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水下输油管微孔溢油的实验研究

文档作者：臧晓刚1 张军2 陈怀民2 卢盛灿1 文档来源： 1.集美大学轮机工程学院 2.集美大学机械与能源工程学院		点击数：	更新时间： 2021年09月27日
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海 洋 技 术 学 报 第 35 卷
水下输油管微孔溢油的实验研究
臧晓刚1，张军2*，陈怀民2，卢盛灿1
（1.集美大学轮机工程学院，福建厦门361021：2.集美大学机械与能源工程学院，福建厦门361021）
摘要：目前大部分溢油研究都是针对大孔径泄漏进行的。文中对水下管道微孔(直径小于5 mm
的孔)泄漏溢油进行了实验研究，获得了不同尺寸微孔泄漏与出流系数的关系、不同泄漏量时溢油
油滴上升至水面的时间以及泄漏产生的浮羽射流的形态。实验结果表明，出流系数会随着泄漏孔
孔径的增大而变大，而泄漏量的增加则会明显缩短溢油上浮至水面的时间，增大羽射流宽度。研
究对水下微孔泄漏的溢油扩散提供了实验参考，为今后微孔溢油的相关研究打下基础。
关键词： 水下管道；微孔溢油；实验研究
中图分类号：TE832 文献标志码：A 文章编号：1003-2029(2016)02-0104-05
收稿日期：2015-12-15
基金项目：福建省自然科学基金资助项目（2014J01201）；福建省科技计划资助项目（2014H6019）
作者简介：臧晓刚（1991-），硕士研究生，主要从事海底油气溢漏研究。E-mail：249167413@qq.com
通讯作者：张军（1966-），博士，副教授，主要研究方向为多相流体流动、流体静电雾化技术、海洋能利用、流体机械优化等。
E-mail：bull0202@sina.com
随着海上石油开采业的快速兴起，水下溢油的
风险也随之提高。水下溢油会对渔业、水产养殖业
以及海洋环境造成致命伤害。因此在海底输油管道
泄漏方面开展一定的研究，为海底溢油的预防、溢
油应急处理以及环境损害评估提供参考是十分必
要的。从20 世纪70 年代起，国外已经开始对海洋
溢油问题进行系统研究。挪威Johansen 等[1]建立了
DEEPFLOW 水下溢油模型并在挪威附近海域利用
实地实验对模型进行了验证；美国克拉克森大学的
Yapa和Zheng 等人[2-3]在21 世纪初建立了一个比较
完善的溢油模型CDOG，该模型考虑到了溢油的扩
散、溶解以及卷吸的作用，能够模拟溢油在海洋环
境中复杂的行为动态。近20多年，国内学者也开展
了海底溢油的相关研究。汪守东和沈永明[4]对Yapa
的CDOG 模型进行推广，并在其基础上考虑了溢油
的乳化作用；廖国祥[5]建立了水下油气溢漏事故污
染物的输移预测模型，该模型能够模拟污染物在密
度分层、流速分层的真实情况下油气输移分离的动
态行为；王晶[6]对海底管线溢油在水中运移扩散过
程以及影响其扩散的主要因素进行研究，分析了各
种因素对所形成油滴尺寸的影响情况。上述研究均
是针对水下大流量泄漏而产生的溢油，对管道微孔
泄漏未必适用。微孔是指海底管道因腐蚀或焊接问
题而产生的孔径小于5 mm 的溢油孔，微孔泄漏由
于泄漏量小，很难被发现，对环境的破坏具有长期
性的特点，因此不容忽视。鉴于此，本文对静水箱中
输油管的微孔溢油在水体中的扩散行为进行了实
验研究。
1 实验系统
实验采用尺寸200 cm伊100 cm伊180 cm 的透明
亚克力材质水箱，在距离水箱底部30 cm 的位置安
装管径为42 mm 的透明PVC 圆管作为实验段，
在实验段中间位置的管道上方分别钻取直径为
2 mm，2.5 mm 以及3 mm 的微孔作为溢油孔，依靠
螺钉控制每个孔的开闭，孔两侧各布置一台压强传
感器以及流量计。实验段与油泵相连接，二者之间
安装流量调节阀调节管路流量，通过油箱与实验段
间的压力调节阀调节实验段压强。实验装置示意图
如图1 所示。
第35 卷第2期
2016 年4 月
海洋技术学报
JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGY Vol. 35，No.2
Apr，2016
doi:10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.019
实验过程中先将油泵开启，待油路系统充满油
后，通过调节油路中的压力调节阀并观察计算机所
采集的压力传感器读数将溢油孔处的压强调节到
实验所需值，待压强稳定后打开待测溢油孔处的螺
钉，同时操作计算机开始采集数据。溢油孔处的压
强取溢油孔两侧压强传感器的平均值，泄漏流量通
