基于FLUENT的试压海底管道传热特性分析

王 军，李友行，郑秋明，袁朝纲，郑松贤，罗 召

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

基于FLUENT的试压海底管道传热特性分析

王 军，李友行，郑秋明，袁朝纲，郑松贤，罗 召

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道投产前的试压工作是保证管道安全可靠运行的重要环节。试压过程中，当海底管道内试压海水与周围环境存在温差时，热量交换会导致试压海水温度发生变化。以单层保温配重管为例，根据传热学原理建立试压海底管道与周围环境传热的物理模型和数学模型，利用FLUENT软件模拟计算海底管道内试压海水温度场的变化及其引起的压力变化。结果表明：试压初期，试压海水与周围环境温差较大，试压海水温度变化明显，随着热交换的进行，试压海水与周围环境温度逐渐趋于一致；试压海水的温度变化导致压力变化，保压前热交换时间越长，保压期间温度变化对压力造成的影响越小。

水压试验；传热特性；压力变化；FLUENT

海底管道（以下简称海管）投产前的试压工作是保证管道安全可靠运行的重要环节。该过程将一定量的试压介质（海洋工程中通常为海水）注入海管内使其达到试验压力，稳压24 h，观察压力变化是否符合要求[1]。在试压过程中，当管内试压海水与周围环境存在温差时，会产生热量交换，导致试压海水温度发生变化，而温度变化会导致压力波动，若保压期内温度变化很大，试压结果无法满足规范要求。由于海底管道系统最终试压验收时间的长短直接关系到施工资源的投入和油田投产时间，在保证管道质量的前提下，更快地完成海底管道的验收工作是施工方与业主方共同追求的目标。

目前关于海管传热特性的研究主要集中在海管停输期间温度场变化研究[2-4]，针对试压海管传热特性及对压力影响的研究很少。本文依据传热学和水力学基本理论建立海底埋设管道传热的物理模型和数学模型，利用FLUENT软件，模拟了海管内试压介质温度场的变化，并对温度引起的压力变化进行研究，研究结果对提高试压一次合格率有重要指导意义。

1 海管传热物理模型及网格划分

本文针对海底管道内试压介质温度变化展开相应研究。首先建立海底埋设管道的物理模型。设海管埋设高度H1；距海底一定深度H处存在恒温层[5]，海水及海底管道传热对该处影响很小，可认为该处温度恒定不变，设为TH；距管道水平方向一定距离L处，管道传热对其温度变化忽略不计，可认为是绝热边界；同时忽略管道轴向散热，径向方向假设试压介质初始温度相同。这样得到的海底埋设管道的物理模型为边长2L、深度H的矩形区域中有一圆形区域散热。由于海管周围温度场分布是关于管道中心对称的，所以研究其传热问题，只考虑一侧即可[6]，如图1所示。

图1 海底试压管道传热的物理模型

本文以12 in（1 in=25.4 mm）单层保温配重海管为例，保温层厚度25 mm，混凝土配重层厚度40 mm。利用FLUENT的前处理软件GAMBIT建立几何结构并采用四边形网格对物理模型进行划分[7]。

2 数学模型

试压介质与外界的传热过程包括介质与海管内壁的对流换热，海管内壁、防腐层、保温层、夹克管、混凝土配重层的热传导以及海管外壁与周围土壤的热传递。海管试压时内部海水传热过程为非稳态的传热过程，其传热方程和边界条件如下：

求解区域的微分方程：

管内试压海水温度：

管内试压海水与管道内壁的对流换热边界：

海底土壤与管道外壁的边界：

土壤恒温层温度：

式中：λ为管内介质的导热系数，W/（m·℃）；ρ为管内介质密度，kg/m3；c为管内介质比热容，J/（kg·K）；T为计算区域某一点温度，℃；τ为热交换时间，s；Tin为管内试压介质温度，℃；d为海管内径，m；λb海管各层材料总导热系数，W/（m·℃）；r为区域内某一点至管中心的距离，m；hin为管内介质的自然对流换热系数，W/（m·℃）；Tb为海管内壁温度，℃；δ为海管壁厚，m；H为恒温层深度，m；TH为海底恒温层温度，℃。

3 模拟结果及分析

3.1 初始流场模拟结果

图2为海底试压管道初始流场模拟结果，海管内试压海水温度为28℃，海床面温度与海水温度近似相同为15℃，海底恒温层温度为11℃，从海床面到恒温层，温度呈逐渐下降趋势。

图2 海管及海底环境的初始温度场

3.2 海管温度场变化模拟结果

以初始流场模拟结果作为非稳态计算的初始条件，对海管内试压海水的温度场进行模拟，得到不同时刻试压海水的温度场以及试压海水的平均温度。图3分别为热交换时间10、50、100、200 h时，海管内温度场分布。

