高寒地區(qū)高溫油砂管道保溫設(shè)計(jì)及周?chē)鷾囟葓?chǎng)分析*

李鵬程 陳晶華 陳海新 李根

1中海油研究總院

2中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司

世界各國(guó)對(duì)于能源的需求日益增加，常規(guī)石油資源已難以滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的能源需求，作為常規(guī)能源的補(bǔ)充和替代，非常規(guī)石油資源逐漸得到人們的關(guān)注。油砂作為富含天然瀝青的非常規(guī)石油資源，是一種瀝青、砂、富礦黏土和水的混合物[1]，具有黏度高、金屬含量高和碳?xì)浔雀叩奶刭|(zhì)[2]。目前世界上85%的油砂集中在加拿大阿爾伯塔省北部地區(qū)阿薩巴斯卡、冷湖和平河三個(gè)油砂區(qū)[3]。油砂在地下的形態(tài)是高黏度（一般大于104mPa·s）瀝青包裹著砂等固體物質(zhì)，自然形態(tài)下難以流動(dòng)[4]。油砂在管道中流動(dòng)性較差，為了改善油砂在管道中的流動(dòng)性，降低管道安全運(yùn)行隱患，采用雙層保溫管高溫加熱輸送方式[5-7]。為保障油砂輸送過(guò)程中流動(dòng)安全的同時(shí)，保證管道設(shè)計(jì)壽命，以加拿大高寒地區(qū)某油砂管道為例進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)，并利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT分析管道周?chē)寥罍囟葓?chǎng)，在保證管道內(nèi)油砂正常流動(dòng)的同時(shí)，避免管道外表面溫度過(guò)高影響當(dāng)?shù)氐乇碇参镎ＩL(zhǎng)。

1 雙層管保溫設(shè)計(jì)

該油砂管道長(zhǎng)10.4 km，油砂輸送溫度140 ℃。管道采取保溫輸送，為了延長(zhǎng)投產(chǎn)過(guò)程中保溫層壽命，整條管道采用雙層管保溫結(jié)構(gòu)，內(nèi)管內(nèi)徑406.4 mm，外管外徑558.8 mm，管道最大埋深2.2 m。夏季月平均最高環(huán)境溫度15.7 ℃，冬季月平均最低環(huán)境溫度為-15.3 ℃，埋地溫度為2 ℃，平均風(fēng)速3 m/s。管道設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)40 年，輸送油砂溫度高達(dá)140 ℃，因此該雙層保溫管對(duì)保溫材料的選擇和保溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出較高要求[8]。

1.1 保溫材料選擇

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中保溫材料的選擇應(yīng)根據(jù)不同方面（如介質(zhì)溫度、運(yùn)行工況、管道設(shè)計(jì)壽命等）進(jìn)行比較。工程中目前常用的三種保溫材料性能見(jiàn)表1。

表1 保溫材料性能Tab.1 Insulation material performance

聚氨酯泡沫導(dǎo)熱系數(shù)大，相同保溫性能下所需厚度大，在管道投產(chǎn)過(guò)程中容易發(fā)生變形和老化，維護(hù)成本高，操作溫度通常低于120 ℃，在140 ℃高溫下工作僅30年，不滿(mǎn)足該管道設(shè)計(jì)年限要求。

氣凝膠保溫性能好，操作溫度高，但是在海底管道等應(yīng)用中使用壽命均按照25～30年設(shè)計(jì)，不能保證40 年的設(shè)計(jì)年限，此外在施工切割中有塵，會(huì)危及施工人員身體健康。

無(wú)機(jī)微孔保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性能好，操作溫度高達(dá)1 000 ℃，同時(shí)無(wú)機(jī)微孔保溫材料中不含有機(jī)材料，管道投產(chǎn)過(guò)程中材料不會(huì)老化，可滿(mǎn)足該管道安全運(yùn)行40年的要求。

為了確保保溫材料在全壽命周期內(nèi)保溫性能無(wú)明顯衰減，經(jīng)過(guò)多種材料比選，推薦選用無(wú)機(jī)微孔材料作為該高溫油砂管道保溫材料。

1.2 保溫層厚度

保溫層厚度的選取要綜合考慮其對(duì)于管道輸送流動(dòng)安全需求以及外管溫度的影響。保溫層厚度過(guò)小，導(dǎo)致管道保溫性能變差；保溫層厚度過(guò)大，則會(huì)增大項(xiàng)目投資。因此保溫層厚度是影響該高溫油砂管道項(xiàng)目安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)投入的重要因素[9]。表2為保溫層厚度對(duì)出口溫度的影響。

表2 保溫層厚度對(duì)出口溫度的影響Tab.2 Effect of insulation thickness on outlet temperature

隨著保溫層厚度增加，管道出口流體溫度逐漸增大，但是不同保溫層厚度對(duì)管道出口溫度影響很小，通過(guò)增加保溫層厚度的方式提高出口溫度難度較大。根據(jù)管道輸送流動(dòng)安全需求，管道出口流體溫度不應(yīng)低于135 ℃，該雙層管保溫層厚度應(yīng)大于50 mm。

