超稠油埋地熱輸管道保溫失效的數(shù)值模擬

趙 虎，王為民，王 雷，姚 堯，孫憲航

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

模擬與計算

超稠油埋地熱輸管道保溫失效的數(shù)值模擬

趙 虎，王為民，王 雷，姚 堯，孫憲航

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

針對超稠油埋地管道高溫輸送的特點，建立了熱輸管道的穩(wěn)態(tài)傳熱模型，考慮了自然對流換熱對溫度場分布的影響，利用CFD軟件對管道保溫失效前后的溫度場進行了數(shù)值模擬并進行了對比分析，進而為管道安全檢測提供一定的理論指導。

超稠油； 熱輸管道； 保溫失效； 數(shù)值模擬

遼河油田的特石管線是我國自行設計建設的一條超稠油長輸管道，于2004年10月建成投產(chǎn)使用至今。管道采用高溫加熱輸送的方式由曙光特油 2號站出發(fā)至遼河石化分公司，途經(jīng)魚塘葦田等特殊地貌并數(shù)次穿越遼河河道，由于受周圍凍土融溶沉降和管道老化等諸多因素影響，在溫度和壓力作用下產(chǎn)生熱應力，使管道伸縮或膨脹變形導致管道外保溫層開裂，地下水分和鹽分進入保溫層造成保溫層的失效以及管道壁面的腐蝕，對管道的安全運行造成嚴重危害，需進行沿途的檢測和修復工作。

目前通常利用紅外成像儀進行紅外成像檢測，采用非接觸式的檢測手段對周圍溫度場的映射平面進行掃描，在短時間內(nèi)獲取地面溫度場信息。該檢測方法要以掌握失效管道的地表溫度場為前提，基于此，文中建立了超稠油熱輸管道二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對埋地管道保溫層失效前后土壤溫度場的變化進行數(shù)值模擬分析，為安全檢測提供一定的理論依據(jù)。

1 問題的描述

以遼河油田特石管線某段埋地熱輸管道為例，土壤年平均地溫2.4 ℃，冬季地表平均氣溫-10 ℃，地表風速4 m/s,管道中心埋深為2 m，管徑406 mm，管壁厚8 mm，保溫層厚度為40 mm。土壤導熱系數(shù)為1.58 W/(m·K),失效前后的導熱系數(shù)分別為0.04 W/(m·K)， 0.87 W/(m·K)，管內(nèi)油溫為85 ℃。

2 模型的建立

2.1 物理模型

根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，距離地面一定深度處地層溫度受外界環(huán)境干擾很小，自然溫度年終變化小于1 ℃，可以認為是恒溫層。距離輸油管道截面水平方向一定距離處，管道熱量耗散對此處影響非常小，可以認為是絕熱邊界。環(huán)境溫度和土壤導熱系數(shù)均為定值，實際大地溫度場的三維模型如圖1。

圖1 土壤溫度場Fig.1 Soil temperature field

由于失效長度較小，管道內(nèi)部油品軸向溫降沒有明顯變化，可以假定在該段距離上對于管道外部的傳熱是連續(xù)的穩(wěn)定的，研究管道截面溫度場并簡化為二維物理模型見圖2。

圖2 溫度場截面圖Fig.2 temperature field sectional view

2.2 數(shù)學模型

2.2.1 控制方程

考慮到超稠油在管道內(nèi)部高溫高壓運行，其密度受壓強和溫度的影響較小，流體可視為不可壓縮均質流體，密度為常數(shù)。不考慮管道內(nèi)阻，在假設環(huán)境溫度不變的情況下，管道的截面溫度場在達到穩(wěn)定后隨時間的變化很小，可認為管道內(nèi)流體為穩(wěn)態(tài)傳熱過程。在分析管道內(nèi)壁的傳熱過程中，要考慮管道內(nèi)流體的溫度場，流場和壓力場的耦合問題，則管內(nèi)流體的控制方程為[2-4]連續(xù)性方程：

