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          管道研究

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          海底管道泄漏事故影響預測分析

          來源:《管道保護》雜志 作者:王林軍 時間:2020-9-17 閱讀:

          王林軍

          浙江石油化工有限公司

           

          摘  要:分析了浙石化馬目油庫—魚山海底輸油管道泄漏溢油存在的風險,基于模型預測評估了管道潛在溢油事故的危害范圍,表明特定風速、風向以及泄漏時間會增加危害影響范圍。提出了海底管道選址及運行中的安全保護建議,以保障海底管道安全平穩運行。

          關鍵詞:海底管道;泄漏;溢油;風向;風速;泄露時間

           

           

          為滿足國民經濟可持續發展、提高國家原油戰略儲備能力和保障石油供應安全,浙石化在浙江省舟山市建設綠色石化4 000萬噸/年煉油一體化項目,其中原油儲運系統(一期)馬目油庫—魚山輸油管道工程起點為馬目油庫,馬目北端西側為入海點,終點在魚山島登陸,涉海管段長16.7 km,管道建設位置見圖 1。

          馬目油庫—魚山輸油管道位于航道和錨地的集中區域,且周邊分布的海底管線多,易遭受外部因素如鋪管作業或拋錨、錨拖曳、錨鏈磨損管道、沉船等對管道造成損傷。管道登陸段南側區域距離沖刷槽很近,路由區最大沖刷幅度約1.0 m~2.5 m,存在懸空斷裂風險。管道一旦泄露溢油,在潮流及風海流作用下,溢油范圍隨泄漏后時間增長而擴大,將嚴重污染海域及周邊環境。

          1 環境風險事故影響模型

          1.1 溢油顆粒模型

          溢油事故預測采用Johansen[1]等提出的“油顆!蹦P,即認為海面上形成的油膜是由大量油粒子組成的“云團”,每個油粒子代表一定的油量,油粒子之間彼此互相獨立、互不干擾,在潮流及風海流的作用下各自平流、漂移,該過程具有拉格朗日性質,可用確定性方法—拉格朗日方法模擬。同時,剪切和湍流等引起的油粒子擴散過程屬于隨機走動,可用隨機走動法模擬,油粒子在湍流場的運動類似分子的布朗運動,每個油粒子的擴散運動從宏觀上反映了油膜的隨機擴散運動。因此,油粒子在△t 時間內的運動過程分為平流過程和擴散過程。

          “油顆!蹦P涂梢源_切預報出較厚油層向油膜邊緣擴展的過程以及油膜形狀在風向方向明顯拉長的現象,對油膜斷裂和迎風壓縮等預測評估也比傳統模式更具合理性,已成為近年來應用較為廣泛的溢油預測模式。

          在風海流的共同作用下,油粒子群的每一個油粒子的運動可用下式表示:

           

          式中: X 、 Y 為油粒子經過△t 后的位置, X0、 Y0為某質點的初始坐標; U 、 V 分別為X 、 Y 方向的流速分量,包括潮流和風海流兩部分,流場由前述潮流模式計算得到; W10為海面上的風速; A 為風向; α 為風拖曳系數; r 為隨機走動距離(擴散項),是由水流的隨機性脈動所導致每個油粒子的空間位移, r =RE , R 為0~1之間的隨機數, E 為擴散系數; B 為隨機擴散方向, B =2πR 。

          1.2 風拖拽系數選取

          風海流采用如下計算公式:

           

          式中α 為風拖曳系數, f(θ)為科氏力引起的偏轉角的函數, θ 為偏轉角。

          風拖曳系數是海洋大氣物理學中的重要參數,本次采用WuJin公式,即:

           

          式中,在北半球,風海流向右偏轉于風向,本次偏轉角取15°, α 取0.03。

          1.3 溢油點設置

          本海底管道工程跨越長白西航道和規劃的大魚山10萬噸級航道,五峙山北錨地和大魚山東南錨地距離管道路由較近,船舶拋錨時會危及路由安全[2]。經分析,設置兩個管道溢油點,分別位于管道與長白西航道的交界點(CB1)、大魚山10萬噸級航道(YS2),溢油位置見圖 2。管道管徑813 mm、運行壓力0.98 MPa、輸送原油密度按0.88 g/cm3計。保守按輸油管道被鐵錨破壞、單管斷裂,泄漏速度為0.74 m3/s,發生泄漏時間按1 h計,泄漏量約2 664 m3?疾祜L向、風速、原油泄漏后時間長短對溢油范圍的影響。

