水分遷移對島狀凍土區埋地管道周圍非穩態溫度場的影響

胡 金 文

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水分遷移對島狀凍土區埋地管道周圍非穩態溫度場的影響

胡 金 文

（撫順齊隆化工有限公司，遼寧 撫順 113004）

多年凍土島大多處于連續多年凍土和季節性凍土的過渡地帶，沼澤化現象很普遍，對土壤熱交換條件極其敏感。結合島狀凍土區土質條件及環境因素，建立飽和凍土多孔介質水熱耦合模型并進行數值計算，研究水分遷移、冰水相變對凍土溫度場和埋地原油管道非穩態傳熱的影響。對控制和減少因管基融沉導致的安全事故，保障管道長期穩定運營具有現實指導意義。

水分遷移；冰水相變；島狀凍土；多孔介質

1 凍土區輸油管道工程現狀

國內外凍土區鋪設的油氣管道工程，都要面對凍害帶來的安全隱患。美國著名的阿拉斯加管線修建于延綿的島狀多年凍土區，當時為了預防凍土層融化給管道帶來安全隱患，設計者采取在保溫層內設置冷凍管等措施，但事后證實并不可行。我國的格拉輸油管道位于海撥4 000 m以上地區，一年中約有8個月處于冰凍期。在管線建設期間，缺乏凍土區管道施工實際經驗和技術數據，導致凍土融化而被迫多次改線，可見凍脹和融沉破壞是管道工程安全營運所面臨的最大威脅。

2 埋地管道物理模型

埋地管道非穩態傳熱過程研究關鍵是分析其周圍土壤溫度場的分布情況[1]。將土壤介質半無限大區域簡化成二維矩形有界區域，采用數值計算求解，近年來應用較為廣泛（圖1）。

圖1 管道物理模型

2.1 埋地管道的邊界條件

埋地管道在運行期間，管道周圍凍土溫度場是由土壤介質自然溫度場和輸油管道系統非穩態溫度場共同作用的結果。土壤自然溫度場跟隨大氣環境溫度的年周期性變化而變化，但在時間上要比大氣環境溫度周期性波動滯后[2]。

邊界條件：

2.2 數學模型

2.3 飽和含水凍土多孔介質水熱耦合數學模型

土壤屬多孔介質，發生在其內部的相變融化及流體遷移過程及其復雜[3]，假設多孔介質凍土符合以下條件的情況下：(1) 流體介質密度變化符合boussinesq近視理論；(2) 飽和凍土各相同性連續；(3) 不考慮融化相變造成的速度變化；(4) 水分遷移符合達西滲透理論[4]。建立控制方程：

能量方程：

質量方程：

動量方程：

3 水分遷移對島狀凍土區埋地管道周圍非穩態溫度場的影響

融脹問題是凍土區管道工程最嚴重的潛在隱患，凍土區土壤溫度在環境溫度和管道系統油溫共同作用下而周期性地發生正負變化[5]。在溫度梯度驅動下促使凍土內的相應地發生遷移與相變，土壤中的未凍水向凍結鋒面遷移，所攜帶的熱量將會引起溫度場發生變化；而水分在遷移過程中又將引起土壤的持水量與熱物性發生變化，這必將對凍土溫度場產生一定影響[6,7]。年復一年最終將會導致凍土層冰水分凝和凍土溶脹變形，發生在凍土內的水分遷移現象對凍土溫度場的影響非常明顯。本文以島狀凍土區典型土質亞粘土為例，結合當地環境溫度，分別對無水凍土及飽和含水凍土進行數值模擬，研究水分場遷移對島狀凍土溫度場和埋地管道非穩態傳熱的影響。

3.1 數值計算和結果分析

如圖2所示，計算區域對稱，簡化為一半區域(9 m×9 m)，埋深1.5 m，管徑660 mm，鋼管密度7 800 kg/m3，導熱系數42.8 W/(m?K)，比熱容470 J/(kg?k)，土壤密度1 980 kg/m3，導熱系數1.588 W/(m?K)，比熱容2 200 J/(kg?k)，地表溫度250 K，凍土初始溫度271.5 K，土壤恒溫層276 K，地表大氣對流換熱系數18.52 W/(m2?K)，油品與管道內壁對流換熱系數116 W/(m2?K)，相變潛熱334.166 kJ/kg，孔隙度0.346，滲流率2.084×10-11m2。

