渗流对海底管道非稳态传热影响的数值研究

邰忠英，申龙涉，杜明俊，张春生，许 丹

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

渗流对海底管道非稳态传热影响的数值研究

邰忠英，申龙涉，杜明俊，张春生，许 丹

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

基于多孔介质传热理论，建立海底土壤水热耦合控制方程。分析了海水温度和渗流速度对热油管道非稳态传热规律的影响，研究表明：海水渗流速度相对越大，管道周围土壤温度场在渗流方向的热作用半径越长，垂直渗流方向的热作用半径越短，且随着渗流速度的增大，整个土壤区域平均温度升高，土壤温度场达到稳定所用时间降低。在其他条件不变的情况下，海水温度越高，渗流方向热作用半径越小，垂直于渗流方向的热作用半径越大。模拟结果与相关文献吻合较好，可为工程实际应用提供一定的理论指导。

渗流； 海底管道； 非稳态传热； 数值模拟

随着海上油气资源的不断开采，海底管道作为一种相对高效、安全、稳定的输送工具必将更大规模的设计施工并使用。原油在管输过程中需加热降粘，以求节约输送成本。然而热油管道在输送过程中不可避免的会遇到地质灾害、间歇输送、管线检修等问题，造成管道停输。为了确保管线安全稳定运行首先应预测海底输油管道不同季节、不同地质条件下温度场的分布情况。因此准确预测不同环境下热油管道的非稳态传热特性，对确保管道安全稳定运行具有重要意义[1]。目前人们对埋地输油管道传热特性做了大量的研究，并取得了一些有价值的成果[2-7]。基于海底管道敷设条件的特殊性，对热油管道非稳态传热模型的建立应充分考虑海水渗流对管道周围土壤温度场的影响。本文针对海底管道敷设环境特点，建立饱和含水淤泥多孔介质传热模型，采用SIMPLER算法进行数值求解。分析了淤泥中海水渗流速度和水温对管道非稳态传热规律的影响。为海底管道安全运行管理提供理论依据。

1 模型的建立

1.1 物理模型

海水由海底底流深入淤泥层，计算区域物理模型见图1。

图1 计算区域物理模型Fig.1 Calculation regional physical model

1.2 数学模型

多孔介质内部流体流动及相变过程十分复杂，有限容积法是处理多孔介质流动相变问题常用的理论方法[8-9]。海水渗流符合达西定律，海水密度变化符合boussinesq近似，根据这一特征得到的控制方程如下：

质量守恒方程：

式中：U —流体速度，m / s；

ρf— 流体密度，kg /m3；

t— 时间，s。

式中：u,v—分别为U在x,y方向上的速度分量，m/s；

p— 孔隙压力，Pa；

μ— 流体动力粘度，Pa·s；

α— 流体膨胀系数，1/K。

1.3 边界条件

根据文献2的实际观测和实验数据可知：在不同海水底流速度情况下，海水与海底面的对流换热系数大于100 W/(m2·K),折算热阻小于0.01，故可看做恒温边界处理。由文献6中渤海8#平台的实测数据可知：海底表面温度随海水温度的年周期性变化而变化。且海底以下10 m处，温度年终变化小于0.01 ℃，可认为是恒温层。

2 数值模拟及结果分析

模拟管径Φ520 mm×8 mm,距海底埋深1.4 m,管内油温 60 ℃原油密度 870 kg/m3,导热系数 0.14 W/(m·K),比热2 100 J/(kg·K),海泥密度2 000 kg/m3,比热2 500 J/(kg·K)，导热系数7 W/(m·K)，保温层厚30 mm,密度60 kg/m3,导热系数0.035 W/(m·K)，比热1 380 J/(kg·K)。

图2给出了水温277 K不同渗流速度情况下，海底热油管道运行200 h后周围土壤温度场云图。分析可知：在其他参数不变的条件下，渗流速度的大小对海底热油管道周围土壤温度场分布影响较大。主要表现为：海水渗流速度相对越大，温度场在渗流方向上被拉伸的越长，在垂直于渗流方向上被切削的越大，即埋地管道在渗流方向的热作用距离随着渗流速度的增大而增大，垂直于渗流方向的热作用距离随着渗流速度的增大而减小。

图2 海水渗流速度对海底管道周围土壤温度场的影响Fig.2 The influence of sea water different seepage flow velocity on soil temperature field around the underwater pipeline