          1.4 溢油事故預測方案

          根據氣象條件,海底管道所在海域附近夏季盛行SE向風,冬季盛行NW向風,年主導風向為SE向。按《船舶污染海洋環境風險評價技術規范(試行)》要求,選取對主要敏感目標最不利的風向為不利風向,風速為相應的年平均風速。管道環境敏感區域位于管道北側、南側及東側,油污對周邊的海洋保護區造成危害為不利情況,故根據溢油點和環境敏感區域位置,試算后選擇不同的不利風向分別為W、 SW、 S和N向風[3]。故本次預測主要考慮SE向風、 NW向風,以及不利風向W、 SW、 S和N向風,風速取多年平均風速,不利風向時取最大不利風速10.8 m/s。選擇高平潮時刻進行溢油預測,工況見表 1。

          2 預測結果分析

          預測結果表明,由于周邊海島的阻隔作用,不同 風向時溢油影響的差別較大。 YS2發生溢油事故時,工況1(高平潮, SE風向, 4.0 m/s風速) 6 h掃海面積為63.0 km2, 72 h后掃海面積為3 582.3 km2(圖 3);工況3(高平潮, W風向, 10.8 m/s風速) 6 h掃海面積為195.7 km2, 72 h后掃海面積為8 026.8 km2;工況4(高平潮, SW風向, 10.8 m/s風速) 6 h掃海面積為75.5 km2, 72 h后掃海面積最大,為12 983.2 km2(圖 4)。不同風向對環境敏感區域溢油響應時間各不相同,最快2 h溢油到達環境敏感區域,岱山省級風景名勝區受影響最嚴重。

          CB1發生溢油事故后,工況1(高平潮, SE風向, 4.0 m/s風速) 6 h掃海面積61.2 km2, 72 h后掃海面積為3 525.5 km2;工況3(高平潮, W風向,10.8 m/s風速) 6 h掃海面積195.7 km2, 72 h后掃海面積為8 026.8 km2(圖 5);工況4(高平潮, SW風向, 10.8 m/s風速) 6 h掃海面積93.8 km2, 72 h后掃海面積最大,為10 542.4 km2;工況6(高平潮, N風向, 10.8 m/s風速) 6 h掃海面積為8.2 km2, 72 h后掃海面積為759.5 km2(圖 6)。不同風向對環境敏感區域溢油的響應時間各不相同,最快1 h溢油到達環境敏感目標區域,主要敏感目標中五峙山列島鳥類自然保護區受影響最嚴重。

          3 結語

          (1)模型分析結果表明,特定風速、風向以及原油泄漏后的時間決定泄漏危害影響范圍大小。

          (2)在管道工程設計、施工和運行中要統籌考慮各種影響因素。選址時盡量避開海底沖刷嚴重區 域,防止因海底管線覆土沖刷過快而導致海底管線裸管或者懸空;避開地震災害頻發區域和深槽區。施工時加強船舶管理,準確掌握周圍海域第三方建構筑物位置,采用雷達視頻監控系統,對管道附近海域船舶實時監控,及時驅離停留在管道上方的船舶。采用聲吶和淺地層剖面儀,提高海底管道運行過程中埋深和裸管調查頻率,及時掌握海床地形變化趨勢,提前采取預防措施,消減潛在風險。

          (3)管道運行單位和相關部門制定有針對性的應急預案,并納入當地海事管理部門的溢油應急響應體系。落實各項應急準備工作,使事故可能造成的危害減少到最低程度,從而減少溢油風險事故對生態環境的影響。

           

          參考文獻:

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

          [2] 李長印,祁志江. 杭州灣海底管線南岸施工的風險防范和應急程序[J]. 石油化工建設, 2009(03): 46-47.

          [3] 宋金升,劉超,李長江,等. 海底輸氣管道泄漏擴散可視化仿真軟件開發[J]. 西安石油大學學報(自然科學版), 2019, 34(02): 120-125+129.

           

          作者簡介:王林軍, 2014年畢業于西安石油大學油氣儲運工程專業,就職于浙江石油化工有限公司儲運事業部,主要從事長輸管線陸管及海管管道運維工作。聯系方式: 15168090938,zsh_wanglinj@rong-sheng.com。

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