埋地输油管道泄漏污染物热力迁移实验技术研究进展

吴国忠， 郭恩玥 ，齐晗兵，周英明，李栋

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

随着我国经济和社会的快速发展，对能源的需求亦在不断的加大。石油作为主要的能源之一，其开采、运输和储存早已成为能源利用中的重中之重。其中管道运输作为运输手段中长期、稳定、高效的运输方式，被越来越多的采用。大量建设输油管道除了增加经济效益外，也带来了相应的危害。近年来管道腐蚀、破裂的现象不断发生，输油管道的泄漏为安全输油带来了安全隐患，影响了正常输送，造成了大量经济损失，与此同时，由于石油污染物存在三致（致癌、致畸和致基因突变），其泄漏对当地的土壤、生态环境和地下水源易造成灾难性的破坏。因此，输油管道泄漏的检测、污染物扩散的控制防护与被污染的土壤的修复成为了当今研究的重要课题。

国内外对石油类污染物的研究开始于 20世纪中期，研究人员通过各种实验方法研究石油类污染物的迁移规律以及迁移机理。埋地输油管道泄漏污染物的热力迁移属于非水相流体在多孔介质中迁移的范畴。管道泄漏污染物在多孔介质中迁移的过程中通常都会伴有介质热力和水力参数的改变，如何获得这些可以表征污染物在多孔介质中迁移规律的参数成为研究污染物迁移的基础之一。这其中最主要的两个表征量就是迁移过程中多孔介质的温度场和含水率的变化。温度场测量通过测温装置来测定，目前常用的装置有热敏电阻、热电偶和红外热像仪。测量含水率最基础，也是最常用的是称重法，近年来采用介电常数法来测量含水率的方法逐渐被研究者们所采用。在污染物热力迁移的实验装置方面，实验装置经历了从一维实验逐步过渡到二维实验的转变，并且已经有部分学者采用更符合迁移过程的三维实验装置进行实验研究。

1 热力迁移参数测量

埋地管道泄漏污染物热力迁移属于非水相流体在多孔介质中迁移的范畴。影响其热力迁移过程的因素是多种多样的，目前研究者实验的重点是考虑多孔介质的温度分布、水分分布、粒径分布、液塑性、相对密度、有机质含量、毛细压力和多孔介质容重等因素对污染物热力迁移的影响。这其中最普遍、也是影响较大的即为多孔介质温度和水分的分布。本文将重点介绍下着两种参数目前的获取方法

1.1 温度

温度的测量方法通常可以分为两类：接触式测量和非接触式测量。接触式测温方法主要有膨胀式、电量式和光电热色法。膨胀式测温主要利用物质的热胀冷缩原理进行测量。其方法简单，价格低廉，但是的易坏，数据转换成电子信号困难，不便于远传记录，且准确度较低。由于埋地管道泄漏污染物多在土壤等多孔介质中，要求测温装置有一定的强度，数据便于远传和自动记录，不适合采用膨胀式测温。接触式光电、热色测温近年来发展迅速，其要求与被测的对象接触，利用光电转换元件使由温度变化引起的光信号和热辐射信号转换为可被仪器检测的电信号进行测量。其缺点是会干扰被测对象的温度场。目前国内外的研究者多采用的是电量式测温方法，也有部分研究者采用非接触式的红外热像装置测温度差。本文主要介绍三种主要的测试方法：热敏电阻、热电偶和红外热像仪。热敏电阻具有信号大，准确度较高的优点，其常唱用在温变不大的场所。热电偶结构简单，体积较小，且具有较广的测温范围，常常用于壁面、具有一定埋深的地方。红外热像仪可以实时获得被测物体的温度场，并且可以用伪彩色直观的显示被测物的温度，且其温度分辨率高，目前正逐渐被人们所采用。

1.1.1 热电阻

热电阻原理是利用材料的温度和电阻值有一定的关系进行温度的测量，它通常是导体或者半导体材料，它可以把利用电阻值与温度的关系，将电流值远传至计算机或二次仪表上，便于控制和自动记录。目前应用最广泛的是铂电阻和铜电阻，诸如铑和镍等材料也逐渐被人们应用到热电阻材料当中。其类型主要分为四种：普通型热电阻、铠装热电阻、端末热电阻、隔爆型热电阻。铠装热电阻是由不锈钢套管组成的，具有一定硬度，内含引线、感温元件和绝缘材料，其优点在于体积小，内部无空气隙，机械性能好、耐震、抗冲击，铠装热电阻可以弯曲，便于安装，且其使用寿命较长，适用于需长时间测量。端面热电阻主要用于测量端面的温度，例如轴、机件等。适宜用于测量轴瓦和机件的端面温度。隔爆型的热电阻具有一种特殊的接线盒，它把爆炸性混合气体的爆炸局限在接线盒内，不会引起超爆炸，使用于具有爆炸危险场所的温度测量。

