保温层偏心沉降对架空注汽管线传热影响研究

李 鹏，葛苏鞍，帕尔哈提·阿不都克里木，唐满红，李 栋

（1.新疆油田公司实验检测研究院，新疆克拉玛依834000；2.东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆163318）

新疆油田稠油、超稠油油藏资源相对丰富，其开采方式主要采用热采技术。蒸汽的温度与干度是影响热采经济性的主要因素[1⁃2]，注汽管线良好的保温性能是保证蒸汽品质的关键。然而，环境风速、管线管径、土壤辐射以及保温层结构均会对架空注汽管线散热损失产生影响。

国内外学者对管线保温性能进行了诸多的研究[3]。Y.Abdullah等[4]研究了风速对管道保温效果的影响。高姿乔等[5]通过建立架空管道热损失模型，发现管径对架空蒸汽管道热损失的影响最大。部分学者在进行管线热损失计算时，通常认为管线保温层是均匀分布的[6]，但随着管线运行年限的增加，保温材料受重力作用偏心沉降，直接影响管线的保温性能[7]。Y.P.Ting等[8]研究了热力管线与保温层圆心不重叠的导热特性，发现保温层偏心对管线的保温效果产生影响。陈丽燕等[9]发现保温材料下沉会显著增加管线热量损失。王忠华等[10]提出利用散热附加系数评估热工缺陷管线的散热损失，并发现其散热损失高于保温层均匀分布管线。钟升楷等[11]通过改变结构偏心率和底部镂空夹层厚度等参数进行实验，发现保温性能恶化会对管线散热损失影响显著。赵旭等[12]定量分析了保温层厚度对保温层沉降管线的漏热损失。上述研究虽表明保温偏心沉降会增加管线散热损失，但未考虑与其相关的环境风速、管线管径等因素的具体影响，且土壤辐射对保温偏心沉降管线传热性能影响如何尚未报道。

本文建立保温材料沉降架空注汽管线周向稳态传热分析模型，以环境风速、管线管径以及土壤辐射为变量，分别研究了其对保温材料沉降管线散热损失的影响，研究结果可对准确评估热工缺陷的管线散热损失、后期管线保温工程改进与提高能量利用率提供参考。

1 模型的建立

1.1 保温层偏心管线物理模型

选取管线某截面为研究对象，其结构主要由三部分组成：外层为两层厚度相等的保温材料；中间层为保温材料沉降产生的空气夹层，其偏心率为0.1；内层为工作管线。保温偏心注汽管线物理模型如图1所示。

图1 保温偏心注汽管线物理模型

1.2 求解方程

对保温偏心注汽管线进行了不同风速、管径和土壤辐射情况下的传热模拟。为简化模型计算且不失一般性，对相关条件进行假设：

（1）工作管壁面温度保持不变，取554 K；

（2）保温材料与管壁接触良好，忽略接触热阻的影响；

（3）外界与镂空夹层空气为不可压缩理想气体，且其传热方式为对流与辐射耦合换热。

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

式中，u、v分别为x、y方向的速度，m/s；μ为动力黏度，Pa·s；a为热扩散率，m2/s；g为重力加速度，本文取9.8 m/s2；p为流体压力，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；T为流体温度，K。

辐射传输方程：

式中，I(s,s→)为空间的太阳辐射强度，W/m2；β和σ分别为介质吸收系数和散射系数，m-1；s为位置向量；s→为方向向量；s→'为散射方向向量；Ib(s,s→)为出射辐射强度，W/m2。

湍流方程：

式中，k为湍动能项，m2/s2；ε为耗散率，m2/s3；Gk为由层流速度梯度产生的湍流动能，kg/(m·s3)；Gb为由浮力产生的湍流动能，kg/(m·s3)；YM为可压缩湍流过度扩散产生的波动，kg/(m·s3)；σk和σƐ为k方程和ε方程的湍流Prandtl数，分别为1.0和1.2；υ为运动黏度，m2/s；μt为漩涡黏度，Pa·s；C1、C2、C1Ɛ、C3Ɛ为模型系数，分别取1.00、1.90、1.44和1.00；Sk和SƐ为自定义源项，均取0.85。

1.3 参数设置

流动模型选取k⁃ε模型，辐射模型为DO模型，勾选重力选项；求解器设置为Pressure Based，采用SIMPLE算法对压力⁃速度的耦合项进行离散，PRESTO！算法对压力项进行离散，空间的离散精度Theta Pixels、Phi Pixels、Theta Divisions和Phi Divisions分别设置为4、4、6和6；初始环境温度设置为281 K；入口速度方向平行于地面。保温材料物性参数见表1。