这主要是由于在水分迁移过程中会携带热油管道散发的热量。且随着渗流速度的增大渗流方向上传递的热量相对较多。

图3，4分别给出了海水不同渗流速度对整个计算区域（管道周围土壤区域）平均温度及管道外壁面平均温度的影响关系。分析可知：随着热油管道运行时间的增加，整个土壤区域温度逐渐升高，但升温幅度逐渐降低，这主要是由管道与周围土壤的温度梯度决定的。与非渗流场相比，渗流速度对土壤平均温度影响较大。即随着渗流速度的增加，土壤平均温度升高。通过计算不同渗流速度下土壤的热阻可以看出，渗流速度越大，土壤热阻越小，温升越快。由图4可知看出，渗流速度越大，管道外壁面平均温度越低，且随着运行时间的延长，管外壁温逐渐趋于某一常数，土壤温度场开始趋于稳定状态。

图3 海底土壤平均温度随渗流速度的变化关系Fig.3 The relationship of underwater soil average temperature with seepage flow velocity

图4 管道外壁面平均温度随渗流速度的变化关系Fig.4 The relationshio of pipe wall average temperature with seepage flow velocity

图5给出了（渗流速度0.5 m/d）不同水温对海底管道周围土壤非稳态温度场的影响。结合图2（C）分析可知：在海水渗流速度相同的情况下，水温对管道周围土壤温度场影响较大。运行相同的时间，水温相对越高，渗流方向热作用距离越小，垂直于渗流方向的热作用距离越大。这主要是由于随着水温的相对升高，管道热流密度降低，散热少，致使渗流方向上携带的热量减少造成的。

图5水温度对海底管道周围土壤温度场的影响Fig.5 (Seepage flow velocity 0.5 m/d) The relationship of different water temperature with soil temperature field around the underwater pipeline

3 结论及建议

通过对海底输油管道非稳态传热过程的数值模拟可知：在其他参数不变的情况下，海水渗流对热油管道周围土壤温度场分布影响较大。随着渗流速度的增大埋地管道在渗流方向的热作用距离增大，垂直于渗流方向的热作用距离减小。同时随着渗流速度的增大，土壤温度场趋于稳定所用的时间降低。海水温度对渗流场影响较大。

[1] 孙伟栋.海底输油管道传热模拟计算[D].大庆：大庆石油学院，2007.

[2] 郑平，马贵阳.冻土区埋地输油管道温度场数值模拟的研究[J].油气储运，2006，25(8)：25-28.

[3] 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)：38-40.

[4] 胡延成，马贵阳，杨涛.埋地管道相应启动过程的数值模拟计算[J].油气储运，2009，28（6）：26-29.

[5] 李南生，李洪升，丁德义.浅埋集输油管线拟稳态温度场及热工计算[J].冰川冻土，1997，19(1)：66-72.

[6] 张国中.埋地热油管道准稳态运行温度研究[J].油气储运，2004，20(6)：4-7.

[7] 马贵阳，刘晓国，郑平.埋地管道周围土壤水热耦合温度场的数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2007，27(1)：55-58.

[8] 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.

[9] 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.

Numerical Study on Influence of Seepage Flow on Unsteady Heat Transfer in the Submarine Pipeline

TAI Zhong-ying，SHENG Long-she，DU Ming-jun，ZHANG Chun-sheng，XV Dan
(Academy of Petrol and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China)

Based on the theory of porous media heat transfer, submarine soil moisture-heat coupling equation was established. Influences of sea water temperature and seepage flow rate on unsteady heat transfer in the hot oil pipeline were analyzed. The results show that: the relatively greater the see water seepage flow rate is, the longer the radius of the thermal effect in the seepage flow direction of soil temperature field around the pipeline, the shorter the radius of thermal effect in vertical direction to the seepage flow direction, and with the flow velocity increases, average temperature throughout the soil region increases, the time that the soil temperature reaches to stable state decreases.

Seepage flow; Submarine pipeline; Unsteady heat transfer; Numerical study

TE 832

A

1671-0460（2011）02-0168-03

2010-09-14

邰忠英（1982-），男，2006年毕业于大庆石油学院信息科学学院，现为辽宁石油化工大学在读硕士，研究方向：海底管道热力计算。E-mail：taizhongying@163.com。