过溢油孔前后两台流量计之间的差值确定。溢油图
像由Sony ILCE-5100相机采集，相机录像频率为每
秒50 帧，相机直接与计算机相连并将图像按帧输
出，即可由水槽外壁的透明标尺按比例计算得出油
滴的上升距离、羽流的形态和到达水面所需时间。
实验过程中保持溢油孔与水面间距离为60 cm，
温度约为30 ℃，水槽内工质为水，实验用油为0号柴
油，30 ℃下二者的密度、粘度等物性参数由表1给出。
2 实验结果及分析
按照上述实验配置，分别对2 mm，2.5 mm，
3 mm 3种溢油孔径在不同泄漏量下的羽流形态、溢
油抵达水面的时间等进行分析，并讨论了不同尺寸
微孔泄漏与出流系数的关系。
2.1 泄漏量对羽流形态的影响
图2 为实验过程中拍摄的不同泄漏量时油从
2.5 mm孔径溢油孔泄漏所形成的羽射流形态图片。
由图2 可以看出，与大流量溢油情况下的油
柱射流不同，微孔溢油是以独立油滴的形式进入
水体。由于微孔泄漏的溢油孔尺寸小，单位时间的
溢油量也非常小，因此溢油从孔中溢出后不会出
现大流量溢油情况下的油柱射流，而是直接进入
浮射羽流阶段，即溢油从溢油孔泄漏后直接破碎
成细小的油滴，并在初始动量的推动下不断扩散
开形成烟羽状。
由实验图片可以看出，溢油量变大的同时，羽
流宽度随之增加。这是因为溢油进入水体后，水油
之间形成了速度不连续的间断面，在其后喷射出的
溢油的干扰下，间断面失去稳定而产生涡旋，涡旋
卷吸周围流体进入羽流，同时不断移动、变形、分
裂，并加剧紊动，从喷射口周边开始沿程形成内外
自由紊动混合层[7]。在卷吸作用下，溢油带动周围流
体一起向前运动，这一过程中不断有水进入到羽流
内部，进行质量和动量的交换。溢油与周围流体发
生掺混的同时, 其射流区域不断扩大，流量沿程增
加，所以随着羽流的上浮，其宽度延程增大。随着溢
油量的增大，溢油进入水体时的初速度也不断增
加，溢油的初始动量也就越来越大，卷吸作用不断
加剧，因此会将更多的水掺混进羽流中，所以溢油
1.实验水箱2.油泵3.油箱4.流量调节阀5.压力调节阀
6.流量计7.压强传感器8.泄漏孔
图1 实验配置简图
表1 30 ℃下实验所用0 号柴油、水物性参数表
工质籽/kg窑m-3 滋/Pa窑s 滓/N窑m-1
0 号柴油815 0.004 26 0.032 8
水995 0.000 81 0.071 2
图2 不同泄漏量时的羽射流形态
（a）Q=3.84×10-6 m3/s （b）Q=7.49×10-6 m3/s
（c）Q=1.01×10-5 m3/s （d）Q=1.48×10-5 m3/s
第 2 期 臧晓刚，等：水下输油管微孔溢油的实验研究 105
海 洋 技 术 学 报 第 35 卷
量变大的同时，羽流宽度随之变宽。
从实验图片中可以明显看出，当泄漏量为
3.84伊10-6 m3/s 时，油滴尺寸较大，油滴颗粒分明；当
泄漏量增大为7.49伊10-6 m3/s时油滴尺寸明显变小，
但油滴颗粒依然比较分散；泄漏量继续增大至
1.01伊10-5 m3/s 时油滴尺寸继续变小，此时羽射流中
心已经开始略有雾化，难以区分单个油滴，但羽射
流外侧油滴颗粒依然可以凭肉眼辨别；当泄漏量增
大至1.48伊10-5 m3/s时油滴直径变得十分细小，此时
羽射流已接近雾化，凭肉眼难以分辨单个油滴。由
此不难看出，在同一孔口直径下，随着流量的增加，
油滴的直径不断地减小。油滴破碎的过程实际上是
羽射流动能与油滴表面能相互作用的过程。随着泄
漏量的增加，羽射流所具有的动能越来越大，油滴
在克服表面张力做功的过程中将动能转化为表面
能，羽射流的动能越大，转化后油滴所具有的表面
能也就越多，而油滴的表面能与其面积成正比，因
此油滴会在动能转化为表面能的过程中不断破碎
成更细小的油滴以增大其表面积，所以泄漏量增大
的同时，油滴的直径会不断减小。
图3 为溢油量为8.64伊10-6 m3/s 时泄漏孔孔径d
分别为3 mm，2.5 mm和2 mm时的溢油羽射流图片。
通过实验观测发现，孔口大小对油滴尺寸有较
大影响。从图3 中可以发现，对于一定流量的油通
过泄漏孔进入水体的这一过程来说，随着孔口直径
的增加，油滴的直径显著增大。由文献[7]可知，表面
张力与孔口直径成正比，在相同泄漏量的情况下，
随着孔口直径的增加，油滴所受的表面张力也逐渐
增大，而表面张力是液滴在孔口处所受的主要阻
力，油滴只有产生足够大的浮力来抵消这一阻力才
能脱离孔口，而浮力又与油滴的尺寸成正比，因此
油滴会在孔口处不断积累直至体积足够大以产生
相应的浮力抵消表面张力的束缚。所以随着泄漏孔
孔径的增大，油滴尺寸也会增大。
2.2 泄漏点处压差与泄漏量的关系
泄漏点处液体泄漏量可以用伯努利方程计算
得出。计算过程中可以将微孔溢油看做小孔泄流的
