基于FLUENT的試壓海底管道傳熱特性分析

王 軍，李友行，鄭秋明，袁朝綱，鄭松賢，羅 召

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

基于FLUENT的試壓海底管道傳熱特性分析

王 軍，李友行，鄭秋明，袁朝綱，鄭松賢，羅 召

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道投產(chǎn)前的試壓工作是保證管道安全可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。試壓過(guò)程中，當(dāng)海底管道內(nèi)試壓海水與周?chē)h(huán)境存在溫差時(shí)，熱量交換會(huì)導(dǎo)致試壓海水溫度發(fā)生變化。以單層保溫配重管為例，根據(jù)傳熱學(xué)原理建立試壓海底管道與周?chē)h(huán)境傳熱的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用FLUENT軟件模擬計(jì)算海底管道內(nèi)試壓海水溫度場(chǎng)的變化及其引起的壓力變化。結(jié)果表明：試壓初期，試壓海水與周?chē)h(huán)境溫差較大，試壓海水溫度變化明顯，隨著熱交換的進(jìn)行，試壓海水與周?chē)h(huán)境溫度逐漸趨于一致；試壓海水的溫度變化導(dǎo)致壓力變化，保壓前熱交換時(shí)間越長(zhǎng)，保壓期間溫度變化對(duì)壓力造成的影響越小。

水壓試驗(yàn)；傳熱特性；壓力變化；FLUENT

海底管道（以下簡(jiǎn)稱海管）投產(chǎn)前的試壓工作是保證管道安全可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。該過(guò)程將一定量的試壓介質(zhì)（海洋工程中通常為海水）注入海管內(nèi)使其達(dá)到試驗(yàn)壓力，穩(wěn)壓24 h，觀察壓力變化是否符合要求[1]。在試壓過(guò)程中，當(dāng)管內(nèi)試壓海水與周?chē)h(huán)境存在溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量交換，導(dǎo)致試壓海水溫度發(fā)生變化，而溫度變化會(huì)導(dǎo)致壓力波動(dòng)，若保壓期內(nèi)溫度變化很大，試壓結(jié)果無(wú)法滿足規(guī)范要求。由于海底管道系統(tǒng)最終試壓驗(yàn)收時(shí)間的長(zhǎng)短直接關(guān)系到施工資源的投入和油田投產(chǎn)時(shí)間，在保證管道質(zhì)量的前提下，更快地完成海底管道的驗(yàn)收工作是施工方與業(yè)主方共同追求的目標(biāo)。

目前關(guān)于海管傳熱特性的研究主要集中在海管停輸期間溫度場(chǎng)變化研究[2-4]，針對(duì)試壓海管傳熱特性及對(duì)壓力影響的研究很少。本文依據(jù)傳熱學(xué)和水力學(xué)基本理論建立海底埋設(shè)管道傳熱的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用FLUENT軟件，模擬了海管內(nèi)試壓介質(zhì)溫度場(chǎng)的變化，并對(duì)溫度引起的壓力變化進(jìn)行研究，研究結(jié)果對(duì)提高試壓一次合格率有重要指導(dǎo)意義。

1 海管傳熱物理模型及網(wǎng)格劃分

本文針對(duì)海底管道內(nèi)試壓介質(zhì)溫度變化展開(kāi)相應(yīng)研究。首先建立海底埋設(shè)管道的物理模型。設(shè)海管埋設(shè)高度H1；距海底一定深度H處存在恒溫層[5]，海水及海底管道傳熱對(duì)該處影響很小，可認(rèn)為該處溫度恒定不變，設(shè)為T(mén)H；距管道水平方向一定距離L處，管道傳熱對(duì)其溫度變化忽略不計(jì)，可認(rèn)為是絕熱邊界；同時(shí)忽略管道軸向散熱，徑向方向假設(shè)試壓介質(zhì)初始溫度相同。這樣得到的海底埋設(shè)管道的物理模型為邊長(zhǎng)2L、深度H的矩形區(qū)域中有一圓形區(qū)域散熱。由于海管周?chē)鷾囟葓?chǎng)分布是關(guān)于管道中心對(duì)稱的，所以研究其傳熱問(wèn)題，只考慮一側(cè)即可[6]，如圖1所示。

