事故管理的补充和参考数据。

根据仿真结果可用于对油品泄漏造成的突发环境事故的分类分级，以及相应事故分级的泄漏窗口时间。泄漏云团分布见图3.2-1及图3.2-2。

图3.2-1 Fluent试算结果及云团流动趋势（左6为河流1，右4为河流2）

图3.2-2 Fluent修正参数后仿真计算结果及云图分布（上3图为河流1，下3图为河流2）

根据地表水溢油模拟结果可知，油品按照6kg/s泄漏通量持续泄漏，预计枯水期发生溢油后，油品需要300分钟到达河流1下游的环境敏感点即水库区域（见图3.2-3）；河流2穿越段中心点发生以6kg/s的泄漏通量持续泄漏后，需要大约160分钟到达下游敏感点（见图3.2-4）。同时，2处河流穿越段的溢油模拟还给出了溢油油膜在河面上的随时间变化的面积。

根据河流2穿越段1000天的地下水溶质运移模拟结果可知，在地下水水力梯度作用下河流2北侧沟渠内发生泄漏的油品，其地下水溶质经历约730天即能在地下侧向进入到河流2中。

图3.2-3 河流1穿越段发生泄漏的地表水溢油分布模拟

图3.2-4 河流2穿越段发生泄漏的地表水溢油分布模拟

四、三维管道模型构建及展示探索性工作

采用无人机对河流穿越段进行地表三维数据扫描，生成地表三维面模型。再根据周边地层钻探土壤岩性分层数据，对土层进行划分和建模。通过数据整理，构建管道三维模型，最后与地表模型、地层模型共同整合为区域三维管道模型。该模型可以导入油品泄漏、地表水溢油和地下水溶质运移的计算成果数据，形成溢油管理的展示平台。

 

问答环节：

1.同济大学 张珂：在压力较大的情况下，管道是否会产生劈裂的情况，在此情况下，泄漏该如何计算。

答复：可参考伯努利方程进行计算劈裂情景下的溢油通量。如从裂隙流的角度进行进一步研究，需要从裂隙发展的构建入手，本项目并不包含该工作内容。此外，泄漏口如造成较大劈裂裂隙流的情景并不具备隐蔽性，不具备预防管理的实际意义。

2.生态环境部环境规划院 王枫：地下水溶质运移模型，水流边界是如何定义的。

答复：采用定水头边界，河流标高作为边界看待。

 

课程总结：韩颖、王一鹏、邓璟菲