从图3可以看出，由于试压海水温度高，周围海水温度低，试压海水通过钢管、防腐层、保温层、夹克管和混凝土配重层向外传热。随着热交换时间的增长，内部试压海水与外界的温差越来越小，当热交换时间200 h，海管内温度场变均匀。

试压海水的平均温度随热交换时间的变化曲线见图4。

从图4可以看出，热交换开始时，试压海水温度下降较快，这是由于开始时管道内试压海水与周围环境温差较大，管道向外散热较多。随着热交换的进行，试压海水的温度变化逐渐变小，至200 h时，温度基本与外界趋于一致，稳定时试压海水温度为16.32℃。

图3 海管温度场

图4 试压海水平均温度随热交换时间变化曲线

4 海管传热特性对试压的影响

根据海管的传热特性可知，当管内试压海水与周围环境存在温差时，会产生热量交换，导致试压介质温度发生变化，随着热交换的进行，温度变化越来越小。温度变化会导致压力波动[8]。当试验压力为12.93 MPa时，在不同时间开始保压，24 h内由温度变化引起的压力变化如图5所示。

图5 不同时间开始保压的压力变化

从图5可以看出，保压前热交换的时间越长，保压期间温度对压力造成的影响越小。在注水达到试验压力后立即开始保压，24h后，压力变为12.821MPa，变化率0.84%；热交换30 h后开始保压，压力变为12.852 MPa，变化率0.6%；热交换65 h后开始保压，压力变为12.878 MPa，变化率0.4%；热交换130 h后开始保压，压力变为12.904 MPa，变化率0.2%。

5 结论

本文建立了海底埋设管道试压过程中与周围环境传热的物理模型和数学模型，采用FLUENT软件模拟了试压介质的温度场变化，并对保压期间温度引起的压力变化进行了研究，得到如下结论：

（1）当试压介质与周围环境存在温差时，会产生热交换，导致试压介质的温度发生变化。试压初期，温差较大，试压介质温度变化明显，随着热交换的进行，试压介质与周围环境温度逐渐趋于一致。

（2）试压介质的温度变化导致压力变化。热交换时间越长，保压期间温度对压力造成的影响越小。当试压海水温度 28℃、海床温度15℃时，热交换65 h后开始保压，由温度影响的压力变化为0.4%，在此时开始保压既可以满足要求，又可以节省工期。

[1]鞠文杰，曹浩明，梅路平，等.温度变化对海底管道试压的影响规律[J].石油和化工设备，2015，18（4）：14-18．

[2]盛磊祥，许亮斌，蒋世全.基于Fluent的海管内停输管内原油温度变化过程分析[J].中国造船，2009，50（S）：333-337．

[3]李伟，张劲军.埋地含蜡原油管道停输油降规律[J].油气储运，2004，23（1）：4-8．

[4]BOER S，HULSBERGEN C H.Thermal aspects of trenching burialand covering of hot submarine pipelines[J].American Soc of MechanicalEngineers，1989，5（8）：39-52．

[5]刘文通，徐德伦，候伟.渤海中部海域海底热扩散率及恒温层深度研究[J].青岛海洋大学学报，1994，24（4）：485-490．

[6]吴国忠，庞丽萍，卢丽冰.埋地输油管道非稳态热力计算模型研究[J].油气田地面工程，2002，21（1）：92-93.

[7]吴国忠，陈超.埋地管道传热数值模拟网格划分方法[J].大庆石油学院学报，2005，29（2）：82-84.

[8]潘永东，张洪元.温度变化对钢质管道水压试验的影响[J].石油工程建设，2006，32（5）：10-13.

Study with FL UENT on heat transfer character of submarine pipeline under hydrostatic test

WANG Jun，LIYouhang，ZHENG Qiuming，YUAN Chaogang，ZHENG Songxian，LUO Zhao

Offshore OilEngineering Corp.，Tianjin 300461，China

Hydrostatic test before a submarine pipeline put into operation is an important procedure to ensure pipeline safety. In the process of pipeline hydrostatic test，when the temperatures between the internal test water and the surrounding environment are different，the heat exchange willgenerate and lead to the change of the test water temperature.Based on the heat transfer principle，the physical model and mathematical model of submarine pipeline under hydrostatic test are established.The software FLUENTis used to simulate and calculate the temperature field ofthe test waterand its temperature effect on pressure.The results show that the temperature of the test water changes significantly at early test stage，then tends to be consistent with surrounding environment temperature through the heat exchange.The change of temperature leads to pressure change.The longer the heat exchange time period before the maintaining pressure is，the smaller the impact of the temperature change on the maintaining pressure becomes.

hydrostatic test；heat transfer character；pressure change；FLUENT

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.007

王 军 （1986-），男，甘肃会宁人，工程师，2009年毕业于中国石油大学（北京）油气储运专业，主要从事海底管道预调试技术工作。Email：wangjun7@mail.cooec.com.cn

2016-09-22；

2016-11-08