过程，忽略掉小孔不规则处，将其简化成圆柱体，其
长度等于管壁厚度，则小孔出流量可用下式计算：
Q=滋仔d2
4 2△p
籽oil
（1）
式中：Q 为每秒溢油的体积；滋为出流系数，其
值随工况的不同而变化，通常由实验测得；d 为溢油
孔直径；△p 为孔内外压强差，其中孔内压强可由压
力传感器测得，孔外压强可根据水面高度求出；籽oil
为管内油密度。
图4 是根据实验数据，利用计算机软件拟合求
得的3种不同孔径下压差与泄漏量的关系情况。经
计算求得当溢油孔孔径分别为2.0 mm，2.5 mm 和
3.0 mm时，出流系数滋分别为0.73，0.76和0.82。
图3 相同泄漏量下不同孔径的泄漏形态对比
（a）d=3 mm （b）d=2.5 mm （c）d=2 mm
图4 不同孔径下管内外压差对泄漏量的影响
d=2.0 mm时压差与泄漏量的关系
驻P/Pa
驻P/Pa
驻P/Pa
d=2.5 mm时压差与泄漏量的关系
d=3.0 mm时压差与泄漏量的关系
滋=0.73
滋=0.76
滋=0.82
106
可以看出，出流系数滋会随着孔径的增大而增
大。对于粘性流体而言，其他条件不变的情况下，边
界层厚度一定，孔口面积越大，边界层所占的权重
也就越小，边界层所引起的能量损失占总能量损失
的比重也就越来越小，因此出流系数会随着泄漏孔
孔径的增大而增大。
2.3 不同泄漏量下油滴上浮到达水面时间
实验过程由安装在溢油孔正前方的Sony
ILCE-5100数码摄像机拍摄，相机直接与计算机相
连并将录像按帧输出，由此计算得出各孔径在不同
泄漏量下首粒油滴到达水面所需时间。由于相机录
像频率为每秒50 帧，即每隔0.02 s 采集一帧图像，
而溢油上浮至水面所需时间以秒计量，因此由此方
法测得溢油上浮至水面的时间精度较高，对结果的
影响较小，所测得时间值准确度较高。最终得出各
孔径在不同泄漏量下首粒油滴到达水面所需时间
如图5 所示。由实验结果可知，在孔径不变的情况
下，随着溢油孔单位时间溢油量的增加，首粒油滴
到达水面的时间有明显缩短的趋势；在泄漏量相同
的情况下，泄漏孔孔径增加，溢油上浮至水面的时
间缩短。
在微孔泄漏过程中，溢油的动量变化情况大致
可以分成两个阶段。第一阶段，溢油在泄漏源的压
力作用下进入水体中并立即破碎成为细小的油滴,
它们在初始动量和水体浮力共同作用下形成浮射
流并处于主动输移状态，这一阶段的总动量以其初
始动量为主，称为浮射流阶段；浮升至一定高度的
油滴在失去初始射流动量后, 则只在浮力的作用下
在垂直方向向上迁移，这一过程属于第二阶段，称
为羽流阶段，此时油滴所具有的总动量以浮力所产
生的动量为主。由于本实验溢油孔与水面之间的距
离较短，油滴群进入羽流阶段时已经接近水面，因
此在溢油上升的过程中浮射流阶段对油滴上升至
水面所需的时间影响较大，羽流阶段对其影响较
小，也就是说初始动量的大小对油滴上浮至水面所
需时间的长短起到了决定性作用。单位时间内的泄
漏量越大，溢油上浮至水面所需的时间就越短，这
是因为在浮射流阶段，泄漏量的增大导致了溢油整
体的初始动量增加，因此溢油在泄漏点处的初始速
度也较大，在上浮距离一定的条件下，初始速度越
大，油滴上浮至水面所需时间也就越短。
由前述可知，在泄漏量相同的情况下，泄漏孔
孔径越大，所产生的油滴尺寸也就越大，而油滴所
受浮力大小与油滴的体积直接相关，因此油滴的尺
寸增大会明显导致其所受浮力增大，而浮力越大，
其上升时的加速度也就越大，距离一定，上升时间
必然缩短。因此溢油孔孔径增大，溢油上浮至水面
所需的时间会明显缩短。
3 结论
对本文实验研究进行分析，可得以下结论：
（1）当溢油过程属于微孔泄漏时，溢油不会形
成连续的油柱，而是以油滴的形式进入水体。相同
溢油孔径的情况下，单位时间内的泄漏量越大，所
形成的羽流宽度越宽，产生的油滴越细小；而泄漏
量相同时，溢油孔尺寸越大，油滴直径也就越大。
（2）通过实验所得数据，借助计算机进行拟
合，发现微孔泄漏的出流系数会随着溢油孔尺寸的
增大而增大。
（3）单位时间溢油的泄漏量对油滴上浮至水
面的时间影响较大，单位时间内溢油量越大，油滴
上浮至水面所需的时间越短。相同泄漏量下，泄漏
孔孔径越大，油滴上浮至水面所需的时间也越短。
由于实验条件有限，本文只探讨了浅水区域输
油管路微孔溢油的扩散特性。深海溢油过程由于会
产生大量水合物，而生成水合物这一过程对溢油的
扩散过程又有较大影响，因此本实验结论只适用于
浅水区域输油管路微孔溢油情况。针对深水区微孔
溢油的扩散特性情况有待做进一步研究。
图5 不同泄露量下油滴到达水面的时间
d=2.0 mm d=2.5 mm d=3.0 mm
Q/m3·s-1
第 2 期 臧晓刚，等：水下输油管微孔溢油的实验研究 107