由上可知，在测量污染物热力迁移过程的温度过程中，需要长时间测量时可以采取使用热电阻测温的方式，而铠装热电阻的优异性能使它在污染物热力迁移实验的过程中应用最为广泛。如刘业凤[1]等利用铠装 PT100热电阻测试地下土壤不同深度（10、20、40、60、80 m）一年内温度的变化趋势。陈益明[2]采用铠装 PT100热电阻在哈尔滨冬季室外的低温环境进行了实验，证明铠装 PT100热电阻可以在室外低温下使用。此外还有Cu50型热电阻，其材料为铜电阻，温度范围-50～100℃，铜热电阻的价格便宜，线性度好。但因铜电阻怕潮湿，易被腐蚀，熔点亦低，不适合在污染物热力迁移实验过程中采用。

1.1.2 热电偶

热电偶通过温度与热电势的关系来测量温度，它是将两种不同的金属材料的一端焊接在一起，另一端作为参考段（通常放在冰水混合物中），这时当测量端与参考端产生温差就会有热电势产生，然后利用电势与温度的对应关系来测温。热电偶的结构非常简单，测量精度高，响应的速度快，且不受中间介质的影响，其测量范围广，常用的热电偶从零下50～1 600 ℃均可连续测量，适宜远距离测量和自动控制的特点，应用比较广泛。热电偶通常分为 S型、R型、B型、K型、T型、N型和E型热电偶。由于S型、R型和B型热地热电偶价格较高，在污染物热力迁移实验中，经常需要使用大量的热电偶，所以较少采用此三型号的热电偶。常用的即为T型铜-康铜热电偶和K型镍铬-镍硅热电偶。

热电偶体积较小，可以分层较为紧密的多点布置，便于的得到更完整的温度场，如王华军[3]等在土壤高温储热条件下热湿迁移过程的实验研究中采用铜-康铜来得到不深度下的温度场，其在实验的箱体内分三层布置热电偶，深度分别的 20、40和60 cm，每层沿径向布置4个铜-康铜热电偶来记录温度，从而获得其温度场。杨金国[4]等为了测量自然环境条件下土壤床的温度场，沿土壤床水平方向和高度方向分别布置了15对铜-康铜热电偶，连接温度巡检仪，每隔1 h采样1次，存贮数据，在间隔期间，可以从显示器上随时观察温度随时间高度和水平位置的变化。

铜-康铜热电偶的精度高，再现性好，但其测温范围较窄，耐氧化性不强。根据具体的实验要求可以采用不同材质的热电偶材料，如陈振乾[5]等采用直径为0.2 mm的镍铬-镍硅热电偶，测量大气对流对土壤内热湿迁移的影响，镍铬-镍硅热电偶温度范围为0～1 000 ℃，且其在1 000 ℃以下的耐氧化性良好。

1.1.3 红外热像

红外热像技术是采用获取被测物体的红外辐射来得到被测物体温度场的一种技术。最常采用的设备就是红外热像仪，它利用内置的红外探测器，扫面被测物体的红外射线，经过信号处理转化为可是的红外热图像。其优点在于温度分辨力高， 能准确区分的温度差甚至达 0.01 ℃以下。并且由于可以实时的显示被测物体表面的温度分布，使得观察温度场分布变化变的十分方便，其图像可以记录，便于对比分析。

但这种设备得到的物体表面温度不是直接测量而得，它是由测量的辐射能量通过设定参数计算而得，这就使得在测量的过程中，测量的精度容易受到被测物体和周围环境的影响，例如被测物体的反射率、吸收率，环境温度等。

如刘斐[6]等采用 IRI1011红外热像仪测量土壤温度，分别得到了不同深度0～5、0～10、0～15、0～20 cm的土壤温度；王久龙[7]利用ThermaCAMTM P30红外热像仪测试了埋地管道在泄漏前和泄漏后的土壤温度场（如图1），分析并建立了管道泄漏热影响区温度场的变形，确定埋地管道泄漏地表面温度场变化规律。

图1 红外热像仪得到的表面温度场[7]Fig.1 Surface temperature field by infrared camera[7]

