高寒地区高温油砂管道保温设计及周围温度场分析*

李鹏程 陈晶华 陈海新 李根

1中海油研究总院

2中国石油集团渤海钻探工程有限公司第四钻井工程分公司

世界各国对于能源的需求日益增加，常规石油资源已难以满足快速增长的能源需求，作为常规能源的补充和替代，非常规石油资源逐渐得到人们的关注。油砂作为富含天然沥青的非常规石油资源，是一种沥青、砂、富矿黏土和水的混合物[1]，具有黏度高、金属含量高和碳氢比高的特质[2]。目前世界上85%的油砂集中在加拿大阿尔伯塔省北部地区阿萨巴斯卡、冷湖和平河三个油砂区[3]。油砂在地下的形态是高黏度（一般大于104mPa·s）沥青包裹着砂等固体物质，自然形态下难以流动[4]。油砂在管道中流动性较差，为了改善油砂在管道中的流动性，降低管道安全运行隐患，采用双层保温管高温加热输送方式[5-7]。为保障油砂输送过程中流动安全的同时，保证管道设计寿命，以加拿大高寒地区某油砂管道为例进行保温设计，并利用计算流体力学软件FLUENT分析管道周围土壤温度场，在保证管道内油砂正常流动的同时，避免管道外表面温度过高影响当地地表植物正常生长。

1 双层管保温设计

该油砂管道长10.4 km，油砂输送温度140 ℃。管道采取保温输送，为了延长投产过程中保温层寿命，整条管道采用双层管保温结构，内管内径406.4 mm，外管外径558.8 mm，管道最大埋深2.2 m。夏季月平均最高环境温度15.7 ℃，冬季月平均最低环境温度为-15.3 ℃，埋地温度为2 ℃，平均风速3 m/s。管道设计寿命长达40 年，输送油砂温度高达140 ℃，因此该双层保温管对保温材料的选择和保温结构的设计提出较高要求[8]。

1.1 保温材料选择

实际工程设计中保温材料的选择应根据不同方面（如介质温度、运行工况、管道设计寿命等）进行比较。工程中目前常用的三种保温材料性能见表1。

表1 保温材料性能Tab.1 Insulation material performance

聚氨酯泡沫导热系数大，相同保温性能下所需厚度大，在管道投产过程中容易发生变形和老化，维护成本高，操作温度通常低于120 ℃，在140 ℃高温下工作仅30年，不满足该管道设计年限要求。

气凝胶保温性能好，操作温度高，但是在海底管道等应用中使用寿命均按照25～30年设计，不能保证40 年的设计年限，此外在施工切割中有尘，会危及施工人员身体健康。

无机微孔保温材料导热系数小，保温性能好，操作温度高达1 000 ℃，同时无机微孔保温材料中不含有机材料，管道投产过程中材料不会老化，可满足该管道安全运行40年的要求。

为了确保保温材料在全寿命周期内保温性能无明显衰减，经过多种材料比选，推荐选用无机微孔材料作为该高温油砂管道保温材料。

1.2 保温层厚度

保温层厚度的选取要综合考虑其对于管道输送流动安全需求以及外管温度的影响。保温层厚度过小，导致管道保温性能变差；保温层厚度过大，则会增大项目投资。因此保温层厚度是影响该高温油砂管道项目安全运行和经济投入的重要因素[9]。表2为保温层厚度对出口温度的影响。

表2 保温层厚度对出口温度的影响Tab.2 Effect of insulation thickness on outlet temperature

随着保温层厚度增加，管道出口流体温度逐渐增大，但是不同保温层厚度对管道出口温度影响很小，通过增加保温层厚度的方式提高出口温度难度较大。根据管道输送流动安全需求，管道出口流体温度不应低于135 ℃，该双层管保温层厚度应大于50 mm。

管道运行过程中，管道外表面温度如果过高，会影响地表植物正常生长，夏季烫伤植物根部，冬季导致植物生长过快。此外，外管温度过高还会对管道外涂层造成破坏。根据加拿大当地环保部门要求，管道外表面温度不应高于50 ℃。工程设计中考虑5 ℃裕量，因此本设计中双层管外管管壁设计温度控制在45 ℃以下。

综合保温层厚度对出口温度，外管温度以及内外管间空隙的影响（表3），推荐采用厚度50 mm的保温结构设计。

表3 保温层厚度对外管温度的影响Tab.3 Effect of insulation thickness on the temperature of outer pipe

2 双层锚固件保温结构设计

锚固件是双层保温管特有的部件，通常每隔一段距离设置一个，用于将双层管、内管和外管连接成一个整体[10]。锚固件能够隔离内外管之间的环形空间，在油品泄漏或者内外管间进水后避免整条管道保温效果受到影响；此外，锚固件可以在管土作用下避免内外管发生相对偏移，使内外保持管同心。锚固件结构如图1所示。

图1 锚固件结构Fig.1 Anchor structure

锚固件一般采用钢结构，导热系数大，锚固件外表面会因管道内高温油砂的影响出现局部高温，因此需要对双层管锚固件采取保温措施。锚固件短管主要由锚固件本体、与锚固件本体两侧焊接相连的双层管短管和锚固件保温结构三部分组成。锚固件保温套管和锚固件保温层构成了锚固件保温结构。锚固件保温结构设计即确定其保温层厚度和长度，锚固件短管结构如图2所示。

