两相闭式热虹吸管在寒区埋地输油管道安装方式及降温效果研究

隗伟，杨峻

（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 211816）

两相闭式热虹吸管在寒区埋地输油管道安装方式及降温效果研究

隗伟，杨峻

（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 211816）

考虑全球变暖因素，建立热虹吸管（热管），输油管道和多年冻土的传热耦合模型。基于此模型采用中俄输油管道作为研究对象，研究多种热管安装方式的降温效果，分析最佳安装方式的温度场规律。结果说明：热管降温效果显著，且双侧90°安装的效果最佳。另外，热管在埋入前两年内，15 m以下土壤地温为-1.5℃（初始值地温），而在热管埋入的第3年起，冷量的积累开始影响深层土壤，在第30年的到达最大储冷量，地温开始回升，在第50年时深处地温升至正温0.83℃。

热管；多年冻土；中俄输油管道

原油管道作为石油输送的重要方式之一，多有管线穿越寒区的工程。这些工程内的原油由于低凝脂性采用加热输送，以保证原油的流动性[1]。这便使得寒区多年冻土的稳定性极易产生破坏，使得寒区输油管道土层造成不同程度的下沉，继而造成输油管道破坏[2]。

中俄输油管道作为我国典型的寒区输油管道，其穿越大小兴安岭地区为欧亚大陆多年冻土南边缘，环境温度偏高，多年冻土对气候变化异常敏感[3]。而且工程为了防止火灾，全线采用埋地方式填埋，管道运行5年来部分管段下沉显著[4]。

目前热管技术在寒区土木工程中有着广泛的应用[5]，但是在于寒区埋地输油管道工程中研究较少，本文将以中俄输油管道为研究对象，采用数值模拟技术研究热管多种安装方式下的降温效果，以期获得最佳的安装方式，并对比现在输油管道的普通填埋方式，研究热管最佳安装方式的降温规律。

1 计算模型

1.1 物理模型

本文研究的埋地输油管道地处塔河地区，其为我国多年冻土发育地带，为了研究热管的降温效果，需做出以下假设:1）土体均质连续、各向同性；2）不考虑温度势能所引起的水分迁移；3）热管的传热特性视为等效的传热金属棒。

在考虑到热管的安装方式，埋地输油管道模型，并依据试验段的实际勘测,埋地输油管道周围土壤分为上层0.8 m的泥炭质粘土Ⅰ，中层5.4 m粉质粘土Ⅱ，下层13.8 m强化砂岩Ⅲ，以及计算域输油管道和保温层如图1所示。

图1 物理模型Fig.1Thephysicalmodel

1.2 热管等效模型

热管是一种具有复杂机理的高效传热设备，为了简化其传热特性，本文将其等效为传热金属棒。同时考虑到热管的单向导热特性，采用一维变导热系数的传热控制方程：

式中：Ch—热管等效常压热容量,J/(kg·K)；

T、T—蒸发段与冷凝段的平均温度，K；

ec

Δ T —热管的启动温差，取0.8℃，

λhe—热管等效导热系数。

根据汪双杰[6]的研究：

式中：Rt—热管总等效热阻；

do、di—热管外、内管径，m；

λb—热管管壁导热系W/(m·K)；

l、le、lc—热管的总长度，蒸发段长度和冷凝段长度，m；

hi,e、hi,c—蒸发段与冷凝段内壁表面换热系数，W/(m2·K)；

Sc—翅片热传导的形状因子。

所采用热管具体几何参数，如表1。

1.3 多年冻土温度场控制方程及热物性参数

在忽略水分迁移，采用大显容法建立二维温度场方程，具体物性参数见表2。

式中：C—冻土等效热容，J/(kg·K);

se

λse—冻土等效导热系数，W/(m·K);

Cf、Cu—冻、融土土壤热容，J/(kg·K);

λf、λu—冻、融土土壤导热系数，W/(m·K);

ρs—土壤密度kg/m3;

Tt、T—冻土剧烈相变区域上下温度值，本文取-0.25℃，-0.75℃。

b

表1 热管几何参数Table 1 Geometric parameters of thermosyphon

表2 土壤热物参数Table 2 The thermal parameters of soil

1.4 边界条件

冻土上边界：

式中：αe——大气与地表之间的换热系数；

T——考虑全球气温增温性的影响拟合而获得的试验段当地气

e温温度曲线。

冻土底面边界：为地中热流0.06W/m2

式中：αh—管道总的传热系数，W/(m2·K)；

Tin—管道油温,20℃。

热管的边界条件：

式中：Tc—冷凝段表面壁温；

hc—热管冷凝段表面传热系数，W/(m2·K)；

r1， r2—翅片的基圆半径和外圆半径， r2=r1+Hc，

Hc—翅片的高度；

sf—翅片间的辐射的影响因子，取2.5。

ha—空气到热管的冷凝段外壁的表面换热系数，取30 W/(m2·K)；

n—热管冷凝段的翅片数；

ηf—翅片换热效率，取0.9。

2 结果分析

热管有着单向导热特性，在每年10月份由于地温高于大气气温启动工作，在次年3月份由于地温低于大气气温而停止工作。为了研究热管最佳安装方式，对比第50年10月份埋地输油管道下土壤的平均地温。

