基于ANSYS软件的热油管路保温的数值模拟

曹先慧，马贵阳，于丽丽, 高艳波，孟向楠

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

基于ANSYS软件的热油管路保温的数值模拟

曹先慧，马贵阳，于丽丽, 高艳波，孟向楠

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

应用ANSYS软件对埋地热油管道沿径向温度进行了数值模拟，得到了不同保温层厚度时管道径向温度及热流量的变化。分析了含蜡层的径向温度变化，随着保温层厚度的增加，保温层内部温降变化减小，管道向外传递的热流密度逐渐减小，保温效果更好。热流量减小的速度随着保温层厚度的增加变得缓慢，模拟结果与编制计算机程序计算结果相吻合。

热油管道；径向温降；热流密度；数值模拟

对埋地输油管道进行保温，能有效地阻止管道内油品温度向周围土壤的扩散，减少管内油品的热量损失，达到确保管道安全运行、节约能源、降低输送成本的目的。对管道施加保温时，除了要选择良好的保温材料，采用合理的保温结构之外，保温的效果还取决于保温层的厚度。本文借助ANSYS软件对不同保温层厚度的埋地热油管道进行了数值模拟，对埋地热油管道保温层的厚度对管道径向温度即热流量的传递影响规律进行了研究。

1 数值模拟分析的基本原理[1]

本论文采用ANSYS作为数值模拟分析的工具，从热分析模块展开研究。热分析模块是基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其他热物理参数。

热分析主要包括稳态传热分析和瞬态传热分析。在稳态传热分析中任一节点的温度不随时间变化，它主要用于分析稳态的热载荷对系统或部件的影响；瞬态传热过程指一个系统的加热或冷却过程，主要用于计算一个系统随时间变化的温度场以及其他热参数。本论文采用瞬态热分析进行分析计算。

瞬态传热过程指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件及系统内能都随时间明显变化，根据能量守恒，瞬态热分析的有限平衡方程为（以矩阵形式表示）:

式中： [K]—传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；[C]—比热矩阵，考虑系统内能的增加；{T}—节点温度向量；—温度对时间的导数；[Q]—节点热流率向量，包括热生成。

热分析的控制方程：

其中，Vx，Vy，Vz为媒介传导速率。

2 计算公式[2]

热流量计算公式：

保温层外壁温度计算公式：

放热系数a2：

其中：Q — 热流量，W/m；

t0，t，tw— 分别为土壤温度，管内油品温度，保温层外壁温度，℃；

λ0，λla，λg，λb— 分别为土壤导热系数，蜡层的导热系数，钢管的导热系数，保温层的导热系数，W/(m·℃)；

a1— 油流至管内壁放热系数，W/（m2·℃）；

a2— 管外壁至土壤的放热系数，W/（m2·℃）；

rla,rn,rw,rb— 分别为蜡层内径，钢管内径，钢管外径，保温层外径m；

h，Db— 分别为管道埋深和保温层外直径，m。

3 模拟计算与分析

以某埋地输油管道为例，管道规格为D426× 7，管中心埋深H=1.8 m，平均地温为-10 ℃，土壤导热系λ0=1.5 W/(m·℃),油品温度70 ℃，结蜡厚度为8 mm，蜡层导热系数2.5 W/(m·℃)，钢管导热系数λg=46 W/(m·℃)，保温材料选取聚氨酯硬质泡沫塑料，材质的参数为：密度ρ=50 kg/m3，导热系数λb=0.035 W/(m·℃)，a1=556.432 W/（m2·℃），设置保温层厚度分别为δ=10 ，20 ，30 ，40 ，50 ，60 ，80 ，100 mm时其对应的管外壁放热系数a2值分别为2.454, 2,418, 2.384，2.352，2.320， 2.290，2.233， 2.18 W/（m2·℃）,油品流速0.5 m/s。

3.1 模型的建立

目前国内采用的管道保温结构基本形式为[3]：钢管—防腐层—保温层—防水保护层，防腐层和防水保护层相对于保温层的厚度对保温效果的影响可以忽略不计，得到简化后的埋地热油管道的物理模型如图1。

图1埋地热油管道的简化模型Fig.1 simplified model of buried hot oil pipeline

3.2 数值模拟及结果分析

数值模拟及结果分析如图2-7和表1。

图2 保温层沿径向温度分布曲线Fig.2 The radial temperature of the thermal insulation layer

图3 保温层管道三维温度分布云图Fig.3 The three dimensional distributed cloud chart of the pipeline

图4 100 mm保温层径向温度分布云图Fig.4 The cloud chart of the radial temperature of the thermal insulation layer of 100 mm

图5 管道不同位置处温度随保温层厚度的变化Fig.5 The change of the temperature of different position of the pipeline with the insulation layer thickness

表1 不同保温层厚度的热流量Table 1 The heat flow of thermal insulation layer with different thickness

图6不同保温层厚度下的热流密度Fig.6 The heat flow of thermal insulation layer with different thickness

