水分遷移對島狀凍土區(qū)埋地管道周圍非穩(wěn)態(tài)溫度場的影響

胡 金 文

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水分遷移對島狀凍土區(qū)埋地管道周圍非穩(wěn)態(tài)溫度場的影響

胡 金 文

（撫順齊隆化工有限公司，遼寧 撫順 113004）

多年凍土島大多處于連續(xù)多年凍土和季節(jié)性凍土的過渡地帶，沼澤化現(xiàn)象很普遍，對土壤熱交換條件極其敏感。結(jié)合島狀凍土區(qū)土質(zhì)條件及環(huán)境因素，建立飽和凍土多孔介質(zhì)水熱耦合模型并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究水分遷移、冰水相變對凍土溫度場和埋地原油管道非穩(wěn)態(tài)傳熱的影響。對控制和減少因管基融沉導(dǎo)致的安全事故，保障管道長期穩(wěn)定運(yùn)營具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

水分遷移；冰水相變；島狀凍土；多孔介質(zhì)

1 凍土區(qū)輸油管道工程現(xiàn)狀

國內(nèi)外凍土區(qū)鋪設(shè)的油氣管道工程，都要面對凍害帶來的安全隱患。美國著名的阿拉斯加管線修建于延綿的島狀多年凍土區(qū)，當(dāng)時(shí)為了預(yù)防凍土層融化給管道帶來安全隱患，設(shè)計(jì)者采取在保溫層內(nèi)設(shè)置冷凍管等措施，但事后證實(shí)并不可行。我國的格拉輸油管道位于海撥4 000 m以上地區(qū)，一年中約有8個(gè)月處于冰凍期。在管線建設(shè)期間，缺乏凍土區(qū)管道施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致凍土融化而被迫多次改線，可見凍脹和融沉破壞是管道工程安全營運(yùn)所面臨的最大威脅。

2 埋地管道物理模型

埋地管道非穩(wěn)態(tài)傳熱過程研究關(guān)鍵是分析其周圍土壤溫度場的分布情況[1]。將土壤介質(zhì)半無限大區(qū)域簡化成二維矩形有界區(qū)域，采用數(shù)值計(jì)算求解，近年來應(yīng)用較為廣泛（圖1）。

圖1 管道物理模型

2.1 埋地管道的邊界條件

埋地管道在運(yùn)行期間，管道周圍凍土溫度場是由土壤介質(zhì)自然溫度場和輸油管道系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)溫度場共同作用的結(jié)果。土壤自然溫度場跟隨大氣環(huán)境溫度的年周期性變化而變化，但在時(shí)間上要比大氣環(huán)境溫度周期性波動(dòng)滯后[2]。

邊界條件：

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.3 飽和含水凍土多孔介質(zhì)水熱耦合數(shù)學(xué)模型

土壤屬多孔介質(zhì)，發(fā)生在其內(nèi)部的相變?nèi)诨傲黧w遷移過程及其復(fù)雜[3]，假設(shè)多孔介質(zhì)凍土符合以下條件的情況下：(1) 流體介質(zhì)密度變化符合boussinesq近視理論；(2) 飽和凍土各相同性連續(xù)；(3) 不考慮融化相變造成的速度變化；(4) 水分遷移符合達(dá)西滲透理論[4]。建立控制方程：

能量方程：

質(zhì)量方程：

動(dòng)量方程：

3 水分遷移對島狀凍土區(qū)埋地管道周圍非穩(wěn)態(tài)溫度場的影響

融脹問題是凍土區(qū)管道工程最嚴(yán)重的潛在隱患，凍土區(qū)土壤溫度在環(huán)境溫度和管道系統(tǒng)油溫共同作用下而周期性地發(fā)生正負(fù)變化[5]。在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下促使凍土內(nèi)的相應(yīng)地發(fā)生遷移與相變，土壤中的未凍水向凍結(jié)鋒面遷移，所攜帶的熱量將會(huì)引起溫度場發(fā)生變化；而水分在遷移過程中又將引起土壤的持水量與熱物性發(fā)生變化，這必將對凍土溫度場產(chǎn)生一定影響[6,7]。年復(fù)一年最終將會(huì)導(dǎo)致凍土層冰水分凝和凍土溶脹變形，發(fā)生在凍土內(nèi)的水分遷移現(xiàn)象對凍土溫度場的影響非常明顯。本文以島狀凍土區(qū)典型土質(zhì)亞粘土為例，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度，分別對無水凍土及飽和含水凍土進(jìn)行數(shù)值模擬，研究水分場遷移對島狀凍土溫度場和埋地管道非穩(wěn)態(tài)傳熱的影響。

3.1 數(shù)值計(jì)算和結(jié)果分析

如圖2所示，計(jì)算區(qū)域?qū)ΨQ，簡化為一半?yún)^(qū)域(9 m×9 m)，埋深1.5 m，管徑660 mm，鋼管密度7 800 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)42.8 W/(m?K)，比熱容470 J/(kg?k)，土壤密度1 980 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)1.588 W/(m?K)，比熱容2 200 J/(kg?k)，地表溫度250 K，凍土初始溫度271.5 K，土壤恒溫層276 K，地表大氣對流換熱系數(shù)18.52 W/(m2?K)，油品與管道內(nèi)壁對流換熱系數(shù)116 W/(m2?K)，相變潛熱334.166 kJ/kg，孔隙度0.346，滲流率2.084×10-11m2。