管道運(yùn)行過(guò)程中，管道外表面溫度如果過(guò)高，會(huì)影響地表植物正常生長(zhǎng)，夏季燙傷植物根部，冬季導(dǎo)致植物生長(zhǎng)過(guò)快。此外，外管溫度過(guò)高還會(huì)對(duì)管道外涂層造成破壞。根據(jù)加拿大當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)要求，管道外表面溫度不應(yīng)高于50 ℃。工程設(shè)計(jì)中考慮5 ℃裕量，因此本設(shè)計(jì)中雙層管外管管壁設(shè)計(jì)溫度控制在45 ℃以下。

綜合保溫層厚度對(duì)出口溫度，外管溫度以及內(nèi)外管間空隙的影響（表3），推薦采用厚度50 mm的保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表3 保溫層厚度對(duì)外管溫度的影響Tab.3 Effect of insulation thickness on the temperature of outer pipe

2 雙層錨固件保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錨固件是雙層保溫管特有的部件，通常每隔一段距離設(shè)置一個(gè)，用于將雙層管、內(nèi)管和外管連接成一個(gè)整體[10]。錨固件能夠隔離內(nèi)外管之間的環(huán)形空間，在油品泄漏或者內(nèi)外管間進(jìn)水后避免整條管道保溫效果受到影響；此外，錨固件可以在管土作用下避免內(nèi)外管發(fā)生相對(duì)偏移，使內(nèi)外保持管同心。錨固件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 錨固件結(jié)構(gòu)Fig.1 Anchor structure

錨固件一般采用鋼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱系數(shù)大，錨固件外表面會(huì)因管道內(nèi)高溫油砂的影響出現(xiàn)局部高溫，因此需要對(duì)雙層管錨固件采取保溫措施。錨固件短管主要由錨固件本體、與錨固件本體兩側(cè)焊接相連的雙層管短管和錨固件保溫結(jié)構(gòu)三部分組成。錨固件保溫套管和錨固件保溫層構(gòu)成了錨固件保溫結(jié)構(gòu)。錨固件保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即確定其保溫層厚度和長(zhǎng)度，錨固件短管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 錨固件保溫短管結(jié)構(gòu)Fig.2 Anchor insulation short pipe structure

2.1 模型建立

根據(jù)土壤恒溫層理論，建模過(guò)程中將無(wú)限大土壤空間轉(zhuǎn)換為具有固定邊界的矩形土壤區(qū)域。對(duì)錨固件短管以及周?chē)寥姥毓艿垒S向方向建模并作對(duì)稱(chēng)處理，以直觀分析錨固件短管溫度場(chǎng)。錨固件保溫層厚度和長(zhǎng)度需多次試算確定。以最終確定的保溫層厚度50 mm、保溫層長(zhǎng)度2.8 m 為例，錨固件短管土壤埋設(shè)物理模型如圖3所示。

圖3 錨固件短管土壤埋設(shè)物理模型Fig.3 Physical model of anchor short pipe soil embedding

2.2 模擬結(jié)果

利用FLUENT軟件對(duì)正常運(yùn)行工況下管道進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，錨固件保溫短管周?chē)鷾囟葓?chǎng)如圖4所示。

圖4 錨固件短管周?chē)鷾囟葓?chǎng)Fig.4 Temperature field around the anchor short pipe

在錨固件保溫層的作用下，錨固件與其外部接壤土壤之間存在較大溫度梯度，與土壤接觸的錨固件外套管及與其相連的雙層管外管溫度值，自左邊界起沿軸向變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 錨固件外套管及相連雙層管外壁溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the outer pipe of the anchor and the connected double-layer pipe outer wall

在錨固件外表面和雙層管外管導(dǎo)熱作用的影響下，套管與外管連接處（圖3 中點(diǎn)2）存在局部高溫區(qū)域，該點(diǎn)處溫度升至45 ℃，隨后雙層管外管溫度逐漸穩(wěn)定至35.9 ℃。

3 土壤溫度場(chǎng)影響分析

為了避免管道周?chē)寥罍囟冗^(guò)高影響當(dāng)?shù)刂参镎ＩL(zhǎng)，破壞生態(tài)環(huán)境，應(yīng)對(duì)管道外表面溫度以及管道周?chē)鷾囟葓?chǎng)進(jìn)行熱力分析。

3.1 模型建立

為了直觀分析土壤溫度場(chǎng)，需要對(duì)雙層管沿徑向建立雙層管內(nèi)管、保溫層、環(huán)空層、雙層管外管、土壤建立物理模型。模擬過(guò)程中忽略環(huán)境溫度變化、地下水水位變化、水分遷移等自然環(huán)境影響，油砂管道物理模型如圖6所示。

