滲流對海底管道非穩(wěn)態(tài)傳熱影響的數(shù)值研究

邰忠英，申龍涉，杜明俊，張春生，許 丹

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

滲流對海底管道非穩(wěn)態(tài)傳熱影響的數(shù)值研究

邰忠英，申龍涉，杜明俊，張春生，許 丹

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

基于多孔介質(zhì)傳熱理論，建立海底土壤水熱耦合控制方程。分析了海水溫度和滲流速度對熱油管道非穩(wěn)態(tài)傳熱規(guī)律的影響，研究表明：海水滲流速度相對越大，管道周圍土壤溫度場在滲流方向的熱作用半徑越長，垂直滲流方向的熱作用半徑越短，且隨著滲流速度的增大，整個土壤區(qū)域平均溫度升高，土壤溫度場達(dá)到穩(wěn)定所用時間降低。在其他條件不變的情況下，海水溫度越高，滲流方向熱作用半徑越小，垂直于滲流方向的熱作用半徑越大。模擬結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)吻合較好，可為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

滲流； 海底管道； 非穩(wěn)態(tài)傳熱； 數(shù)值模擬

隨著海上油氣資源的不斷開采，海底管道作為一種相對高效、安全、穩(wěn)定的輸送工具必將更大規(guī)模的設(shè)計施工并使用。原油在管輸過程中需加熱降粘，以求節(jié)約輸送成本。然而熱油管道在輸送過程中不可避免的會遇到地質(zhì)災(zāi)害、間歇輸送、管線檢修等問題，造成管道停輸。為了確保管線安全穩(wěn)定運(yùn)行首先應(yīng)預(yù)測海底輸油管道不同季節(jié)、不同地質(zhì)條件下溫度場的分布情況。因此準(zhǔn)確預(yù)測不同環(huán)境下熱油管道的非穩(wěn)態(tài)傳熱特性，對確保管道安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[1]。目前人們對埋地輸油管道傳熱特性做了大量的研究，并取得了一些有價值的成果[2-7]?；诤５坠艿婪笤O(shè)條件的特殊性，對熱油管道非穩(wěn)態(tài)傳熱模型的建立應(yīng)充分考慮海水滲流對管道周圍土壤溫度場的影響。本文針對海底管道敷設(shè)環(huán)境特點(diǎn)，建立飽和含水淤泥多孔介質(zhì)傳熱模型，采用SIMPLER算法進(jìn)行數(shù)值求解。分析了淤泥中海水滲流速度和水溫對管道非穩(wěn)態(tài)傳熱規(guī)律的影響。為海底管道安全運(yùn)行管理提供理論依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 物理模型

海水由海底底流深入淤泥層，計算區(qū)域物理模型見圖1。

圖1 計算區(qū)域物理模型Fig.1 Calculation regional physical model

1.2 數(shù)學(xué)模型

多孔介質(zhì)內(nèi)部流體流動及相變過程十分復(fù)雜，有限容積法是處理多孔介質(zhì)流動相變問題常用的理論方法[8-9]。海水滲流符合達(dá)西定律，海水密度變化符合boussinesq近似，根據(jù)這一特征得到的控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

式中：U —流體速度，m / s；

ρf— 流體密度，kg /m3；

t— 時間，s。

式中：u,v—分別為U在x,y方向上的速度分量，m/s；

p— 孔隙壓力，Pa；

μ— 流體動力粘度，Pa·s；

α— 流體膨脹系數(shù)，1/K。

1.3 邊界條件

根據(jù)文獻(xiàn)2的實(shí)際觀測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在不同海水底流速度情況下，海水與海底面的對流換熱系數(shù)大于100 W/(m2·K),折算熱阻小于0.01，故可看做恒溫邊界處理。由文獻(xiàn)6中渤海8#平臺的實(shí)測數(shù)據(jù)可知：海底表面溫度隨海水溫度的年周期性變化而變化。且海底以下10 m處，溫度年終變化小于0.01 ℃，可認(rèn)為是恒溫層。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

模擬管徑Φ520 mm×8 mm,距海底埋深1.4 m,管內(nèi)油溫 60 ℃原油密度 870 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù) 0.14 W/(m·K),比熱2 100 J/(kg·K),海泥密度2 000 kg/m3,比熱2 500 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)7 W/(m·K)，保溫層厚30 mm,密度60 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)0.035 W/(m·K)，比熱1 380 J/(kg·K)。

圖2給出了水溫277 K不同滲流速度情況下，海底熱油管道運(yùn)行200 h后周圍土壤溫度場云圖。分析可知：在其他參數(shù)不變的條件下，滲流速度的大小對海底熱油管道周圍土壤溫度場分布影響較大。主要表現(xiàn)為：海水滲流速度相對越大，溫度場在滲流方向上被拉伸的越長，在垂直于滲流方向上被切削的越大，即埋地管道在滲流方向的熱作用距離隨著滲流速度的增大而增大，垂直于滲流方向的熱作用距離隨著滲流速度的增大而減小。