海 洋 技 术 学 报 第 35 卷
参考文献：
[1] Johansen. Development and Verification of Deep-Water Blowout Models[J].Mar Pollut Bull,2003,47:360-368.
[2] Yapa P D,Li Z. Simulation of Oil Spills fromUnderwater Accident I: Model Development[J].J Hydraul Res,1997,35:673-688.
[3] Li Z,Yapa P D. Simulation of Oil Spills from Underwater Accident II: Model Verification[J].Hydraul Res,1998,36:117-134.
[4] 汪守东,沈永明. 海底管线溢油数学模型研究[J]. 大连理工大学学报,2006,S1:191-197.
[5] 廖国祥,高振会,熊德琪. 水下油气溢漏事故污染物输移预测模型[J]. 大连海事大学学报,2010,04:115-120.
[6] 王晶. 海底管线溢油在水体中的运移扩散过程研究[D].大连：大连理工大学,2006.
[7] 肖杰. 海底管线微孔泄漏油滴尺寸与上升速度研究[D]. 大连：大连理工大学,2007.
Experimental Study on Oil Spill through Micropores in Underwater Pipeline
ZANG Xiao-gang1, ZHANG Jun2, CHEN Huai-min2, LU Sheng-can1
1. School of Marine Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian Province, China;
2. College of Mechanical and Energy Engineering, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian Province, China
Abstract：At present, most researches on oil spill are targeted at large amount of leakage through large apertures.
In this paper, an experiment on microporous (diameter less than 5 mm) underwater oil spill is carried out to
reveal the relationship between different sizes of micropores and flow coefficients, and the time that oil droplets
with different amounts of leakage spend to rise to the water surface. This paper also shows the form of floating
plume jets of different leakages. Experimental results show that the flow coefficient will increase while the
microporous diameter becomes larger. The increase of the amount of leakage will significantly shorten the time
that oil spend to rise to water surface, and increases the plume width. This paper provides an experimental
reference for the diffusion of oil spill through micropores in the water, and lays a solid foundation for future
research on microporous oil spill. Key words：underwater pipeline; microporous oil spill; experimental study
108

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