圖1 海底試壓管道傳熱的物理模型

本文以12 in（1 in=25.4 mm）單層保溫配重海管為例，保溫層厚度25 mm，混凝土配重層厚度40 mm。利用FLUENT的前處理軟件GAMBIT建立幾何結(jié)構(gòu)并采用四邊形網(wǎng)格對(duì)物理模型進(jìn)行劃分[7]。

2 數(shù)學(xué)模型

試壓介質(zhì)與外界的傳熱過(guò)程包括介質(zhì)與海管內(nèi)壁的對(duì)流換熱，海管內(nèi)壁、防腐層、保溫層、夾克管、混凝土配重層的熱傳導(dǎo)以及海管外壁與周?chē)寥赖臒醾鬟f。海管試壓時(shí)內(nèi)部海水傳熱過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程，其傳熱方程和邊界條件如下：

求解區(qū)域的微分方程：

管內(nèi)試壓海水溫度：

管內(nèi)試壓海水與管道內(nèi)壁的對(duì)流換熱邊界：

海底土壤與管道外壁的邊界：

土壤恒溫層溫度：

式中：λ為管內(nèi)介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；ρ為管內(nèi)介質(zhì)密度，kg/m3；c為管內(nèi)介質(zhì)比熱容，J/（kg·K）；T為計(jì)算區(qū)域某一點(diǎn)溫度，℃；τ為熱交換時(shí)間，s；Tin為管內(nèi)試壓介質(zhì)溫度，℃；d為海管內(nèi)徑，m；λb海管各層材料總導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；r為區(qū)域內(nèi)某一點(diǎn)至管中心的距離，m；hin為管內(nèi)介質(zhì)的自然對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m·℃）；Tb為海管內(nèi)壁溫度，℃；δ為海管壁厚，m；H為恒溫層深度，m；TH為海底恒溫層溫度，℃。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 初始流場(chǎng)模擬結(jié)果

圖2為海底試壓管道初始流場(chǎng)模擬結(jié)果，海管內(nèi)試壓海水溫度為28℃，海床面溫度與海水溫度近似相同為15℃，海底恒溫層溫度為11℃，從海床面到恒溫層，溫度呈逐漸下降趨勢(shì)。

圖2 海管及海底環(huán)境的初始溫度場(chǎng)

3.2 海管溫度場(chǎng)變化模擬結(jié)果

以初始流場(chǎng)模擬結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的初始條件，對(duì)海管內(nèi)試壓海水的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到不同時(shí)刻試壓海水的溫度場(chǎng)以及試壓海水的平均溫度。圖3分別為熱交換時(shí)間10、50、100、200 h時(shí)，海管內(nèi)溫度場(chǎng)分布。

從圖3可以看出，由于試壓海水溫度高，周?chē)Ｋ疁囟鹊?，試壓海水通過(guò)鋼管、防腐層、保溫層、夾克管和混凝土配重層向外傳熱。隨著熱交換時(shí)間的增長(zhǎng)，內(nèi)部試壓海水與外界的溫差越來(lái)越小，當(dāng)熱交換時(shí)間200 h，海管內(nèi)溫度場(chǎng)變均勻。

試壓海水的平均溫度隨熱交換時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，熱交換開(kāi)始時(shí)，試壓海水溫度下降較快，這是由于開(kāi)始時(shí)管道內(nèi)試壓海水與周?chē)h(huán)境溫差較大，管道向外散熱較多。隨著熱交換的進(jìn)行，試壓海水的溫度變化逐漸變小，至200 h時(shí)，溫度基本與外界趨于一致，穩(wěn)定時(shí)試壓海水溫度為16.32℃。

圖3 海管溫度場(chǎng)

圖4 試壓海水平均溫度隨熱交換時(shí)間變化曲線

4 海管傳熱特性對(duì)試壓的影響

根據(jù)海管的傳熱特性可知，當(dāng)管內(nèi)試壓海水與周?chē)h(huán)境存在溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量交換，導(dǎo)致試壓介質(zhì)溫度發(fā)生變化，隨著熱交換的進(jìn)行，溫度變化越來(lái)越小。溫度變化會(huì)導(dǎo)致壓力波動(dòng)[8]。當(dāng)試驗(yàn)壓力為12.93 MPa時(shí)，在不同時(shí)間開(kāi)始保壓，24 h內(nèi)由溫度變化引起的壓力變化如圖5所示。