圖2 埋地管道周圍土壤區域截面圖

3.2 水分遷移對島狀凍土溫度場的影響

通過圖3、圖4可以發現，島狀凍土區埋地管道運行120、240 h后土壤溫度場的分布情況。在管道運行之初，水分場對凍土溫度場的作用并不顯著。這是由于地表溫度偏低，凍結層內水分的遷移孔隙通道窄小，而且在負溫影響下水的粘性增大，水分遷移量很小所致。隨著運行時間的增加，水分場對管道周圍凍土溫度場的影響越發明顯。不含水凍土熱量傳的導是依賴土壤顆粒間接觸的導熱，而飽和凍土熱量傳導除了導熱外，水分在土體孔隙通道內向凍結鋒面遷移過程中熱量也隨之傳輸，同時冰水相變釋放部分潛熱，多種因素共同作用下促使管道周圍凍土的溫度場作用范圍明顯高于不含水凍土。

(a)無水動土

(b)飽和含水凍土

圖3 管道運行120 h凍土溫度場

Fig.3 Permafrost temperature field for the pipelihe operate after 120 hours

(a)無水動土

(b)飽和含水凍土

圖4 管道運行240 h凍土溫度場

Fig.4 Permafrost temperature field for the pipeline after 240 hours

3.3 水分遷移對島狀凍土區埋地管道非穩態傳熱的影響

如圖5所示，無水凍土區管道壁的熱流密度要比飽和凍土區偏高，而管道融深卻比飽和凍土區低。這是由于飽和凍土區熱量傳輸方式途徑更多，除了導熱，還包含管道油品通過管壁與土體所含水分間的對流換熱，這些因素促使土壤蓄熱量增多，導致近管道周圍凍土溫度要高于無水凍土，在降低了管內外溫度梯度的同時也降低了管壁熱流密度。同時水分在向凍結界面遷移途中熱量隨之傳輸、冰水相變釋放潛熱等，促進凍土融化，導致管道最大融深大于無水凍土。

(a)無水動土

(b)飽和含水凍土

圖5 水分對凍土區埋地管道非穩態傳熱的影響

Fig.5 The effect of moisture on buried pipeline unsteady heat transfer in permafrost

4 結 論

通過數值計算發現，在管道運行起始階段，水分場對凍土溫度場的影響很弱。隨著運行時間的增加，水分場對埋地管道周圍凍土溫度場的影響明顯增強，飽和含水凍土溫度場的作用范圍明顯大于無水凍土。飽和含水凍土管壁的熱流密度明顯低于無水凍土，管道周圍凍土融化程度比不含水凍土區要明顯。綜上所述，水分場對凍土溫度場分布及管道非穩態傳熱影響較為明顯。因此不宜把計算區域簡化無水凍土進行研究，否則其結論將會與實際情況不符合。

5 展 望

因能力和客觀條件限制，在課題的研究工作中存在一些不足之處，以下問題還需進一步完善與開展：

（1）需將數值計算與現場實驗進行擬合，以提高計算精度，使研究成果更接近于實際。

（2）本研究是將管道置于單一土質內，事實上土體類型是隨深度不同而變化的，仍需對此加深研究。

參考文獻：

［1］ 吳明，江國業，安丙威. 輸油管道土壤溫度場的數值計算[J]. 石油化工高等學校學報，2001，14(4)：54-57.

［2］ 張國忠. 埋地熱油管道停輸降溫過程的研究[J]. 油氣儲運，2004，23(12)：33-37.

［3］杜明俊. 凍土區埋地管道周圍土壤水熱力耦合數值計算[D]. 撫順：遼寧石油化工大學，2011.

［4］ A.E.薛定鄂，著. 多孔介質中的滲流物理[M]. 王鴻勛，張朝琛，孫書琛，譯. 北京：石油工業出版社，1982．

［5］ 馬貴陽，陳笑寒. 凍土區埋地熱油停輸溫降數值模擬[J]. 天然氣與石油，2010，28(4)：54-57.

［6］胡和平，楊詩秀. 土壤凍結時水熱遷移規律的數值模擬[J]. 水利學報，1992(7)：1-8．

［7］ 郭高峰. 影響多年凍土融沉特性的因素研究[D]. 長春：吉林大學，2007.

Effect of Moisture Migration on Unsteady Temperature Field Around the Buried Pipeline in Island Permafrost Regions

（Fushun Qilong Chemical Co., Ltd., Liaoning Fushun 113004，China）

Most permafrost islands are in the transition zone of continuous permafrost soil and seasonal frozen soil, swamp phenomenon is relatively common, the soil is sensitive to heat transfer conditions. In this paper, based on island frozen soil conditions and environmental factors, hydrothermal coupling model of water saturated porous media of permafrost soil was established, and the numerical calculation was carried out. The influence of moisture migration and ice-water phase change on frozen soil temperature field and buried oil pipeline unsteady heat transfer was studied.

moisture migration; ice water phase change; island permafrost soil; porous media

TE 832

A

1671-0460（2016）09-2160-04

2016-03-30

胡金文（1972-），男，遼寧省撫順市人，工程師，碩士研究生，2012 年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運專業，研究方向：油氣管道輸送技術。E-mail：hujinw197285@sina.com。