2.2.2 邊界條件

3 數(shù)值模擬及結果分析

特石管線在首站和末站之間只設有一個中間站，其中第一段總長度約為13.32 km,第二段管線總長度約為12.32 km，超稠油熱油管道經(jīng)過長期的運行形成了較為穩(wěn)定的溫度場，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)顯示，兩站之間的油溫溫差只有 10 ℃左右，因此管道軸向溫降不明顯，保溫效果十分顯著。若在環(huán)境等因素影響下造成管道保溫層失效，將會對管道周圍的大地溫度場產(chǎn)生較大的影響，經(jīng)過數(shù)值模擬可以得出管道保溫層失效前后的土壤溫度場截面見圖3、圖4。

圖3 保溫層失效前的土壤溫度場Fig.3 Soil temperature field before invalidation of heat insulator

圖4 保溫層失效后的土壤溫度場Fig.4 soil temperature field after invalidation of heat insulator

經(jīng)過數(shù)值模擬分析得到保溫失效前后地表溫度分布如圖5。

圖5 地表溫度分布曲線Fig.5 Surface temperature distribution curve

由此可以看出，保溫層失效前土壤溫度場的等溫線間隔稀疏，溫度為270 K到300 K的等溫線主要分布在管道軸線正上方距地面1.3 m深度之間，而失效后溫度為270 K到330 K的等溫線集中分布在管道軸線正上方距地面0.8 m深度之間，并且在地層深度相同的情況下，保溫失效后溫度梯度比失效前要大。由熱流密度公式：式中F為管道向土壤散失的熱流密度，d為厚度，則295 K的等溫線距離地面的高度d在失效前后分別為1.8 m和0.9 m,這也說明管道保溫失效后向土壤散失的熱量是失效前的2倍左右。

由圖5可以明顯看出失效前地面徑向溫度變化不大，失效后地表徑向溫度有了明顯變化且沿管道中心向兩側逐漸降低。另外，溫度曲線斜率較失效前增大，且在管道軸線正上方溫度為268.2 K，失效前的溫度為264.1 K，相比之下保溫層失效前后溫度有了較大幅度的變化，目前紅外成像儀的檢測靈敏度可達到0.05 ℃，溫差范圍在檢測精度之內(nèi)，可以為紅外成像儀檢測管道保溫層失效提供一定程度的理論依據(jù)。貼在這里。

4 結 論

（1）通過對遼河油田特石超稠油管線埋地熱輸管道保溫層失效前后的數(shù)值模擬，得到了管道周圍土壤溫度場的變化規(guī)律，可知保溫層失效前后的底邊溫度有很大的變化，可以為沿途紅外檢測提供較為有利的檢測依據(jù)。

（2）經(jīng)過熱流密度計算可以得出管道保溫層失效后所散失的熱量大約為失效前的二倍。

（3）失效后地表徑向溫度的溫度梯度較大，且在管道距地面間的等溫線分布較為密集，說明保溫層失效后管道向土壤散失的熱量較大，造成沿途管線的熱量散失，應該進行及時檢修。

［1］ 吳德興.超稠油集輸?shù)陌闊峒夹g優(yōu)化[J].油氣田地面工程,2000,3（2）：19-20.

［2］ 王福軍.計算流體力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

［3］ 杜明俊，馬貴陽，陳笑寒.凍土區(qū)埋地熱油管道停輸溫降數(shù)值模擬[J].天然氣與石油,2010,8(4)：54-57.

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［5］ 張金亮，王為民，申龍涉.遼河油田超稠油流變特性的實驗研究[J].油氣田地面工程，2006,7（7）：11-15.

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Numberical Simulation for the Buried Super Heavy Oil Heating Transportation Pipeline of Invalidation of Heat Insulator

ZHAO Hu，WANG Wei-min，WANG Lei，YAO Yao，SUN Xian-hang
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

In view of super heavy oil buried pipeline high temperature transportation's characteristic, steady state heat transfer model of the hot oil transportation pipeline was established. Taking into account the influence of natural convection heat transfer on the temperature field distribution, the pipeline temperature field before and after invalidation of heat insulator was numerically simulated and analyzed by CFD software, which can provide the theory instruction for the pipeline safe examination in certain extent.

Super heavy oil; Heating transportation pipeline; Invalidation of heat insulator; Numerical calculation

TE 832.3+31

A

1671-0460（2012）01-0085-03

2011-11-20

趙 虎（1986-），男，山東泰安人，在讀研究生，遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：超稠油加熱輸送。E-mail：benhaizi1986@163.com。

王為民（1955-），男，教授，研究生導師。