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海底管路油气泄漏的研究进展

文档作者：臧晓刚1 张军2 龚翔卢盛灿文档来源： 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： 2023年10月04日
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海底管路泊气泄漏的研究进展
臧晓刚1张军2龚翔卢盛灿
(1集美大学轮机X-．程学院
2集美大学机械与能源工程学院福建厦门361021)
摘要，4-结海底管路油气溢漏的输移与扩散的数学模型．对海底管路油气溢漏的特点、溢漏物输移扩散的过程进行分析总
结．对污染物输移扩散过程的影响因素及其作用机理进行探讨，从而为油气溢漏的应急处理以及环境损害的评估提供参考。
关键词油气泄露水下泄漏油气扩散油水二相流
中图分类号：X55 文献标识码：A 文章编号：1672—9064(2016)01—015—03
2l世纪以来．随着全球经济的快速发展．对石油资源的
需求急剧增加。海上油气田开发过程中．海底油气管路在生
产运输方面发挥了独一无二的重要作用。但随之而来的一个
难以避免的问题便是海底管路由于长时间海水侵蚀或其它
原因而破损所导致的石油以及天然气溢出。油气泄露不仅造
成大量宝贵资源的损失．而且会使海洋环境受到难以估量的
污染．通常It石油在海上所形成的油膜可覆盖12kmz范围
的海表面．由此形成的大面积油膜将阻隔正常的海气交换过
程⋯．并会严重破坏区域生态平衡．影响海洋生物生存。
自上个世纪七十年代以来．国内外学者已经建立了几十
种模型来预测溢油的输移扩散过程．其中以Fav建立的溢油
扩展三阶段理论最为普及．之后很多学者的理论都是在其基
础上加以修正．但由于其模型建立是以静水面为主要前提，
没有考虑到风、洋流以及波浪对溢油的作用，因此大大降低
了其在实际使用过程中的局限性：2]：Lehr．Fraga和Belen对
Fav理论进行了修正完善．认为油膜在海洋里的扩散不可能
不受到风的作用．因而其扩散不是圆形的．而是椭圆形∽。在
这之后，Yapa和Zheng等建立了一个比较完善的溢油模型，
该模型考虑到了溢油的扩散、溶解以及卷吸的作用[4]。近几
年，国内学者也开展了相关研究。汪守东和沈永明对Yapa的
模型进行推广．将溢油的乳化作用考虑在内⋯：廖国祥建立
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[5]：亓俊良研究了深水区溢油的行为与归宿．并
探讨了各行为归宿的影响因素和机制[6]：管永义在FLUENT
环境下．建立波浪、海流和风3项因素共同作用下的水下溢
油模型．模拟了海底管道溢油在浮力作用下的上浮过程[7]。
1 有关油气输运的数学模型
水下溢油的数学模型主要采用拉格朗日积分技术[4s]以
模拟其在水体中的输移扩散过程。此方法是在每一时刻将水
体中的溢油沿轨迹中心线独立为一系列互不影响的控制单
元体．控制单元体在空间中的运动情况即为溢油轨迹的变化
情况．控制单元体的温度、盐度以及浓度变化则代表了溢油
的相应参数的变化。而控制单元体的运动情况则是根据质量
守恒、动量守恒、能量守恒等控制方程进行描述，将各个控制
单元体的运动情况进行综合便能得出溢油的输移轨迹。目前
研究所建立的数学模型不仅考虑到了卷吸、扩散等物理过
程．还考虑到了溢油溶解和乳化两个化学过程。
1．1质量守恒方程
由于受到风、波浪以及洋流的作用，溢油控制单元体在
水下输移扩散时一般会发生卷吸、溶解、紊动扩散和溢油乳
化4个过程．从而导致控制单元体质量的变化。
针对控制单元体，可设其半径为b，厚度为h．速度为v，
密度为P．时间步长取。则控制单元体的质量可表示为m=
ph，rrb：。溢油的质量守恒方程可表示为：
n
1一
Am=p。Q4卜乞／kmt-Am厂Am。(1)
￡
1．1．1卷吸作用
式(1)中第1项为卷吸作用所引起的质量变化，p。为海
水密度(kg／m3)；Q。为卷吸体积通量(m3／s)。
溢油在水下以浮射流的形式上浮的过程中，在风、洋流、
波浪的作用下不断与海水发生相互作用．导致水体进入浮射
流内部．这一过程即为水流的卷吸过程。通常可将水流的卷
吸过程分为剪切卷吸和强制卷吸两部分r9]。剪切卷吸是海水
与溢油间密度差而产生的剪切应力所引起的卷吸过程。强制
卷吸是由海水的对流作用而进入单元体内所引起的。因此
有：
Q。=0+G (2)
其中Q。、佛分别为剪切卷吸通量和强制卷吸通量。
1．1．2溢油溶解
式(1)中第2项表示溢油溶解于水中的总质量(kg)，n
为油的组分数．
一般情况下。溢油在海水中的溶解度较低。由文献『6]可
知．石油烷烃类成分的溶解度与烷烃的含碳量有关。溢油在
上浮的过程中．大部分的低分子芳香烃溶解于水中，其中以
苯类烃最为明显。溢油中单一组分的溶解度与油水比相关．
而不仅仅受制于纯组分的溶解度[6 3。
本模型采用Cohen等人。m]提出的方法来计算溢油溶解
基金项目：福建省自然科学基金(2014JOl201)
作者简介：臧晓刚(1991～)，集美大学轮机工程学院在校研究生，主要进行海底油气溢漏研究。
通讯作者：张军(1966～)，博士，集美大学机械与能源．Y-程学院副教授．硕士研究生导师．主要研究多相流体流动、流体静电雾化技术、海洋能
利用、流体机械优化等。

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