1.2 含水率

多孔介质的含水率是污染物热力迁移过程中的基础参数之一，其测量方法已经从过去的单一称重法，发展为多种多样的方法，如介电常数、张力计，光学法等。在这其中较为成熟的为称重法和介电常数法，这两种方法也是目前常用的方法。称重法的优点在于，计算方便，可以得到较准确的结果，是目前实验室最常采用的方法。但是由于每次测量都需要取样烘干，取样会破坏实验土壤的结构，且烘干时间较长，无法实时的反映土壤的含水率。针对此种状况，介电常数法开始逐级被人们采用，其可以快速的反映土壤的含水率，但其准确度还有待于提高。

1.2.1 称重法

称重法是传统的通过烘干直接测量土壤中水分含量的方法。它需要制取土样，记录土样的湿重，然后讲土样放置在烘箱内烘干至衡中，，然后测定烘干土样，记作土样的干重，根据公式，即可计算出土样的重量含水率。烘干法的优点是操作简单，对设备要求不高，结果直观，对于样品本身而言结果可靠。缺点是采样会干扰土壤水的连续性，深层取样困难，测量必须要在实验室完成，费时费力，不能做定点连续监测，同时由于取样的变异系数较大，称重法取样代表性较差；而且称重法只能得出土壤的重量含水率，应用不方便，如果将称重法用于标定其实测量方法的时候，有时必须将重量含水率转换成体积含水率，这时则要求测量样本的干容重，而求干容重也是很不方便的。

如姚海林[8]等采用称重法法测得高岭土和蒙脱土不同配比情况下的含水率，实验制备了两组土样：一组土样先放入水中，待其完全吸水饱和后，重新放入干燥器中脱水，然后测量；另一组直接脱水测量。

1.2.2 介电常数法

介电常数法的原理是多孔介质的介电常数是与它的含水率有关的。在测量同一种多孔介质的含水率时，只其知道其电阻值与含水量的关系，就可以得到被测介质的含水率值。其优点是成本低，可重复利用，可用于定点监测等。其缺点是有滞后，测量范围有限，受土壤含盐量的影响大。

刘炳成[9]等采用澳大利亚 ICT公司生产的MP-406水分探头测量土壤的含水率，将水分探头从侧面插入被测土壤所在试验箱，测定距土表5 cm和15 cm处的土壤含水率，实验表明含水率较低的浅层土壤受温度梯度引起的湿分迁移较小，在含水量中的呢过程度的较深层土壤中，温度效应比较明显。

2 污染物热力迁移实验

2.1 一维实验

在早起的污染物热力迁移实验研究方面，主要是研究污染物泄漏或其在多孔介质中的迁移趋势和迁移机制方面。其实验所用多数采用一维装置。一维实验装置由于其便于实验，针对性较强，一直以来都被广泛使用。国内的研究学者采用一维柱体实验研究热湿的迁移距离。张玲[11]等为了研究土壤中温度的变化对其水分迁移的影响，建立了一维土柱热湿传递实验装置，其装置采用直径为 75 mm的UPVC管1 m，内填满土，做成土柱，土柱一侧恒温加热，另一侧严格保冷。采用铜-康铜热电偶测定温度，烘干法测量土壤中的水分。其实验表明，冷热段温差不同对土柱温度梯度的影响远大于对温度传递的距离的影响。

2.2 二维实验

一维实验具有实验简便，针对性强的特点，但由于其迁移受空间影响，其获得的实验数据受到了尺寸上的干扰，难以充分反映迁移过程的特征。尤其在反应污染物水平方向上的迁移上，这就要求实验技术在反映污染物迁移规律上有待改进。

图2 二维有机玻璃砂槽[12]Fig.2 Dimensional sand traps of plexiglass[12]

因此，通过二维实验研究污染物迁移的迁移规律逐渐被人们采用。如国内的李永涛[12]等结合以往的二维实验装置（图 2）采用用有机玻璃制成的二维有机玻璃砂槽，该渗流砂槽长80 cm、高70 cm、宽10 cm，为使研究者能观看油品的流动，采用溶于水而不溶于油的苏丹染料使油染成红色，便于观察油流的锋面形状。实验结果表明：在各项性质相同的多孔介质中，其污染物在泄漏过程中的锋面始终是轴对称的，且其以泄漏点为对称轴。在泄漏初始阶段，水平扩散明显弱于垂直运移，之后锋面开始变的不规则，以饼状形式横向扩展。

