水分迁移冰水相变对冻土区埋地热油管道停输温降影响的研究

苏 凯，马贵阳，杜明俊，李 丹

水分迁移冰水相变对冻土区埋地热油管道停输温降影响的研究

苏 凯，马贵阳，杜明俊，李 丹

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

建立冻土区埋地热油管道停输过程水力、热力数学模型，并进行数值计算，考虑了土壤水分迁移、冰水相变及原油凝固潜热、自然对流换热对停输过程管内原油温降的影响，得到了停输期间土壤温度场分布。通过与不考虑水分迁移、冰水相变的停输温降进行对比。研究表明： 受水分迁移、冰水相变的影响，管道周围土壤温度等值线向管道两侧移动范围较大，土壤平均温度与不考虑水分时相比偏高，在停输过程中管内原油温降速率小于不考虑水分时的情况，受土壤中水分的影响，停输过程管道周围土壤等温线延Y轴略向下偏移。

停输；水分迁移；冰水相变；温降；数值模拟

在管道运行过程中，由于受自然环境、人为因素破坏及输送工艺变化等因素的影响，不可避免的发生停输。当管内原油温度全部降至凝点以下，将发生凝管事故。科学设计安全停输时间，就需要确切知道停输期间管道周围土壤温度场的变化及管内原油温降规律。

管道停输温降过程是一个非稳态传热过程。埋地管道向外界散失的热量来自于温降所释放的显热和原油凝固及土壤中水分结冰所释放的潜热。目前对埋地热油管道停输温降过程的研究主要基于能量守恒方程[1-2]，一般不考虑土壤中水分迁移、冰水相变对温度场的影响。国内外有关学者对埋地管道周围土壤温度场的研究已不少，Bonacina等[3]提出了相变热传导温度场的数值求解方法；Comini等[4]对相变热传导温度场的非线性问题进行了有限元分析；李长俊等[5]根据半无限大土壤非稳态传热模型，推导出了土壤温度场随管内介质和气候条件变化的解析解。本文考虑了土壤中水分迁移、冰水相变，对埋地热油管道停输温降的影响。建立了埋地热油管道停输非稳态传热模型，并与不考虑土壤中水分对温降的影响情况进行对比，得到了两种情况下的安全停输时间，为制定再启动方案提供理论基础。

1 问题的描述及模型的建立

以东北某热油管道为例，计算管径700 mm,壁厚 6 mm, 距管中心埋深 1.6 m,土壤密度 1 680 kg/m3，比热 2 225 J/(kg·K)，导热系数 1.72 W/(m·K)，原油初始温度52 ℃。地表温度-20 ℃，地表风速1 m/s,模拟区域10 m×10 m。根据实测数据，距地面一定深度处，大地自然温度年终变化＜1 ℃，可以认为是恒温层，距输油管道截面水平方向一定距离处对管道热量的耗散影响非常小可认为是绝热的。

1.1 数学模型

土壤作为多孔介质相变融化过程非常复杂，有限体积法是处理多孔介质模型常用的理论方法[6-7]。假设土体各项均质连续，初始时刻孔隙中水分分布均匀，水分迁移符合达西定律，忽略由相变融化引起的速度变化。相变过程采用焓-多孔度法进行求解。根据有限容积理论，质量守恒，动量守恒，能量方程守恒方程分别为：

式中：U — 为流体速度，m/s；

ρf— 流体密度，kg/m3；

t — 时间，s。

动量守恒方程：

式中：u，v—分别为U在x，y方向上的速度分量，m/s；

ε —孔隙率；

p — 孔隙压力，Pa；

Dp— 粒子平均直径，mm；

µ — 流体动力粘度，Pa·s；

α —流体膨胀系数，1/k；

Amulsh—固液糊状区常数，用来反映冻结前锋的形态；

β — 液相分数。

能量守恒方程如下：

式中：γ — 液体所占孔隙分数；

hf— 液相介质的焓，J/kg；

hs— 相变后固相介质的焓，J/kg；

hp— 多孔介质骨架的焓，J/kg；

其中：keff=ε[γkf+（1-γ）ks]+（1-ε）kp—有效导热率，W/（m·K）；

kf—液相热导率，W/（m·K）；

ks— 固相热导率，W/（m·K）；

kp—多孔介质骨架热导率，W/（m·K）；

ρs= ρf[1-α（t-tref）]—固相介质密度，kg/m3。

1.2 边界条件

管道外壁与土壤接触面为耦合截面：

2 数值模拟及结果分析

图 1、2分别为不考虑水分和考虑水分时管道稳定运行600 h后周围土壤温度场等值线图。

图1 不考虑水分时的土壤稳定温度场Fig.1 Soil stable temperature field under the situation without moisture

分析可知：当考虑水分对土壤温度场的影响时，管道周围土壤温度场与不考虑水分时相比差异较大。主要表现为等温线向两侧扩展，而纵向几乎接近。这主要是由于受温度梯度的影响，使水分向低温区迁移，且在迁移的过程中携带管道散失的热量，加之冰水相变释放潜热，使土壤储热能力增强，致使整个土壤区域温度偏高。