圖6 油砂管道物理模型Fig.6 Physical model of oil sands pipeline

3.2 土壤導(dǎo)熱系數(shù)影響分析

土壤導(dǎo)熱系數(shù)取決于土壤的類(lèi)別、土壤的孔隙度和滲透率等因素[11]，土壤導(dǎo)熱系數(shù)影響土壤溫度場(chǎng)分布[12]。本油砂管道沿線路由復(fù)雜，土壤類(lèi)型多樣，表4 為模擬夏季工況下土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.05、1.12、1.21、1.3、1.74、1.92和2.1 W/(m·K)條件下管道外表面溫度。

表4 不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)下外管溫度Tab.4 Outer pipe temperature under different soil thermal conductivity

管道沿線土壤類(lèi)型多樣，在沼澤區(qū)，因土壤導(dǎo)熱系數(shù)僅0.5 W/(m·K)，雙層保溫管外管壁溫度高達(dá)56.14 ℃，高于加拿大當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)要求的50 ℃，工程施工中需要對(duì)此部分段落進(jìn)行換土，更換為導(dǎo)熱系數(shù)大的土壤，降低雙層管外管管壁溫度，減小對(duì)地表植物生長(zhǎng)的影響。

3.3 季節(jié)影響分析

油砂管道投產(chǎn)過(guò)程中，環(huán)境溫度對(duì)外管溫度影響很大[13]，不同季節(jié)下雙層管外管溫度如圖7所示。

圖7 不同季節(jié)下雙層管外管溫度Fig.7 Temperature of double-layer outer pipe in different seasons

受冬季環(huán)境溫度低影響，原油與外界土壤之間散熱強(qiáng)，導(dǎo)熱作用明顯，導(dǎo)致冬季外管溫度比夏季低20 ℃。冬季工況下，土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1.12 W/(m·K)時(shí)，外管溫度為15.8 ℃。隨著土壤導(dǎo)熱系數(shù)增加，外管溫度逐漸減小，當(dāng)土壤導(dǎo)熱系數(shù)為2.1 W/(m·K)時(shí)，外管溫度降為4.5 ℃。

3.4 保溫材料失效影響分析

油砂管道在長(zhǎng)年運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地由于老化、腐蝕等因素影響，致使管道破裂[14]，導(dǎo)致內(nèi)外管間進(jìn)水或內(nèi)管泄漏。土壤中水分或者油砂進(jìn)入內(nèi)外管之間使得保溫材料失效，影響管內(nèi)流體正常流動(dòng)。表5 為雙層管保溫材料失效過(guò)程中外管溫度。

表5 不同保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)下外管溫度Tab.5 Outer pipe temperature under different thermal conductivity of insulation materials

保溫材料失效導(dǎo)致管道保溫性能變差，外管溫度升高。當(dāng)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)增加至0.038 W/(m·K)時(shí)，外管溫度將超過(guò)45 ℃。

3.5 油砂管道啟動(dòng)土壤溫度場(chǎng)影響分析

油砂管道啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，管道周?chē)寥罍囟葧?huì)逐漸上升并最終達(dá)到穩(wěn)定。掌握油砂管道啟動(dòng)過(guò)程中外管溫度變化規(guī)律，對(duì)于分析土壤溫度場(chǎng)有重要意義。當(dāng)土壤導(dǎo)熱系數(shù)取1.12 W/(m·K)，管道啟動(dòng)后外管溫度變化如圖8所示。

圖8 管道啟動(dòng)后外管溫度變化Fig.8 Temperature change of outer pipe after pipe start-up

管道啟動(dòng)后外管溫度變化可分為兩個(gè)階段。啟動(dòng)初期，雙層管外管壁與周?chē)h(huán)境溫度溫差大，導(dǎo)熱作用強(qiáng)，該階段外管溫度上升很快。10 天后，隨著外管溫度逐漸升高，與周?chē)h(huán)境溫差縮小，導(dǎo)熱作用減弱，外管壁溫度將緩慢升溫。

4 結(jié)論

以加拿大某油砂管道為實(shí)例，結(jié)合生態(tài)環(huán)境的影響，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT分析埋地油砂管道熱力的影響。

（1）保溫材料的選擇。通過(guò)對(duì)聚氨酯泡沫、氣凝膠和無(wú)機(jī)微孔保溫材料比選，最終推薦選用無(wú)機(jī)微孔保溫材料作為雙層保溫管保溫材料，厚度50 mm。

（2）錨固件保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雙層管錨固件保溫層厚度50 mm，保溫長(zhǎng)度2.8 m。

（3）地?zé)嵊绊懛治?。管道正常運(yùn)行工況下，全管外管溫度低于45 ℃；土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)的段落外管壁溫度較高，需要進(jìn)行換土處理，更換導(dǎo)熱系數(shù)較大的土壤類(lèi)型；夏季外管壁溫度比冬季高20 ℃；雙層管間保溫材料當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增加至0.039 W/(m·K)時(shí)，外管溫度超過(guò)45 ℃；管道啟動(dòng)后初始10天內(nèi)，外管升溫迅速，隨后升溫變緩。