水分迁移对岛状冻土区埋地管道周围非稳态温度场的影响

胡 金 文



水分迁移对岛状冻土区埋地管道周围非稳态温度场的影响

胡 金 文

（抚顺齐隆化工有限公司，辽宁 抚顺 113004）

多年冻土岛大多处于连续多年冻土和季节性冻土的过渡地带，沼泽化现象很普遍，对土壤热交换条件极其敏感。结合岛状冻土区土质条件及环境因素，建立饱和冻土多孔介质水热耦合模型并进行数值计算，研究水分迁移、冰水相变对冻土温度场和埋地原油管道非稳态传热的影响。对控制和减少因管基融沉导致的安全事故，保障管道长期稳定运营具有现实指导意义。

水分迁移；冰水相变；岛状冻土；多孔介质

1 冻土区输油管道工程现状

国内外冻土区铺设的油气管道工程，都要面对冻害带来的安全隐患。美国著名的阿拉斯加管线修建于延绵的岛状多年冻土区，当时为了预防冻土层融化给管道带来安全隐患，设计者采取在保温层内设置冷冻管等措施，但事后证实并不可行。我国的格拉输油管道位于海拨4 000 m以上地区，一年中约有8个月处于冰冻期。在管线建设期间，缺乏冻土区管道施工实际经验和技术数据，导致冻土融化而被迫多次改线，可见冻胀和融沉破坏是管道工程安全营运所面临的最大威胁。

2 埋地管道物理模型

埋地管道非稳态传热过程研究关键是分析其周围土壤温度场的分布情况[1]。将土壤介质半无限大区域简化成二维矩形有界区域，采用数值计算求解，近年来应用较为广泛（图1）。

图1 管道物理模型

2.1 埋地管道的边界条件

埋地管道在运行期间，管道周围冻土温度场是由土壤介质自然温度场和输油管道系统非稳态温度场共同作用的结果。土壤自然温度场跟随大气环境温度的年周期性变化而变化，但在时间上要比大气环境温度周期性波动滞后[2]。

边界条件：

2.2 数学模型

2.3 饱和含水冻土多孔介质水热耦合数学模型

土壤属多孔介质，发生在其内部的相变融化及流体迁移过程及其复杂[3]，假设多孔介质冻土符合以下条件的情况下：(1) 流体介质密度变化符合boussinesq近视理论；(2) 饱和冻土各相同性连续；(3) 不考虑融化相变造成的速度变化；(4) 水分迁移符合达西渗透理论[4]。建立控制方程：

能量方程：

质量方程：

动量方程：

3 水分迁移对岛状冻土区埋地管道周围非稳态温度场的影响

融胀问题是冻土区管道工程最严重的潜在隐患，冻土区土壤温度在环境温度和管道系统油温共同作用下而周期性地发生正负变化[5]。在温度梯度驱动下促使冻土内的相应地发生迁移与相变，土壤中的未冻水向冻结锋面迁移，所携带的热量将会引起温度场发生变化；而水分在迁移过程中又将引起土壤的持水量与热物性发生变化，这必将对冻土温度场产生一定影响[6,7]。年复一年最终将会导致冻土层冰水分凝和冻土溶胀变形，发生在冻土内的水分迁移现象对冻土温度场的影响非常明显。本文以岛状冻土区典型土质亚粘土为例，结合当地环境温度，分别对无水冻土及饱和含水冻土进行数值模拟，研究水分场迁移对岛状冻土温度场和埋地管道非稳态传热的影响。

3.1 数值计算和结果分析

如图2所示，计算区域对称，简化为一半区域(9 m×9 m)，埋深1.5 m，管径660 mm，钢管密度7 800 kg/m3，导热系数42.8 W/(m•K)，比热容470 J/(kg•k)，土壤密度1 980 kg/m3，导热系数1.588 W/(m•K)，比热容2 200 J/(kg•k)，地表温度250 K，冻土初始温度271.5 K，土壤恒温层276 K，地表大气对流换热系数18.52 W/(m2•K)，油品与管道内壁对流换热系数116 W/(m2•K)，相变潜热334.166 kJ/kg，孔隙度0.346，渗流率2.084×10-11m2。