图2 考虑水分时的土壤稳定温度场Fig.2 Soil stable temperature field under the situation of moisture

图3，4分别为2种情况下，管内原油平均温降曲线和土壤平均温降曲线。

图3 管内原油平均温度随停输时间的变化关系Fig.3 Change of crude oil average temperature in pipe with shutdown time

图4 土壤平均温度随停输时间的变化关系Fig.4 Change of the soil average temperature with shutdown time

分析可知：两种情况下管内原油初始时刻温降速率不同，不含水的土壤温降相对较快，这是由于停输初期管内外温度梯度较大引起的，随着停输时间的延长，含水土壤情况，管内原油温降速率降低，这主要是由于停输初期含水土壤温度较高，见图4。且随着管内原油的不断散热，使内外温度梯度降低，因此管内原油温降速率降低。而土壤平均温降速率几乎成线性变化。图 5、6分别为管内原油停输80 h后的土壤温度场等值线图，从计算的管内原油平均温降曲线可知(见图3)：考虑土壤中水分时热油管道安全停输时间比不考虑水分时的安全停输时间要长。原因在于，停输初始大地温度偏高，起到了保温层的作用，同时管道周围水分不断向低温区迁移，使管道周围土壤热阻增大，加之冰水相变释放潜热，导致管内原油温降速率减慢，从而延长了停输时间。

图5 不考虑水分时管道停输80 h土壤温度场Fig.5 Soil temperature field under the situation without moisture when shutdown 80 h

图6 考虑水分时管道停输82 h土壤温度场Fig.6 Soil temperature field under the situation of moisture when shutdown 82 h

分析土壤温度等值线图可知：在停输过程中管道周围土壤等温线延Y轴略向下偏移。

3 结论及建议

通过对冻土区饱和含水土壤埋地热油管道停输温降的数值模拟可知：充分考虑水分迁移和冰水相变可延长管道的允许最大停输时间，为更好的合理估算停输时间提供了依据。建议根据工程实际情况合理考虑环境温度和土壤的冰水相变对停输过程中温度场的影响。

[1] 谢依杨．含蜡原油管道安全停输时间的确定[J]．油气储运，2001，20(8)：22-23.

[2] 邢晓凯，张国忠．埋地热油管道停输与再启动过程研究[J]．石油规划设计，2001，12(3)：21-23.

[3] Bonacina C,Comini G,Fasano A,et al.Numerical solution of phase-change problems[J].lnt,J Heat Mass Transfer,1973,16(6)：1825-1832.

[4] Guidice, S.D., Comini, G.,Lewis, R.W.. Finite element simulation of freezing process in soils[J].Int. J. Numer. Anal. Methods Geomech.,1978（2）: 223-235.

[5] 李长俊，曾自强，江茂．埋地输油管道的温度计算[J].国外油田工程，1999(2)：59-62.

[6] 卢涛，姜培学．多孔介质融化相变自然对流数值模拟[J].工程热物理学报，2005，26:167-176．

[7] 卢涛，佟德斌．饱和含水土壤埋地原油管道冬季停输温降[J].北京化工大学学报，2006，33（4）:37-40．

Effect of Moisture Migration and Ice-water Phase Change on Shutdown Temperature Drop of the Buried Hot Oil Pipeline in Permafrost Region

SU Kai，MA Gui-yang，DU Ming-jun，LI Dan(Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

A hydraulic and thermal mathematical model for the buried hot oil pipeline shutdown process at frozen soil area was established, and numerical calculation was carried out by the software. Effects of soil moisture migration,ice-water phase change and latent heat of crude oil solidification on oil temperature drop in pipe during the shutdown process were analyzed, temperature distribution in the soil during the shutdown process was obtained ，and compared with shutdown temperature drop of without effects of water transfer and ice-water phase change. The results show that scope of the soil temperature field contour around the pipeline is much larger influenced by the water migration and ice-water phase change. Compared with the situation without moisture, the average temperature of the soil is slightly higher. The temperature falling velocity of the crude oil is smaller than the case to neglect the water effect during shutdown process.The soil temperature field contour around the pipeline migrates down along Y axis because of soil water effect.

Shutdown; Moisture migration; Ice-water phase transition; Temperature drop; Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2010）06-0702-04

2010-07-12

苏 凯（1983-），男，辽宁抚顺人，2004年毕业于大连水产学院计算机图形图像应用技术专业，现为辽宁石油化工大学油气储运工程专业在读硕士研究生，主要从事长距离管道输送技术的研究。E-mail：sukk-888@163.com。

导师简介：马贵阳：（1965-）,男，博士生导师，教授，大连理工大学博士，中科院工程热物理研究所博士后,辽宁石油化工大学石油天然气工程学院副院长，主要从事计算流体力学与传热传质的研究。