圖2 埋地管道周圍土壤區(qū)域截面圖

3.2 水分遷移對島狀凍土溫度場的影響

通過圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，島狀凍土區(qū)埋地管道運(yùn)行120、240 h后土壤溫度場的分布情況。在管道運(yùn)行之初，水分場對凍土溫度場的作用并不顯著。這是由于地表溫度偏低，凍結(jié)層內(nèi)水分的遷移孔隙通道窄小，而且在負(fù)溫影響下水的粘性增大，水分遷移量很小所致。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，水分場對管道周圍凍土溫度場的影響越發(fā)明顯。不含水凍土熱量傳的導(dǎo)是依賴土壤顆粒間接觸的導(dǎo)熱，而飽和凍土熱量傳導(dǎo)除了導(dǎo)熱外，水分在土體孔隙通道內(nèi)向凍結(jié)鋒面遷移過程中熱量也隨之傳輸，同時(shí)冰水相變釋放部分潛熱，多種因素共同作用下促使管道周圍凍土的溫度場作用范圍明顯高于不含水凍土。

(a)無水動(dòng)土

(b)飽和含水凍土

圖3 管道運(yùn)行120 h凍土溫度場

Fig.3 Permafrost temperature field for the pipelihe operate after 120 hours

(a)無水動(dòng)土

(b)飽和含水凍土

圖4 管道運(yùn)行240 h凍土溫度場

Fig.4 Permafrost temperature field for the pipeline after 240 hours

3.3 水分遷移對島狀凍土區(qū)埋地管道非穩(wěn)態(tài)傳熱的影響

如圖5所示，無水凍土區(qū)管道壁的熱流密度要比飽和凍土區(qū)偏高，而管道融深卻比飽和凍土區(qū)低。這是由于飽和凍土區(qū)熱量傳輸方式途徑更多，除了導(dǎo)熱，還包含管道油品通過管壁與土體所含水分間的對流換熱，這些因素促使土壤蓄熱量增多，導(dǎo)致近管道周圍凍土溫度要高于無水凍土，在降低了管內(nèi)外溫度梯度的同時(shí)也降低了管壁熱流密度。同時(shí)水分在向凍結(jié)界面遷移途中熱量隨之傳輸、冰水相變釋放潛熱等，促進(jìn)凍土融化，導(dǎo)致管道最大融深大于無水凍土。

(a)無水動(dòng)土

(b)飽和含水凍土

圖5 水分對凍土區(qū)埋地管道非穩(wěn)態(tài)傳熱的影響

Fig.5 The effect of moisture on buried pipeline unsteady heat transfer in permafrost

4 結(jié) 論

通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在管道運(yùn)行起始階段，水分場對凍土溫度場的影響很弱。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，水分場對埋地管道周圍凍土溫度場的影響明顯增強(qiáng)，飽和含水凍土溫度場的作用范圍明顯大于無水凍土。飽和含水凍土管壁的熱流密度明顯低于無水凍土，管道周圍凍土融化程度比不含水凍土區(qū)要明顯。綜上所述，水分場對凍土溫度場分布及管道非穩(wěn)態(tài)傳熱影響較為明顯。因此不宜把計(jì)算區(qū)域簡化無水凍土進(jìn)行研究，否則其結(jié)論將會(huì)與實(shí)際情況不符合。

5 展 望

因能力和客觀條件限制，在課題的研究工作中存在一些不足之處，以下問題還需進(jìn)一步完善與開展：

（1）需將數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擬合，以提高計(jì)算精度，使研究成果更接近于實(shí)際。

（2）本研究是將管道置于單一土質(zhì)內(nèi)，事實(shí)上土體類型是隨深度不同而變化的，仍需對此加深研究。

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Effect of Moisture Migration on Unsteady Temperature Field Around the Buried Pipeline in Island Permafrost Regions

（Fushun Qilong Chemical Co., Ltd., Liaoning Fushun 113004，China）

Most permafrost islands are in the transition zone of continuous permafrost soil and seasonal frozen soil, swamp phenomenon is relatively common, the soil is sensitive to heat transfer conditions. In this paper, based on island frozen soil conditions and environmental factors, hydrothermal coupling model of water saturated porous media of permafrost soil was established, and the numerical calculation was carried out. The influence of moisture migration and ice-water phase change on frozen soil temperature field and buried oil pipeline unsteady heat transfer was studied.

moisture migration; ice water phase change; island permafrost soil; porous media

TE 832

A

1671-0460（2016）09-2160-04

2016-03-30

胡金文（1972-），男，遼寧省撫順市人，工程師，碩士研究生，2012 年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，研究方向：油氣管道輸送技術(shù)。E-mail：hujinw197285@sina.com。