水分迁移冰水相变对同沟敷设管道周围土壤温度场的影响

梁 月

(中国石油大学胜利学院油气工程学院，山东东营257000)

同沟敷设管道是指在一条管沟中敷设两条或两条以上输油气管道。由于此种管道敷设方式具有减少施工时间和费用、对植被破坏小、后续管理方便等优点，近些年被国内外很多管道工程公司采用。2012年6月28日，中缅管道部分管段实行输送天然气、原油和成品油三种介质的管道同沟敷设，在我国管道建设史上尚属首次。同沟敷设管道设计和运行中的最关键问题是环境土壤对热原油管道的热力影响，充分了解管道附近的温度场，可以提升管道的安全度，规避凝管现象。而以往对其温度场的研究，多将土壤看做是各项均匀分布、含水量极少的固体，实际上土壤中水分的迁移对传热影响极大。在常年冻土区和季节性冻土区，土壤中水分还会向冻结前锋迁移并释放大量潜热。本文以起自乌鲁木齐市、终至兰州市的西部原油成品油管道为例，它是国内应用较早、技术较成熟的同沟敷设长输管道。此项工程跨越季节性冻土区，分别对饱和含水冻土和无水冻土两种临界情况下，双管周围土壤温度场进行数值模拟，得到水分迁移与相变对温度场的影响。

1 物理模型的建立

计算区域12m×6m，成品油管道为Φ559mm×7mm，原油管道为Φ813mm×11mm，两管埋深1.7m(地表至管道轴心的垂直距离)，两管净间距为1.2m。土壤密度1680kg/m3，比热容为2394 J/(kg·K)，导热系数为1.506w/(m·K);水的物性参数调用Fluent自带材料库，相变潜热为333146 J/kg;钢管比热为502.48J/(kg·K)，导热系数为48 w/(m·K);地表温度为253K，土壤初始温度275 K，大气对流换热系数16.8w/(m2·K)，油流与管内壁对流换热系数117w/(m2·K)，恒温层为278K。孔隙度 0.2，渗流率 1.073 ×10－11m2，相变潜热333.146kJ/K。

通过分析输油管道周围温度场及大地温度场的变化，并把大地视作一个有限的区域，这样一来问题的复杂度大大降低，模型求解也变得相对简单。图1为西部同沟敷设管道二维物理模型。

2 冰水相变流固耦合传热模型

由于土壤是一种比较复杂的多孔介质，流体在其内部渗透的过程也就显得相对复杂，在研究这一问题时通常使用有限体积法［1］。具体的方法是:取流体体积与网格单元体积的比并将其视作多孔度，把流体与固体混合的区域视作多孔介质区。

图1 西部同沟敷设管道二维物理模型

模型需要液相、固相的比热是常数，此时温度与热焓的关系如下:

式中，CL、CS分别为液相、固相比热，W/(m·K);分别为液相、固相介质的焓，J/kg;Tmelt为相变温度，K。

3 数值模拟及结论分析

在进行地表施工作业时，地表浅层土通常是施工的重要目标。但是地表浅层土会受温度、土体、气候等多方面因素的干扰，因此其水分场与温度场都会不断改变，而且相互影响。土壤的温度在发生改变时，土体内部的水分也会相应变化，这一变化进而会导致其自身导热系数与比热的改变，最终引起土壤温度场与传热能力的变化。在温度降低的时候，土壤会迅速凝固并释放热能，此时水分也会相应发生移动，那么土体的温度场就会产生变化。［2］

为了探索水分与土体温度之间的关系，分别对临界状态(饱和含水冻土、无水冻土)时，管道运行中的非稳态土壤温度场进行数值模拟分析。

图2给出了两种情况下，同沟敷设管道运行200h的土壤温度场等值线图。分析可知:在初始阶段，无水冻土双管周边的温度等值线密度很小，但在地表区域的温度等值线密度却很大。而在饱和含水冻土当中，温度等值线的分布情况截然相反。通过分析不难看到，无水冻土当中的温度要比饱和含水冻土当中的温度更低，饱和含水冻土中278K等值线呈圆形分布且范围较大，无水冻土278K等值线呈扁圆型分布且范围较小。这是因为，在地表零下20℃低温的作用下，土体内部的水分会朝着冻结前锋转移。在发生迁移的时候，热油管道内部的热量会向外扩散，而且随着固体向液体相变的发生，也有一部分热量被散发出来，这会大大增加土壤内部的热能，使得管道周围土壤温度场偏高;而无水冻土在整个导热过程中仅仅体现在单纯的热传导作用，使得土壤较长时间处于低温状态。

图2 同沟敷设管道运行200h后的土壤温度场

另外，由于饱和含水土壤较之无水冻土中含水量大，两管之间的部分土壤由于冰水的存在降低了导热率。因此原油管道受成品油管道散热的影响较小，1.2m的间距几乎使双管无热量的互换。而在无水冻土中，同沟敷设的双管热量传递互相影响，需将两管作为一个热力系统看待。

图3给出了两种情况下，同沟敷设管道运行400、600h的土壤温度场等值线图。随着运行时间的推移，无水冻土中276K等温线不断向下偏移，但偏移速率降低，这是由于原油管道不断向外界散热，使原油管道周围土壤温度梯度变小，从而传热速率下降。饱和含水冻土中280K等温线向下偏移速率相对较慢，双管周围温度场开始趋于稳定，进一步说明冰水相变、水分迁移对土壤温度场影响较大。

冻土是热传导，而多孔介质却是导热和对流的复合作用。饱和含水土壤孔隙中充满了水分，增大了土壤颗粒间接触热阻，使土壤蓄热能力增强，对外界的传热则大大降低。同时，孔隙中水分凝结成冰时，将释放大量的潜热，使土壤平均温度相对较高，土壤升温又使管内外温度梯度降低，从而管壁热流密度降低。

图3 同沟敷设管道运行400、600h后的土壤温度场

图4分析了原油成品油管道运行350h到450 h之间，土壤平均温度和原油管内壁平均热流密度的变化关系。由两组曲线变化趋势可以看出:管壁热流密度方面，饱和含水冻土比无水冻土的低，但在土壤平均温度方面，饱和含水冻土却比无水冻土要高。这主要是由于孔隙中水分凝结成冰时，释放大量的潜热，土壤平均温度升高，管内外温度梯度降低，从而管壁热流密度降低。

图4 水分对同沟敷设管道非稳态传热的影响

4 结论及建议

通过对同沟敷设管道周围土壤温度场的数值计算可知，饱和含水冻土整体温度明显比无水冻土温度偏高，但其管壁热流密度比无水冻土的低;在输油初期:饱和含水冻土中原油管道受与其间距为1.2 m的成品油管道的热力影响较小，而无水冻土中两管传热互相影响，需看做一个热力系统。

可见，水分迁移、冰水相变对季节性冻土区土壤温度场的影响很大，建议根据实际情况综合考虑环境温度和含水土壤的冰水相变等因素对管内油品输运的影响。

［1］卢涛，姜培学.多孔介质融化相变自然对流数值模拟［J］.工程热物理学报，2005，26(增刊):167-176.

［2］欧阳梅.针翅管式相变蓄热换热性能的数值模拟［D］.重庆:重庆大学动力工程学院，2009:34-36.