水分遷移冰水相變對(duì)同溝敷設(shè)管道周圍土壤溫度場(chǎng)的影響

梁 月

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院，山東東營(yíng)257000)

同溝敷設(shè)管道是指在一條管溝中敷設(shè)兩條或兩條以上輸油氣管道。由于此種管道敷設(shè)方式具有減少施工時(shí)間和費(fèi)用、對(duì)植被破壞小、后續(xù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)，近些年被國(guó)內(nèi)外很多管道工程公司采用。2012年6月28日，中緬管道部分管段實(shí)行輸送天然氣、原油和成品油三種介質(zhì)的管道同溝敷設(shè)，在我國(guó)管道建設(shè)史上尚屬首次。同溝敷設(shè)管道設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的最關(guān)鍵問(wèn)題是環(huán)境土壤對(duì)熱原油管道的熱力影響，充分了解管道附近的溫度場(chǎng)，可以提升管道的安全度，規(guī)避凝管現(xiàn)象。而以往對(duì)其溫度場(chǎng)的研究，多將土壤看做是各項(xiàng)均勻分布、含水量極少的固體，實(shí)際上土壤中水分的遷移對(duì)傳熱影響極大。在常年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)，土壤中水分還會(huì)向凍結(jié)前鋒遷移并釋放大量潛熱。本文以起自烏魯木齊市、終至蘭州市的西部原油成品油管道為例，它是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較早、技術(shù)較成熟的同溝敷設(shè)長(zhǎng)輸管道。此項(xiàng)工程跨越季節(jié)性凍土區(qū)，分別對(duì)飽和含水凍土和無(wú)水凍土兩種臨界情況下，雙管周圍土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到水分遷移與相變對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

1 物理模型的建立

計(jì)算區(qū)域12m×6m，成品油管道為Φ559mm×7mm，原油管道為Φ813mm×11mm，兩管埋深1.7m(地表至管道軸心的垂直距離)，兩管凈間距為1.2m。土壤密度1680kg/m3，比熱容為2394 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.506w/(m·K);水的物性參數(shù)調(diào)用Fluent自帶材料庫(kù)，相變潛熱為333146 J/kg;鋼管比熱為502.48J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為48 w/(m·K);地表溫度為253K，土壤初始溫度275 K，大氣對(duì)流換熱系數(shù)16.8w/(m2·K)，油流與管內(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)117w/(m2·K)，恒溫層為278K。孔隙度 0.2，滲流率 1.073 ×10－11m2，相變潛熱333.146kJ/K。

通過(guò)分析輸油管道周圍溫度場(chǎng)及大地溫度場(chǎng)的變化，并把大地視作一個(gè)有限的區(qū)域，這樣一來(lái)問(wèn)題的復(fù)雜度大大降低，模型求解也變得相對(duì)簡(jiǎn)單。圖1為西部同溝敷設(shè)管道二維物理模型。

2 冰水相變流固耦合傳熱模型

由于土壤是一種比較復(fù)雜的多孔介質(zhì)，流體在其內(nèi)部滲透的過(guò)程也就顯得相對(duì)復(fù)雜，在研究這一問(wèn)題時(shí)通常使用有限體積法［1］。具體的方法是:取流體體積與網(wǎng)格單元體積的比并將其視作多孔度，把流體與固體混合的區(qū)域視作多孔介質(zhì)區(qū)。

圖1 西部同溝敷設(shè)管道二維物理模型

模型需要液相、固相的比熱是常數(shù)，此時(shí)溫度與熱焓的關(guān)系如下:

式中，CL、CS分別為液相、固相比熱，W/(m·K);分別為液相、固相介質(zhì)的焓，J/kg;Tmelt為相變溫度，K。

3 數(shù)值模擬及結(jié)論分析

在進(jìn)行地表施工作業(yè)時(shí)，地表淺層土通常是施工的重要目標(biāo)。但是地表淺層土?xí)軠囟?、土體、氣候等多方面因素的干擾，因此其水分場(chǎng)與溫度場(chǎng)都會(huì)不斷改變，而且相互影響。土壤的溫度在發(fā)生改變時(shí)，土體內(nèi)部的水分也會(huì)相應(yīng)變化，這一變化進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致其自身導(dǎo)熱系數(shù)與比熱的改變，最終引起土壤溫度場(chǎng)與傳熱能力的變化。在溫度降低的時(shí)候，土壤會(huì)迅速凝固并釋放熱能，此時(shí)水分也會(huì)相應(yīng)發(fā)生移動(dòng)，那么土體的溫度場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生變化。［2］