图2 埋地管道周围土壤区域截面图

3.2 水分迁移对岛状冻土温度场的影响

通过图3、图4可以发现，岛状冻土区埋地管道运行120、240 h后土壤温度场的分布情况。在管道运行之初，水分场对冻土温度场的作用并不显著。这是由于地表温度偏低，冻结层内水分的迁移孔隙通道窄小，而且在负温影响下水的粘性增大，水分迁移量很小所致。随着运行时间的增加，水分场对管道周围冻土温度场的影响越发明显。不含水冻土热量传的导是依赖土壤颗粒间接触的导热，而饱和冻土热量传导除了导热外，水分在土体孔隙通道内向冻结锋面迁移过程中热量也随之传输，同时冰水相变释放部分潜热，多种因素共同作用下促使管道周围冻土的温度场作用范围明显高于不含水冻土。

(a)无水动土

(b)饱和含水冻土

图3 管道运行120 h冻土温度场

Fig.3 Permafrost temperature field for the pipelihe operate after 120 hours

(a)无水动土

(b)饱和含水冻土

图4 管道运行240 h冻土温度场

Fig.4 Permafrost temperature field for the pipeline after 240 hours

3.3 水分迁移对岛状冻土区埋地管道非稳态传热的影响

如图5所示，无水冻土区管道壁的热流密度要比饱和冻土区偏高，而管道融深却比饱和冻土区低。这是由于饱和冻土区热量传输方式途径更多，除了导热，还包含管道油品通过管壁与土体所含水分间的对流换热，这些因素促使土壤蓄热量增多，导致近管道周围冻土温度要高于无水冻土，在降低了管内外温度梯度的同时也降低了管壁热流密度。同时水分在向冻结界面迁移途中热量随之传输、冰水相变释放潜热等，促进冻土融化，导致管道最大融深大于无水冻土。

(a)无水动土

(b)饱和含水冻土

图5 水分对冻土区埋地管道非稳态传热的影响

Fig.5 The effect of moisture on buried pipeline unsteady heat transfer in permafrost

4 结 论

通过数值计算发现，在管道运行起始阶段，水分场对冻土温度场的影响很弱。随着运行时间的增加，水分场对埋地管道周围冻土温度场的影响明显增强，饱和含水冻土温度场的作用范围明显大于无水冻土。饱和含水冻土管壁的热流密度明显低于无水冻土，管道周围冻土融化程度比不含水冻土区要明显。综上所述，水分场对冻土温度场分布及管道非稳态传热影响较为明显。因此不宜把计算区域简化无水冻土进行研究，否则其结论将会与实际情况不符合。

5 展 望

因能力和客观条件限制，在课题的研究工作中存在一些不足之处，以下问题还需进一步完善与开展：

（1）需将数值计算与现场实验进行拟合，以提高计算精度，使研究成果更接近于实际。

（2）本研究是将管道置于单一土质内，事实上土体类型是随深度不同而变化的，仍需对此加深研究。

参考文献：

［1］ 吴明，江国业，安丙威. 输油管道土壤温度场的数值计算[J]. 石油化工高等学校学报，2001，14(4)：54-57.

［2］ 张国忠. 埋地热油管道停输降温过程的研究[J]. 油气储运，2004，23(12)：33-37.

［3］杜明俊. 冻土区埋地管道周围土壤水热力耦合数值计算[D]. 抚顺：辽宁石油化工大学，2011.

［4］ A.E.薛定鄂，著. 多孔介质中的渗流物理[M]. 王鸿勋，张朝琛，孙书琛，译. 北京：石油工业出版社，1982．

［5］ 马贵阳，陈笑寒. 冻土区埋地热油停输温降数值模拟[J]. 天然气与石油，2010，28(4)：54-57.

［6］胡和平，杨诗秀. 土壤冻结时水热迁移规律的数值模拟[J]. 水利学报，1992(7)：1-8．

［7］ 郭高峰. 影响多年冻土融沉特性的因素研究[D]. 长春：吉林大学，2007.

Effect of Moisture Migration on Unsteady Temperature Field Around the Buried Pipeline in Island Permafrost Regions

（Fushun Qilong Chemical Co., Ltd., Liaoning Fushun 113004，China）

Most permafrost islands are in the transition zone of continuous permafrost soil and seasonal frozen soil, swamp phenomenon is relatively common, the soil is sensitive to heat transfer conditions. In this paper, based on island frozen soil conditions and environmental factors, hydrothermal coupling model of water saturated porous media of permafrost soil was established, and the numerical calculation was carried out. The influence of moisture migration and ice-water phase change on frozen soil temperature field and buried oil pipeline unsteady heat transfer was studied.

moisture migration; ice water phase change; island permafrost soil; porous media

TE 832

A

1671-0460（2016）09-2160-04

2016-03-30

胡金文（1972-），男，辽宁省抚顺市人，工程师，硕士研究生，2012 年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：油气管道输送技术。E-mail：hujinw197285@sina.com。