表1 材料热物性参数

2 保温偏心注汽管线传热分析

2.1 网格独立性验证

采用Tri型网格和局部加密手段对几何模型进行网格划分，验证网格的独立性。网格划分及温度云图如图2所示。从图2（b）可看出，由于管道保温层偏心沉降，工作管线上部漏热严重。

图2 网格划分及温度云图

在不同网格数下，以保温层外表面温度和空气夹层上下表面的热流密度为指标，验证其网格独立性，结果如图3所示。空间网格总数分别设60 068、262 470、479 778。由图3可见，当网格数为60 068时，保温层表面的计算结果与另外两种网格密度下的计算结果差别较大。考虑计算速度与计算精度要求，本文选用网格数262 740进行空间网格划分。

图3 网格独立性验证

2.2 周向传热分析

不同风速下保温偏心管线热性能曲线如图4所示。由图4（a）可知，随着风速的增加，保温偏心管线空气夹层漏热量增大；当风速为5 m/s时，保温偏心管线空气夹层下壁面温度为498.4 K；随着风速的增加，空气夹层的温降逐渐增大。当风速为5、7、11 m/s时，空气夹层的温降分别为55.6、57.2、57.9 K。当风速增加40%时，保温偏心管线空气夹层下壁面热损失增加2.8%；当风速增加120%时，保温偏心管线空气夹层热损失增加4.4%。这是由于保温层出现了偏心沉降，在工作管和保温层间形成镂空空气夹层，风速增加使管线热损失增加。由图4（b）可知，风速增加导致保温材料的热性能下降；随着风速的增加，偏心保温管线外壁面平均温度分别为340.4、323.5、312.4 K，并且由于保温层偏心沉降造成结构上薄下厚，偏心保温管线上壁面热流密度大于下壁面；当环境风速增加40%时，管线外保温热损失增加3.6%，当环境风速增加120%时，管线外保温热损失增加5.9%。

图4 不同风速下保温偏心管线热性能曲线

不同管径下保温偏心注汽管线热性能曲线见图5。当管径为250、150 mm时，两层保温层厚度均为75 mm；当管径为100 mm时，两层保温层层厚度均为65 mm。由图5（a）可知，在保温层厚度相同的情况下，增大管径，保温偏心注汽管线空气夹层漏热量减小；当管径为250 mm时，空气夹层上下壁面的温差和热流密度最小，其峰值分别为55.6 K和1 727.23 W/m2。出现该现象的原因是：随着管径的增大，偏心保温管线内空气夹层变得狭长，空气流动性变差，受自然对流和强制对流的混合影响减弱，因此管径较大时空气夹层间热损失较小。由图5（b）可知，与空气夹层不同，受管径增大的影响，保温偏心注汽管线外壁面热损失增加；当管径为100、150、250 mm时，管线外壁面平均温度分别为340.4、326.9、327.1 K；当管径增加50%和150%时，管线外保温热损失增加13.0%和23.3%。

图5 不同管径下保温偏心管线热性能曲线

为考察土壤辐射对管线传热特性的影响，对有/无土壤辐射下的保温偏心注汽管线传热特性进行了模拟，结果如图6所示。由图6（a）可以看出，有/无土壤辐射时的偏心保温管线空气夹层上下壁面温差分别为5.6 K和55.6 K；考虑土壤辐射作用时，计算所得的空气夹层热流密度比不考虑土壤辐射作用时低，这是由于其表面温度较无辐射时高，管线表面与空气夹层二者间温差减小，故其热流密度降低。从图6（b）可以看出，考虑土壤辐射偏心保温管线外壁面平均温度比不考虑土壤辐射时低54.3 K；考虑土壤辐射偏心保温管线平均外壁面热流密度比不考虑土壤辐射时低1 036 W/m2，这是由于其表面温度较之无辐射时低，管线表面与土壤间温差减小，故其热流密度降低。

图6 土壤辐射对保温偏心管线传热影响曲线

3 结 论

（1）当风速提高时，会增加保温偏心管线热损失，管线内空气夹层热损失随之增加；在偏心率相同的情况下，管径越大，保温偏心注汽管线外保温热损失越大。

（2）在数值模拟的条件下，与不考虑土壤辐射的情况相比，考虑土壤辐射保温偏心管线外壁面平均温度降低54.3 K，热流密度减少1 036 W/m2，土壤辐射对偏心保温管线影响较为显著。