陆地直埋双层管锚固件保温结构设计

李鹏程 陈宏举 贾鲁生 柳歆

（中海油研究总院有限责任公司）

0 引言

管道运输是原油和成品油最主要的运输方式，被称为油气田开发的重要“生命线”。目前，输送管道按结构形式可分为单层管和双层管，其中，双层管道内管为输送管，外管为保护套管，内外管之间的环隙放置保温材料。双层管外管强度高、密封性好，可使管道免受周边外力和恶劣环境的破坏及影响，保证管道保温层的保温效果［1］。因此，双层管一般用于输送海上高凝高黏原油或陆上有特殊需要的场合［2］。

锚固件作为双层管的重要部件，通常每隔一段距离设置一个，用于连接内管和外管。在双层保温管中锚固件可以起到以下作用：运行过程中实现内管和外管运动耦合，在管土作用下可以协调变形；施工预热消除预应力过程中，将目标预热段与相邻非预热段隔离；内外管间进水或内管泄漏后起到阻断作用，既可防止水的进入而影响整条管道保温材料性能，又可减少原油泄漏量并防止泄漏后扩散造成生态环境的污染［3］。锚固件结构如图1所示。

图1 锚固件结构

锚固件由钢锻造而成，热阻非常小，在陆地因土壤的蓄热易在管道外表面形成局部高温，损坏外涂层。此外，局部高温还将对地表植物的正常生长造成影响，夏季时植物根部易被烫伤，冬季时易造成植物过快生长。基于此，需对双层管锚固件进行保温。CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》中规定，双层管外表面温度应低于50 ℃，工程设计时通常考虑一定的裕量，双层管外管管壁设计温度一般控制在45 ℃以下。锚固件保温短管结构如图2所示，现场实物如图3所示。

图2 锚固件保温短管结构

图3 锚固件保温短管现场实物

锚固件短管主要由锚固件本体、保温套管和与锚固件本体两侧焊接相连的双层管短管三部分组成。图4是保温后的锚固件短管埋设于土壤中的物理模型图。锚固件保温结构设计即确定其保温层的厚度和长度。

图4 锚固件保温短管土壤埋设物理模型

1 埋地保温锚固件传热分析

对于保温锚固件，整个系统的传热由以下几个部分组成：锚固件内流体的对流换热、锚固件铸钢导热、锚固件保温层导热、环空空气层导热、套管管壁导热、管外壁至土壤的放热。热油管道经过长期运行，可在整条管道管内外建立稳定的温度场。散热量、传热系数和热阻的关系为［4］：

式（1）、式（2）中：q——单位长度散热量，W/m；U——传热系数，W/（m2·K）；d——锚固件内表面直径，m；T1——管内流体温度，℃；T0——管道周围自然环境温度，℃；R1——锚固件内流体对流换热热阻，m2·K/W；R2——锚固件铸钢导热热阻，m2·K/W；R3——锚固件保温层导热热阻，m2·K/W；R4——环空空气层导热热阻，m2·K/W；R5——套管管壁导热热阻，m2·K/W；R6——管外壁至土壤的放热热阻，m2·K/W。

锚固件套管外壁温度为：

式（3）中：T2——锚固件套管外壁温度，℃。

2 工程实例计算

以某油砂管道为例，管道设计寿命40年，油砂输送温度 140 ℃。为确保保温材料在全寿命周期内保温性能无明显衰减，保温材料采用无机微孔材料，保温层材料通过逐层绑扎固定。为了保护保温层，整条管道采用双层管保温结构。

2.1 基本参数

该管道内管直径406.4 mm，外管直径558.8 mm，管道埋设深度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-15.3 ℃，平均风速3 m/s。

管道沿线土壤类型多样，土壤导热系数范围1.0～2.1 W/（m·K）。土壤导热系数越小，双层保温管外管温度越高，因此，在保温层厚度计算时，土壤导热系数取1.0 W/（m·K）。

2.2 数值模型及边界条件

由于锚固件附近轴向导热具有对称性，因此利用计算流体力学软件FLUENT建立2D对称模型用于温度分布模拟分析。在确定保温层厚度和长度时需多次试算，以最终确定的保温层厚度50 mm、保温长度2.8 m为例，对埋设的锚固件短管进行建模。

利用数值模拟前处理器 Gambit软件建立数值模型，使用其中Split分离功能对不同区域进行分离并划分网格，采用多重网格法划分保证模型具有较好的收敛性。采用这种网格划分方法，能较好地提高模型划分的网格质量，确保计算精度［5］。

数值模型边界条件设置如下：

（1）双层管内管及锚固件内表面温度取流体最高输送温度140 ℃；

（2）地表温度取月平均最高温度 15.7 ℃，对流和辐射换热系数取20 W/（m2·K）；

（3）定义锚固件轴向中心线为左边界；

（4）定义锚固件右侧5 m处为右边界，在轴向无热交换；

（5）钢管导热系数 54 W/（m·K）、锚固件保温层导热系数0.023 W/（m·K）、环空空气层导热系数 0.066 W/（m·K）、土壤导热系数 1.0 W/（m·K）。

2.3 计算结果分析

利用FLUENT软件中稳态求解模型进行热传导分析，采用高阶离散格式和中心差分格式，能量方程采用二阶迎风格式离散，使用默认的松弛因子进行迭代计算直到最终收敛。锚固件及与其相连双层管周围的温度场如图5所示。

图5 锚固件及与其相连双层管周围温度场

由图5可以看出，在锚固件至套管、套管至地表的热传导以及地表冷空气与地面的对流、地表向大气的辐射等作用下，使得管道周边温度场达到热平衡，获得一个稳定的温度场。因保温层的存在，在锚固件周边将存在较大温度梯度。与土壤接触的锚固件外套管及与其相连的双层管外管外壁温度值，自左边界起沿轴向变化趋势见图6所示。

由图6可见，套管外壁温度约34 ℃，但是在套管与外管连接处，由于受钢管轴向导热的影响，该处存在局部高温区域，温度上升至45 ℃，随后又逐渐降低，最终，外管温度降至35.7 ℃并趋于平稳。

图6 锚固件外套管及相连双层管外壁温度分布

3 结论及建议

运用FLUENT数值模拟方法对某油砂管道埋地双层管锚固件开展了保温结构设计，确定出锚固件外保温厚度50 mm，保温长度2.8 m，可满足双层管内 140 ℃流体输送时，与土壤接触的壁面温度低于45 ℃的要求。

在锚固件保温套管与双层管外管连接处会产生局部高温，但这是因钢管轴向导热所导致，而非内管泄漏引起，因此，在管道光纤泄漏监测系统的温度报警监测上需要考虑此因素。