為了探索水分與土體溫度之間的關(guān)系，分別對(duì)臨界狀態(tài)(飽和含水凍土、無(wú)水凍土)時(shí)，管道運(yùn)行中的非穩(wěn)態(tài)土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖2給出了兩種情況下，同溝敷設(shè)管道運(yùn)行200h的土壤溫度場(chǎng)等值線圖。分析可知:在初始階段，無(wú)水凍土雙管周邊的溫度等值線密度很小，但在地表區(qū)域的溫度等值線密度卻很大。而在飽和含水凍土當(dāng)中，溫度等值線的分布情況截然相反。通過(guò)分析不難看到，無(wú)水凍土當(dāng)中的溫度要比飽和含水凍土當(dāng)中的溫度更低，飽和含水凍土中278K等值線呈圓形分布且范圍較大，無(wú)水凍土278K等值線呈扁圓型分布且范圍較小。這是因?yàn)?，在地表零?0℃低溫的作用下，土體內(nèi)部的水分會(huì)朝著凍結(jié)前鋒轉(zhuǎn)移。在發(fā)生遷移的時(shí)候，熱油管道內(nèi)部的熱量會(huì)向外擴(kuò)散，而且隨著固體向液體相變的發(fā)生，也有一部分熱量被散發(fā)出來(lái)，這會(huì)大大增加土壤內(nèi)部的熱能，使得管道周圍土壤溫度場(chǎng)偏高;而無(wú)水凍土在整個(gè)導(dǎo)熱過(guò)程中僅僅體現(xiàn)在單純的熱傳導(dǎo)作用，使得土壤較長(zhǎng)時(shí)間處于低溫狀態(tài)。

圖2 同溝敷設(shè)管道運(yùn)行200h后的土壤溫度場(chǎng)

另外，由于飽和含水土壤較之無(wú)水凍土中含水量大，兩管之間的部分土壤由于冰水的存在降低了導(dǎo)熱率。因此原油管道受成品油管道散熱的影響較小，1.2m的間距幾乎使雙管無(wú)熱量的互換。而在無(wú)水凍土中，同溝敷設(shè)的雙管熱量傳遞互相影響，需將兩管作為一個(gè)熱力系統(tǒng)看待。

圖3給出了兩種情況下，同溝敷設(shè)管道運(yùn)行400、600h的土壤溫度場(chǎng)等值線圖。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，無(wú)水凍土中276K等溫線不斷向下偏移，但偏移速率降低，這是由于原油管道不斷向外界散熱，使原油管道周圍土壤溫度梯度變小，從而傳熱速率下降。飽和含水凍土中280K等溫線向下偏移速率相對(duì)較慢，雙管周圍溫度場(chǎng)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步說(shuō)明冰水相變、水分遷移對(duì)土壤溫度場(chǎng)影響較大。

凍土是熱傳導(dǎo)，而多孔介質(zhì)卻是導(dǎo)熱和對(duì)流的復(fù)合作用。飽和含水土壤孔隙中充滿了水分，增大了土壤顆粒間接觸熱阻，使土壤蓄熱能力增強(qiáng)，對(duì)外界的傳熱則大大降低。同時(shí)，孔隙中水分凝結(jié)成冰時(shí)，將釋放大量的潛熱，使土壤平均溫度相對(duì)較高，土壤升溫又使管內(nèi)外溫度梯度降低，從而管壁熱流密度降低。

圖3 同溝敷設(shè)管道運(yùn)行400、600h后的土壤溫度場(chǎng)

圖4分析了原油成品油管道運(yùn)行350h到450 h之間，土壤平均溫度和原油管內(nèi)壁平均熱流密度的變化關(guān)系。由兩組曲線變化趨勢(shì)可以看出:管壁熱流密度方面，飽和含水凍土比無(wú)水凍土的低，但在土壤平均溫度方面，飽和含水凍土卻比無(wú)水凍土要高。這主要是由于孔隙中水分凝結(jié)成冰時(shí)，釋放大量的潛熱，土壤平均溫度升高，管內(nèi)外溫度梯度降低，從而管壁熱流密度降低。

圖4 水分對(duì)同溝敷設(shè)管道非穩(wěn)態(tài)傳熱的影響

4 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)同溝敷設(shè)管道周圍土壤溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算可知，飽和含水凍土整體溫度明顯比無(wú)水凍土溫度偏高，但其管壁熱流密度比無(wú)水凍土的低;在輸油初期:飽和含水凍土中原油管道受與其間距為1.2 m的成品油管道的熱力影響較小，而無(wú)水凍土中兩管傳熱互相影響，需看做一個(gè)熱力系統(tǒng)。

可見(jiàn)，水分遷移、冰水相變對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)土壤溫度場(chǎng)的影響很大，建議根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮環(huán)境溫度和含水土壤的冰水相變等因素對(duì)管內(nèi)油品輸運(yùn)的影響。

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

［2］歐陽(yáng)梅.針翅管式相變蓄熱換熱性能的數(shù)值模擬［D］.重慶:重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，2009:34-36.