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管道研究

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海底管道泄漏事故影响预测分析

来源:《管道保护》杂志 作者:王林军 时间:2020-9-17 阅读:

王林军

浙江石油化工有限公司

 

摘  要:分析了浙石化马目油库—鱼山海底输油管道泄漏溢油存在的风险,基于模型预测评估了管道潜在溢油事故的危害范围,表明特定风速、风向以及泄漏时间会增加危害影响范围。提出了海底管道选址及运行中的安全保护建议,以保障海底管道安全平稳运行。

关键词:海底管道;泄漏;溢油;风向;风速;泄露时间

 

 

为满足国民经济可持续发展、提高国家原油战略储备能力和保障石油供应安全,浙石化在浙江省舟山市建设绿色石化4 000万吨/年炼油一体化项目,其中原油储运系统(一期)马目油库—鱼山输油管道工程起点为马目油库,马目北端西侧为入海点,终点在鱼山岛登陆,涉海管段长16.7 km,管道建设位置见图 1。

马目油库—鱼山输油管道位于航道和锚地的集中区域,且周边分布的海底管线多,易遭受外部因素如铺管作业或抛锚、锚拖曳、锚链磨损管道、沉船等对管道造成损伤。管道登陆段南侧区域距离冲刷槽很近,路由区最大冲刷幅度约1.0 m~2.5 m,存在悬空断裂风险。管道一旦泄露溢油,在潮流及风海流作用下,溢油范围随泄漏后时间增长而扩大,将严重污染海域及周边环境。

1 环境风险事故影响模型

1.1 溢油颗粒模型

溢油事故预测采用Johansen[1]等提出的“油颗粒”模型,即认为海面上形成的油膜是由大量油粒子组成的“云团”,每个油粒子代表一定的油量,油粒子之间彼此互相独立、互不干扰,在潮流及风海流的作用下各自平流、漂移,该过程具有拉格朗日性质,可用确定性方法—拉格朗日方法模拟。同时,剪切和湍流等引起的油粒子扩散过程属于随机走动,可用随机走动法模拟,油粒子在湍流场的运动类似分子的布朗运动,每个油粒子的扩散运动从宏观上反映了油膜的随机扩散运动。因此,油粒子在△t 时间内的运动过程分为平流过程和扩散过程。

“油颗粒”模型可以确切预报出较厚油层向油膜边缘扩展的过程以及油膜形状在风向方向明显拉长的现象,对油膜断裂和迎风压缩等预测评估也比传统模式更具合理性,已成为近年来应用较为广泛的溢油预测模式。

在风海流的共同作用下,油粒子群的每一个油粒子的运动可用下式表示:

 

式中: X 、 Y 为油粒子经过△t 后的位置, X0、 Y0为某质点的初始坐标; U 、 V 分别为X 、 Y 方向的流速分量,包括潮流和风海流两部分,流场由前述潮流模式计算得到; W10为海面上的风速; A 为风向; α 为风拖曳系数; r 为随机走动距离(扩散项),是由水流的随机性脉动所导致每个油粒子的空间位移, r =RE , R 为0~1之间的随机数, E 为扩散系数; B 为随机扩散方向, B =2πR 。

1.2 风拖拽系数选取

风海流采用如下计算公式:

 

式中α 为风拖曳系数, f(θ)为科氏力引起的偏转角的函数, θ 为偏转角。

风拖曳系数是海洋大气物理学中的重要参数,本次采用WuJin公式,即:

 

式中,在北半球,风海流向右偏转于风向,本次偏转角取15°, α 取0.03。

1.3 溢油点设置

本海底管道工程跨越长白西航道和规划的大鱼山10万吨级航道,五峙山北锚地和大鱼山东南锚地距离管道路由较近,船舶抛锚时会危及路由安全[2]。经分析,设置两个管道溢油点,分别位于管道与长白西航道的交界点(CB1)、大鱼山10万吨级航道(YS2),溢油位置见图 2。管道管径813 mm、运行压力0.98 MPa、输送原油密度按0.88 g/cm3计。保守按输油管道被铁锚破坏、单管断裂,泄漏速度为0.74 m3/s,发生泄漏时间按1 h计,泄漏量约2 664 m3。考察风向、风速、原油泄漏后时间长短对溢油范围的影响。