2.3 三维实验

二维实验虽然在可以在一定程度上满足污染物在水平方向迁移的研究，但是由于二维装置的尺度效应问题，限制了污染物向各个方向的扩散，这亦会影响污染物在垂直上的热力迁移，因此，已经有部分研究人员采用三维的实验装置进行污染物热力迁移的实验。王久龙[7]设计了三维埋地管道实验装置，实验沙箱用厚5 mm的钢板焊接，四周包覆50 mm的聚乙烯苯板保温，内布置热电偶采取温度，配有可调节温度水箱以及加热装置，在泄漏点处安装控制阀门，通过控制阀门开度来控制泄漏量，在泄漏过程中采用红外热成像设备得到了埋地管道泄漏点附近土壤的温度场变化，通过比较管道地表与背景地表的温差带，以及泄漏区域和非泄漏区域的温度场红外热像图来判断是否泄漏。其实验结果表明利用红外成像装置可以判断埋地管道的泄漏。

3 结 论

（1）目前国内外研究者主要采用热电偶来测量埋地管道污染物泄漏过程中的土壤和管道的温度，采用红外热像设备获得埋地温度场试验的较少，主要原因在于热电偶的结构简单，响应速度快，可以远距离测量，配合巡检仪等设备使用可以自动记录，而且其价格低廉安装方便。然而由于热电偶测的是各布置点的温度，在反映温度场边界连续性上较差，以及对所测温度有更高的要求，鉴于红外热像设备可以直观的反映物体的温度场，温度分辨能力高，采用红外热像仪获得土壤温度场的方法会越来越受到重视和采用。

（2）在对土壤含水率的测量过程中，国内外最普遍的做法仍然是采用烘干法。由于烘干法要求取样烘干，在实验过程中不仅会破坏土壤结构，而且无法得到瞬时含水率数值，采用介电常数法测量含水率的设备逐渐被人们所采用。但现在的采用此法测定含水率的仪器有共同的问题：针对不同导电率的介质，其电信号与含水率的函数关系不固定，这就要求针对不同导电率的介质，要重新标定确定函数关系；并且其反应速度受环境影响较大，所测数值易受外界干扰。以上介电常数法测定含水率的问题需要亟待解决，需要研究者们给予重点关注。

（3）现阶段在进行污染物迁移的实验研究中，多数为一维、二维实验的实验装置，由于一维、二维的实验装置都存在在一定局限性，其在水平各方向的限制又会影响到污染物的垂直迁移，因此，各实验研究者应该更积极的设计使用三维实验装置，完善埋地管道污染物热力迁移的实验手段。

［1］ 刘业凤, 张峰, 杨标, 等. 稳定运行的土壤源热泵系统管群内外土壤温度场对比分析[J]. 制冷学报, 2013 (2): 75-80.

［2］ 陈益明, 姚杨, 马最良. 土壤源热泵取热的实验研究[J]. 低温建筑技术, 2006 (5): 95-97.

［3］ 王华军, 齐承英, 王恩宇, 等. 土壤高温储热条件下热湿迁移过程的实验研究[J]. 太阳能学报, 2010, 31(7): 824-828.

［4］ 杨金国, 赵绪新. 土壤热湿迁移实验与数值模拟的研究[J]. 华中理工大学学报, 1998, 26(9): 39-41.

［5］ 陈振乾, 施明恒. 大气对流对土壤内热湿迁移影响的实验研究[J].太阳能学报, 1999, 20(1): 87-92.

［6］ 刘斐, 陈军, 慕军营, 等. 土壤温度检测及其与含水率关系研究[J].干旱地区农业研究, 2013, 31(3): 95-99.

［7］ 王久龙. 基于红外成像技术的埋地管道泄漏定位实验研究[D]. 大庆：大庆石油学院, 2008.

［8］ 姚海林, 杨洋, 程平, 等. 膨胀土标准吸湿含水率试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(17): 3009-3013.

［9］ 刘炳成, 刘伟, 李庆领. 温度效应对非饱和土壤中湿分迁移影响的实验[J]. 华中科技大学学报: 自然科学版, 2006, 34(4): 106-108.

［11］张玲, 陈光明, 沄黄奕 . 土壤-维热湿传递实验研究与数值模拟[J].浙江大学学报: 工学版, 2009, 43(4): 771-776.

［12］李永涛, 王文科, 王丽, 等. 轻非水相液体在非饱和带运移特征及分布规律研究[J]. 安全与环境学报, 2009 (5): 84-87.