圖5 不同時(shí)間開(kāi)始保壓的壓力變化

從圖5可以看出，保壓前熱交換的時(shí)間越長(zhǎng)，保壓期間溫度對(duì)壓力造成的影響越小。在注水達(dá)到試驗(yàn)壓力后立即開(kāi)始保壓，24h后，壓力變?yōu)?2.821MPa，變化率0.84%；熱交換30 h后開(kāi)始保壓，壓力變?yōu)?2.852 MPa，變化率0.6%；熱交換65 h后開(kāi)始保壓，壓力變?yōu)?2.878 MPa，變化率0.4%；熱交換130 h后開(kāi)始保壓，壓力變?yōu)?2.904 MPa，變化率0.2%。

5 結(jié)論

本文建立了海底埋設(shè)管道試壓過(guò)程中與周?chē)h(huán)境傳熱的物理模型和數(shù)學(xué)模型，采用FLUENT軟件模擬了試壓介質(zhì)的溫度場(chǎng)變化，并對(duì)保壓期間溫度引起的壓力變化進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)試壓介質(zhì)與周?chē)h(huán)境存在溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱交換，導(dǎo)致試壓介質(zhì)的溫度發(fā)生變化。試壓初期，溫差較大，試壓介質(zhì)溫度變化明顯，隨著熱交換的進(jìn)行，試壓介質(zhì)與周?chē)h(huán)境溫度逐漸趨于一致。

（2）試壓介質(zhì)的溫度變化導(dǎo)致壓力變化。熱交換時(shí)間越長(zhǎng)，保壓期間溫度對(duì)壓力造成的影響越小。當(dāng)試壓海水溫度 28℃、海床溫度15℃時(shí)，熱交換65 h后開(kāi)始保壓，由溫度影響的壓力變化為0.4%，在此時(shí)開(kāi)始保壓既可以滿足要求，又可以節(jié)省工期。

[1]鞠文杰，曹浩明，梅路平，等.溫度變化對(duì)海底管道試壓的影響規(guī)律[J].石油和化工設(shè)備，2015，18（4）：14-18．

[2]盛磊祥，許亮斌，蔣世全.基于Fluent的海管內(nèi)停輸管內(nèi)原油溫度變化過(guò)程分析[J].中國(guó)造船，2009，50（S）：333-337．

[3]李偉，張勁軍.埋地含蠟原油管道停輸油降規(guī)律[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004，23（1）：4-8．

[4]BOER S，HULSBERGEN C H.Thermal aspects of trenching burialand covering of hot submarine pipelines[J].American Soc of MechanicalEngineers，1989，5（8）：39-52．

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[6]吳國(guó)忠，龐麗萍，盧麗冰.埋地輸油管道非穩(wěn)態(tài)熱力計(jì)算模型研究[J].油氣田地面工程，2002，21（1）：92-93.

[7]吳國(guó)忠，陳超.埋地管道傳熱數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分方法[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，29（2）：82-84.

[8]潘永東，張洪元.溫度變化對(duì)鋼質(zhì)管道水壓試驗(yàn)的影響[J].石油工程建設(shè)，2006，32（5）：10-13.

Study with FL UENT on heat transfer character of submarine pipeline under hydrostatic test

WANG Jun，LIYouhang，ZHENG Qiuming，YUAN Chaogang，ZHENG Songxian，LUO Zhao

Offshore OilEngineering Corp.，Tianjin 300461，China

Hydrostatic test before a submarine pipeline put into operation is an important procedure to ensure pipeline safety. In the process of pipeline hydrostatic test，when the temperatures between the internal test water and the surrounding environment are different，the heat exchange willgenerate and lead to the change of the test water temperature.Based on the heat transfer principle，the physical model and mathematical model of submarine pipeline under hydrostatic test are established.The software FLUENTis used to simulate and calculate the temperature field ofthe test waterand its temperature effect on pressure.The results show that the temperature of the test water changes significantly at early test stage，then tends to be consistent with surrounding environment temperature through the heat exchange.The change of temperature leads to pressure change.The longer the heat exchange time period before the maintaining pressure is，the smaller the impact of the temperature change on the maintaining pressure becomes.

hydrostatic test；heat transfer character；pressure change；FLUENT

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.007

王 軍 （1986-），男，甘肅會(huì)寧人，工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，主要從事海底管道預(yù)調(diào)試技術(shù)工作。Email：wangjun7@mail.cooec.com.cn

2016-09-22；

2016-11-08