1.4 溢油事故预测方案

根据气象条件,海底管道所在海域附近夏季盛行SE向风,冬季盛行NW向风,年主导风向为SE向。按《船舶污染海洋环境风险评价技术规范(试行)》要求,选取对主要敏感目标最不利的风向为不利风向,风速为相应的年平均风速。管道环境敏感区域位于管道北侧、南侧及东侧,油污对周边的海洋保护区造成危害为不利情况,故根据溢油点和环境敏感区域位置,试算后选择不同的不利风向分别为W、 SW、 S和N向风[3]。故本次预测主要考虑SE向风、 NW向风,以及不利风向W、 SW、 S和N向风,风速取多年平均风速,不利风向时取最大不利风速10.8 m/s。选择高平潮时刻进行溢油预测,工况见表 1。

2 预测结果分析

预测结果表明,由于周边海岛的阻隔作用,不同 风向时溢油影响的差别较大。 YS2发生溢油事故时,工况1(高平潮, SE风向, 4.0 m/s风速) 6 h扫海面积为63.0 km2, 72 h后扫海面积为3 582.3 km2(图 3);工况3(高平潮, W风向, 10.8 m/s风速) 6 h扫海面积为195.7 km2, 72 h后扫海面积为8 026.8 km2;工况4(高平潮, SW风向, 10.8 m/s风速) 6 h扫海面积为75.5 km2, 72 h后扫海面积最大,为12 983.2 km2(图 4)。不同风向对环境敏感区域溢油响应时间各不相同,最快2 h溢油到达环境敏感区域,岱山省级风景名胜区受影响最严重。

CB1发生溢油事故后,工况1(高平潮, SE风向, 4.0 m/s风速) 6 h扫海面积61.2 km2, 72 h后扫海面积为3 525.5 km2;工况3(高平潮, W风向,10.8 m/s风速) 6 h扫海面积195.7 km2, 72 h后扫海面积为8 026.8 km2(图 5);工况4(高平潮, SW风向, 10.8 m/s风速) 6 h扫海面积93.8 km2, 72 h后扫海面积最大,为10 542.4 km2;工况6(高平潮, N风向, 10.8 m/s风速) 6 h扫海面积为8.2 km2, 72 h后扫海面积为759.5 km2(图 6)。不同风向对环境敏感区域溢油的响应时间各不相同,最快1 h溢油到达环境敏感目标区域,主要敏感目标中五峙山列岛鸟类自然保护区受影响最严重。

3 结语

(1)模型分析结果表明,特定风速、风向以及原油泄漏后的时间决定泄漏危害影响范围大小。

(2)在管道工程设计、施工和运行中要统筹考虑各种影响因素。选址时尽量避开海底冲刷严重区 域,防止因海底管线覆土冲刷过快而导致海底管线裸管或者悬空;避开地震灾害频发区域和深槽区。施工时加强船舶管理,准确掌握周围海域第三方建构筑物位置,采用雷达视频监控系统,对管道附近海域船舶实时监控,及时驱离停留在管道上方的船舶。采用声呐和浅地层剖面仪,提高海底管道运行过程中埋深和裸管调查频率,及时掌握海床地形变化趋势,提前采取预防措施,消减潜在风险。

(3)管道运行单位和相关部门制定有针对性的应急预案,并纳入当地海事管理部门的溢油应急响应体系。落实各项应急准备工作,使事故可能造成的危害减少到最低程度,从而减少溢油风险事故对生态环境的影响。

 

参考文献:

[1]  Johansen O.Development and verification of deep- water blowout models[J].Marine Pollution Bulletin,2003, 47(9/12): 360-368.

[2] 李长印,祁志江. 杭州湾海底管线南岸施工的风险防范和应急程序[J]. 石油化工建设, 2009(03): 46-47.

[3] 宋金升,刘超,李长江,等. 海底输气管道泄漏扩散可视化仿真软件开发[J]. 西安石油大学学报(自然科学版), 2019, 34(02): 120-125+129.

 

作者简介:王林军, 2014年毕业于西安石油大学油气储运工程专业,就职于浙江石油化工有限公司储运事业部,主要从事长输管线陆管及海管管道运维工作。联系方式: 15168090938,zsh_wanglinj@rong-sheng.com。

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