埋地热油管道的传热过程分三部分组成[4]，即管内热油以对流方式将热量传给结蜡层内壁，经过结蜡层、管壁、保温层将热量传给周围土壤，再经地面与大气换热。通常在传热计算当中我们近似将油温作为蜡层内壁温度，由图5可以看出，油温为70 ℃时，保温层厚度分别为10，20，30，40，50，60，80，100 mm时对应的结蜡层内壁温度分别为69.770，69.834，69.868，69.890，69.906，69.917，69.932，69.942 ℃,其值非常接近油温，但是有较小温差存在，并且结蜡层内壁温度随着保温层厚度的增加而升高。

图7保温层外壁温度随保温层厚度的变化Fig.7 The change of the temperature of the outer wall of the thermal insulation layer with its thickness

对于计算结果分析可知，保温层厚度不同，其散热量也不同，通过用VB编制计算机程序计算得到的散热量的理论解为Q1，由ANSYS软件模拟得到的散热量为Q2，数据比较见表1。

从表1中可以看出，Q1与Q2的误差非常小，在允许范围内，由此ANSYS软件得到了验证。并且保温层向外传递热流密度值随着保温层厚度的增大而明显减少[5]。这是由于保温层越厚，保温层的热阻增大，导热系数越小，管道散失的热量越少，对于一定管道长度的管线，增加保温层厚度可以提高出口油品的温度，节约能源。

将模拟计算数据绘成图6可知：随管道保温厚度δ的不同，其管道的散热量变化很大。当保温层厚度δ较小时，散热量Q值随δ变化激烈；当保温层厚度δ达到一定值后，散热量Q值随δ变化较缓慢。

取不同的保温层半径，进行运算后，得到不同保温层厚度下的沿径向温降如图8所示。

图8 不同保温层厚度的管道径向温降Fig.8 The drop of the radial temperature of thermal insulation layer with different thickness

取图8中的0 mm至15 mm（结蜡层内壁为径向距离原点）段作图得到蜡层和钢管内的温度变化图9。

从结蜡层内壁至钢管外壁的范围内，径向温度接近油温70 ℃，这是由于保温层厚度为8 mm比较小，并且钢管的导热系数较大，对管道的径向温度的影响小于1 ℃。在0 mm至8 mm即结蜡层内，保温层越厚，温度降低越慢。在8 mm至15 mm即钢管壁内，曲线接近水平，温度变化非常小，这是由钢管较大的导热系数所致。当径向距离大于15 mm时，即从钢管外壁至保温层外壁，管道沿径向的温度是呈弧线均匀降低的。保温层厚度为10 mm时的斜率最大，保温层厚度为100 mm时的斜率最小，即保温层厚度越大，管道径向温度降低的速度越慢。热油管道运行过程中，在径向温降的推动下，油流所携带的热量不断往管外散失。保温层厚度为10 mm的管道保温层外壁温度为36.206 ℃，保温层厚度为100 mm的管道保温层外壁温度为-0.612℃。

图9 蜡层和钢管内的温度变化图Fig.9 The temperature variation of the wax layer and steel pipe

4 结束语

应用ANSYS软件对不同保温层下的埋地热油管道沿径向温降的温度分布进行数值模拟，结果与公式编制的VB程序求得的理论解相吻合，验证了ANSYS软件在模拟管道传热方面的可行性和准确性。

应用ANSYS模拟了不同保温层厚度的埋地热油管道沿向的热流量与温降变化，得到了保温层厚度对管道传热的影响，为埋地热油管道结构参数的合理设计提供了理论依据和分析方法。

［1］王泽鹏，张秀辉,等，ANSYS 12.0 热力学有限元分析从入门到精通[M].2010:112-129.

［2］吴国忠，曲洪权，庞丽萍,等，埋地输油管道非稳态热力计算求解方法[J].油气田地面工程，2001（6）：6-7．

［3］杨嘉瑜,译.国外输油管道保温技术概况及发展[J].国外油田工程，1997（5）:42-45．

［4］贾雪松.基于CFD的热油管道数值模拟[D].大庆石油学院,2010.

［5］王常斌，赵月,等：热油管道温度场的数值模拟[J].管道技术与设备，2011（3）:9-12.

Numerical Simulation on Thermal Insulation of Hot Oil Pipelines Based on ANSYS

CAO Xian-hui，MA Gui-yang，YU Li-li，GAO Yan-bo，MENG Xiang-nan
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Through the numerical simulation of radial temperature of buried hot oil pipelines with ANSYS software, effect of the thermal insulation layer thickness on the radial temperature and heat flow were analyzed and calculated. Change of the radial temperature of different wax layers was analyzed. The results show that along with the increase of the insulation layer thickness, the reducing of temperature in the thermal insulation layer is slow and the heat flux that transfers between pipes and outside reduces gradually，so the heat preservation effect is better；With the increase of the insulation layer thickness, the decline rate of the heat flow is slow. The simulation result of numerical simulation is consistent with theory calculation result, which shows the feasibility and accuracy of ANSYS in heat transfer calculation.

Hot oil pipeline; Radial temperature drop; Heat flow; Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2012）02-0181-04

2011-12-19

曹先慧（1986-），女，山东济宁人，现为辽宁石油化工大学油气储运工程专业在读硕士。研究方向：计算流体力学数值仿真。E-m ail：caoxianhui@yeah.net。