图2 锚固件保温短管结构Fig.2 Anchor insulation short pipe structure

2.1 模型建立

根据土壤恒温层理论，建模过程中将无限大土壤空间转换为具有固定边界的矩形土壤区域。对锚固件短管以及周围土壤沿管道轴向方向建模并作对称处理，以直观分析锚固件短管温度场。锚固件保温层厚度和长度需多次试算确定。以最终确定的保温层厚度50 mm、保温层长度2.8 m 为例，锚固件短管土壤埋设物理模型如图3所示。

图3 锚固件短管土壤埋设物理模型Fig.3 Physical model of anchor short pipe soil embedding

2.2 模拟结果

利用FLUENT软件对正常运行工况下管道进行稳态计算，锚固件保温短管周围温度场如图4所示。

图4 锚固件短管周围温度场Fig.4 Temperature field around the anchor short pipe

在锚固件保温层的作用下，锚固件与其外部接壤土壤之间存在较大温度梯度，与土壤接触的锚固件外套管及与其相连的双层管外管温度值，自左边界起沿轴向变化趋势见图5。

图5 锚固件外套管及相连双层管外壁温度分布Fig.5 Temperature distribution of the outer pipe of the anchor and the connected double-layer pipe outer wall

在锚固件外表面和双层管外管导热作用的影响下，套管与外管连接处（图3 中点2）存在局部高温区域，该点处温度升至45 ℃，随后双层管外管温度逐渐稳定至35.9 ℃。

3 土壤温度场影响分析

为了避免管道周围土壤温度过高影响当地植物正常生长，破坏生态环境，应对管道外表面温度以及管道周围温度场进行热力分析。

3.1 模型建立

为了直观分析土壤温度场，需要对双层管沿径向建立双层管内管、保温层、环空层、双层管外管、土壤建立物理模型。模拟过程中忽略环境温度变化、地下水水位变化、水分迁移等自然环境影响，油砂管道物理模型如图6所示。

图6 油砂管道物理模型Fig.6 Physical model of oil sands pipeline

3.2 土壤导热系数影响分析

土壤导热系数取决于土壤的类别、土壤的孔隙度和渗透率等因素[11]，土壤导热系数影响土壤温度场分布[12]。本油砂管道沿线路由复杂，土壤类型多样，表4 为模拟夏季工况下土壤导热系数为0.05、1.12、1.21、1.3、1.74、1.92和2.1 W/(m·K)条件下管道外表面温度。

表4 不同土壤导热系数下外管温度Tab.4 Outer pipe temperature under different soil thermal conductivity

管道沿线土壤类型多样，在沼泽区，因土壤导热系数仅0.5 W/(m·K)，双层保温管外管壁温度高达56.14 ℃，高于加拿大当地环保部门要求的50 ℃，工程施工中需要对此部分段落进行换土，更换为导热系数大的土壤，降低双层管外管管壁温度，减小对地表植物生长的影响。

3.3 季节影响分析

油砂管道投产过程中，环境温度对外管温度影响很大[13]，不同季节下双层管外管温度如图7所示。

图7 不同季节下双层管外管温度Fig.7 Temperature of double-layer outer pipe in different seasons

受冬季环境温度低影响，原油与外界土壤之间散热强，导热作用明显，导致冬季外管温度比夏季低20 ℃。冬季工况下，土壤导热系数为1.12 W/(m·K)时，外管温度为15.8 ℃。随着土壤导热系数增加，外管温度逐渐减小，当土壤导热系数为2.1 W/(m·K)时，外管温度降为4.5 ℃。

3.4 保温材料失效影响分析

油砂管道在长年运行过程中，不可避免地由于老化、腐蚀等因素影响，致使管道破裂[14]，导致内外管间进水或内管泄漏。土壤中水分或者油砂进入内外管之间使得保温材料失效，影响管内流体正常流动。表5 为双层管保温材料失效过程中外管温度。

表5 不同保温材料导热系数下外管温度Tab.5 Outer pipe temperature under different thermal conductivity of insulation materials

保温材料失效导致管道保温性能变差，外管温度升高。当保温材料导热系数增加至0.038 W/(m·K)时，外管温度将超过45 ℃。

3.5 油砂管道启动土壤温度场影响分析

油砂管道启动，经过长时间运行后，管道周围土壤温度会逐渐上升并最终达到稳定。掌握油砂管道启动过程中外管温度变化规律，对于分析土壤温度场有重要意义。当土壤导热系数取1.12 W/(m·K)，管道启动后外管温度变化如图8所示。

图8 管道启动后外管温度变化Fig.8 Temperature change of outer pipe after pipe start-up

管道启动后外管温度变化可分为两个阶段。启动初期，双层管外管壁与周围环境温度温差大，导热作用强，该阶段外管温度上升很快。10 天后，随着外管温度逐渐升高，与周围环境温差缩小，导热作用减弱，外管壁温度将缓慢升温。

4 结论

以加拿大某油砂管道为实例，结合生态环境的影响，利用计算流体力学软件FLUENT分析埋地油砂管道热力的影响。

（1）保温材料的选择。通过对聚氨酯泡沫、气凝胶和无机微孔保温材料比选，最终推荐选用无机微孔保温材料作为双层保温管保温材料，厚度50 mm。

（2）锚固件保温结构设计。双层管锚固件保温层厚度50 mm，保温长度2.8 m。

（3）地热影响分析。管道正常运行工况下，全管外管温度低于45 ℃；土壤导热系数为0.5 W/(m·K)的段落外管壁温度较高，需要进行换土处理，更换导热系数较大的土壤类型；夏季外管壁温度比冬季高20 ℃；双层管间保温材料当量导热系数增加至0.039 W/(m·K)时，外管温度超过45 ℃；管道启动后初始10天内，外管升温迅速，随后升温变缓。