本文根据热管距离输油管道垂直距离1.7m设置，单双根热管90°、30°、15°共6种安装方式，图2为不同安装方式的第50年12月份地温分布情况，从图中可以看出单侧布置热管（图2a，b，c）所形成的温度场有着明显的不均匀性，在管道运行到夏季时，管道周围土壤易发生不均性融沉，管道承受径向不均性应力。

图2 不同安装方式第50年12月份温度场分布图Fig.2Thetemperaturefielddistributionofdifferentinstallation waysinDecemberofthe50thyear

在图2d，f，e双侧布置热管的方式，输油管道周围土壤的温度场对称均匀，同时在热管倾斜15°，30°，90°安装方式的深层土壤下的负温分别是-2.0，-1.6，-2.8℃。另外，对比图2d、e和f可以发现，30°的降温效果最差，90°的最好，这说明土壤深层的温度与热管的倾斜角度成反比。

在图3中给出随着管道运营周期变化，不同热管安装方式，管道周围土壤最大融化深度的变化。

在图3中我们可以看出单热管布置的最大融化深度普遍低于双热管布置方式。对于双热管90°与15°布置的最大化深度在2～3 m，且融化速率明显低于其他四种。

图3 管道周围土壤最大融化深度随时间变化曲Fig.3Thecurveofthemaximumthawingdepthofsoil aroundoilpipeline

另外，双热管30°的降温效果，明显对于15°和90°，这是因为两根30°安装的热管的蒸发段之间的间距较小，其热管的降温作用相互影响，两个热管之间形成的热影响范围小于15°和90°。

图4 热管双侧90°安装的埋地输油管道下随深度变化的地温曲线Fig.4Temperaturecurves withdepthofsoilunderoil pipelinebyheatpipeinstalledbydouble90°way

从前面的分析可以得，热管的最佳安装方式为双侧90°，在图4中为不同时间，输油管道底部下，地温随深度变化曲线。图中说明了热管在埋入前两年内，15 m以下土壤地温为-1.5℃（计算初始值），而在热管埋入的第三年起，冷量的积累开始影响深层土壤，在第30年的到达最大储冷量，地温开始回升，在第50年时深处地温升至正温0.83℃。对比图5无热管安装的随输油管道地温深度的地温变化曲线，可以发现低温在前两年-11 m以下的深度，地温为初始地温，随着时间的增加，地温开始升温，土壤深处的地温也发生升温现象。

图5 无热管的埋地输油管道下随深度变化的地温曲线Fig.5Temperaturecurves withdepthofsoilunderoil pipeline withoutheatpipe

3 结论

（1）热管的多种安装方式，单侧安装所形成的温度场不均匀，且降温效果不及双侧安装，另外土壤深层的温度与热管的倾斜角度成反比，故双侧90°安装，降温效果最佳。

（2）双热管30°的降温效果，明显对于15°和90°，这是因为两根30°安装的热管的蒸发段之间的间距较小，其热管的降温作用相互影响，两个热管之间形成的热影响范围小于15°和90°。

（3）热管在埋入前两年内，15 m以下土壤地温为-1.5℃（计算初始值），而在热管埋入的第三年起，冷量的积累开始影响深层土壤，在第30年的到达最大储冷量，地温开始回升，在第50年时深处地温升至正温。

［1］吴彦东.寒区埋地热油管道周围土壤冻胀融沉数值分析[J].当代化工，2011，402(2)：157-160.

［2］王勇，吴亚平，郭春香.多年冻土区埋地输油管道的应力及变形分析[J].兰州交通大学学报，2008，27(4)：44-46.

［3］杨思忠，金会军，于少鹏.中俄输油管道(漠河-大庆段)主要冻土环境问题探析[J].冰川冻土，2010，32(2)：358-365.

［4］李国玉，马巍，王学力.中俄原油管道莫大线运营后面临一些冻害问题及防治措施建议[J].岩土力学，2015，36(10)：2963-297.

［5］Sergei G.Heat pump application in permafrost engineering[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2004，26(Sup):220-226.

［6］汪双杰，陈建兵.热棒路基降温效应的数值模拟[J].交通运输工程学报，2005（3）：41-46.

Study on Installation Method and Cooling Effect of Two-Phase Closed Thermosyphon in Cold Area Buried Oil Pipelines

WEIWei,YANG Jun
（CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingTechUniversity,Jiangsu Nanjing211816，China）

Considering the global warming factors,a coupling model was established among heat pipe,oil pipeline and permafrost.Taking China-Russia oil pipeline as the research object,the cooling effect of thermosyphon installed by different ways was studied by the model.At the same time,the temperature field of thermosyphon installed by the best way was analyzed.The results showed that the cooling effect of thermosyphon was significant,and the effect of 90°bilateral installation way was the best.In addition,the low gravity heat pipe was buried in the last two years,the soil temperature was-1.5 ℃（initial temperature）under 15 m.When the low gravity heat pipe was buried in the third year,the cold accumulation began to affect the deep soil.The cold storage can reach the maximum in the thirty year.In the fiftieth year,the deep temperature can rise to positive temperature of 0.83℃.

Thermosyphon;Permafrost；China-Russia oil pipeline

TE 832

A

1671-0460（2017）11-2346-04

2017-03-29

隗伟（1988-），男，安徽省寿县人，硕士，2017年毕业于南京工业大学机械工程专业，从事高性能传热设备研究。E-mail：weiwei857306996@163.com。

杨峻（1965-），女，副教授，工学博士，从事高性能传热设备研究。E-mail：yangjun@njtech.edu.cn。