圖2 海水滲流速度對海底管道周圍土壤溫度場的影響Fig.2 The influence of sea water different seepage flow velocity on soil temperature field around the underwater pipeline

這主要是由于在水分遷移過程中會攜帶熱油管道散發(fā)的熱量。且隨著滲流速度的增大滲流方向上傳遞的熱量相對較多。

圖3，4分別給出了海水不同滲流速度對整個計算區(qū)域（管道周圍土壤區(qū)域）平均溫度及管道外壁面平均溫度的影響關(guān)系。分析可知：隨著熱油管道運(yùn)行時間的增加，整個土壤區(qū)域溫度逐漸升高，但升溫幅度逐漸降低，這主要是由管道與周圍土壤的溫度梯度決定的。與非滲流場相比，滲流速度對土壤平均溫度影響較大。即隨著滲流速度的增加，土壤平均溫度升高。通過計算不同滲流速度下土壤的熱阻可以看出，滲流速度越大，土壤熱阻越小，溫升越快。由圖4可知看出，滲流速度越大，管道外壁面平均溫度越低，且隨著運(yùn)行時間的延長，管外壁溫逐漸趨于某一常數(shù)，土壤溫度場開始趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 海底土壤平均溫度隨滲流速度的變化關(guān)系Fig.3 The relationship of underwater soil average temperature with seepage flow velocity

圖4 管道外壁面平均溫度隨滲流速度的變化關(guān)系Fig.4 The relationshio of pipe wall average temperature with seepage flow velocity

圖5給出了（滲流速度0.5 m/d）不同水溫對海底管道周圍土壤非穩(wěn)態(tài)溫度場的影響。結(jié)合圖2（C）分析可知：在海水滲流速度相同的情況下，水溫對管道周圍土壤溫度場影響較大。運(yùn)行相同的時間，水溫相對越高，滲流方向熱作用距離越小，垂直于滲流方向的熱作用距離越大。這主要是由于隨著水溫的相對升高，管道熱流密度降低，散熱少，致使?jié)B流方向上攜帶的熱量減少造成的。

圖5水溫度對海底管道周圍土壤溫度場的影響Fig.5 (Seepage flow velocity 0.5 m/d) The relationship of different water temperature with soil temperature field around the underwater pipeline

3 結(jié)論及建議

通過對海底輸油管道非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的數(shù)值模擬可知：在其他參數(shù)不變的情況下，海水滲流對熱油管道周圍土壤溫度場分布影響較大。隨著滲流速度的增大埋地管道在滲流方向的熱作用距離增大，垂直于滲流方向的熱作用距離減小。同時隨著滲流速度的增大，土壤溫度場趨于穩(wěn)定所用的時間降低。海水溫度對滲流場影響較大。

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[3] 李長俊，曾自強(qiáng)，江茂.埋地輸油管道的溫度計算[J].國外油田工程，1999(2)：38-40.

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[7] 馬貴陽，劉曉國，鄭平.埋地管道周圍土壤水熱耦合溫度場的數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2007，27(1)：55-58.

[8] 盧濤，姜培學(xué).多孔介質(zhì)融化相變自然對流數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報，2005，26：167-176.

[9] 盧濤，佟德斌.飽和含水土壤埋地原油管道冬季停輸溫降[J].北京化工大學(xué)學(xué)報，2006，33（4）：37-40.

Numerical Study on Influence of Seepage Flow on Unsteady Heat Transfer in the Submarine Pipeline

TAI Zhong-ying，SHENG Long-she，DU Ming-jun，ZHANG Chun-sheng，XV Dan
(Academy of Petrol and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China)

Based on the theory of porous media heat transfer, submarine soil moisture-heat coupling equation was established. Influences of sea water temperature and seepage flow rate on unsteady heat transfer in the hot oil pipeline were analyzed. The results show that: the relatively greater the see water seepage flow rate is, the longer the radius of the thermal effect in the seepage flow direction of soil temperature field around the pipeline, the shorter the radius of thermal effect in vertical direction to the seepage flow direction, and with the flow velocity increases, average temperature throughout the soil region increases, the time that the soil temperature reaches to stable state decreases.

Seepage flow; Submarine pipeline; Unsteady heat transfer; Numerical study

TE 832

A

1671-0460（2011）02-0168-03

2010-09-14

邰忠英（1982-），男，2006年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院信息科學(xué)學(xué)院，現(xiàn)為遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士，研究方向：海底管道熱力計算。E-mail：taizhongying@163.com。