海底熱油管道周?chē)鷾囟确植家?guī)律研究

海底熱油管道周?chē)鷾囟确植家?guī)律研究

0海底管道的熱傳熱原油長(zhǎng)距離輸送和輸送是海上氣田的主要組成部分。它是連續(xù)地輸送大量油氣最快捷安全和經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)輸方式。海底管道在輸送油品的過(guò)程中,油品要與管道周?chē)暮Ｄ噙M(jìn)行傳熱,因此,研究海底管道在輸送油品過(guò)程中海泥的傳熱問(wèn)題是十分必要的。本文主要應(yīng)用CFD軟件,利用有限容積法對(duì)方程進(jìn)行離散,采用SIMPLE算法進(jìn)行求解,分析輸油溫度、海水溫度、保溫層等對(duì)海底管道周?chē)Ｄ鄿囟葓?chǎng)的影響。準(zhǔn)確模擬了海底輸油管道在運(yùn)行過(guò)程中管道周?chē)Ｄ鄿囟葓?chǎng)的分布情況,為海底管道安全、高效地運(yùn)行提供一定的理論支持。1保溫層和結(jié)蠟層以某海底原油管道為例,管道中心位于海床下1.5m,鋼管?356×7mm,導(dǎo)熱系數(shù)45W/(m·K);管外的保溫層為聚氨酯保溫材料,厚度35mm,導(dǎo)熱系數(shù)0.035W/(m·K);結(jié)蠟層厚度4mm,導(dǎo)熱系數(shù)2.5W/(m·K);海泥密度為2000kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)2500W/(m·K),比熱容7J/(kg·K)。2海底管道傳熱模型對(duì)于運(yùn)行的海底管道,管內(nèi)油流、管外海泥和海水構(gòu)成了一個(gè)熱力系統(tǒng),因而描述和分析海底管道周?chē)鷾囟葓?chǎng)時(shí),應(yīng)考慮管內(nèi)油流的傳熱、管外海泥的導(dǎo)熱以及海水的對(duì)流換熱3個(gè)方面。由于海底管道在運(yùn)行過(guò)程中,軸向溫降比徑向溫降小得多,故可以忽略軸向溫降,將三維傳熱模型簡(jiǎn)化為二維傳熱模型。圖1為熱力影響區(qū)域的示意圖。綜合考慮管內(nèi)油流、管道結(jié)構(gòu)、管外海泥和海水之間的相互作用,建立海底管道運(yùn)行過(guò)程的傳熱數(shù)學(xué)模型:熱傳導(dǎo)微分方程:?2T?x2+?2T?y2=0?2Τ?x2+?2Τ?y2=0(1)海泥與海水的邊界條件:λ?T?y|y=0=α(Tw?Tf)λ?Τ?y|y=0=α(Τw-Τf)外界海水溫度:T|y>0=Tf輸油管道原油溫度:Tx2+y2<R2=Tin管內(nèi)油溫與管壁的對(duì)流換熱邊界:λg?T?y|r=R=αin(Tin?Tg)λg?Τ?y|r=R=αin(Τin-Τg)保溫層與海泥的邊界條件:λb?T?y=q0λb?Τ?y=q0計(jì)算區(qū)域的絕熱邊界:?T?x|x=L=0?Τ?x|x=L=0式中,Tf為海水溫度,℃;Tw為海底淤泥砂土表面的溫度,℃;Tin為管內(nèi)油品的溫度,℃;Tg為管壁的溫度,℃;λ為海底淤泥質(zhì)砂土的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λg為管壁的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);α為海水對(duì)淤泥質(zhì)砂土的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);αin為管內(nèi)原油與管壁的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)。3數(shù)值模擬和結(jié)果分析3.1輸油溫度對(duì)等溫線分布的影響輸送油品的溫度是影響管道壁面熱量擴(kuò)散的主要因素之一。表1為輸送的油品溫度分別為50℃和60℃時(shí)油品的熱物性參數(shù)。圖2為輸油溫度分別為50℃和60℃時(shí)管道周?chē)暮Ｄ鄿囟葓?chǎng)等溫線分布。可見(jiàn),輸油溫度較高時(shí),管道與周?chē)Ｄ嗟臏夭畲?管內(nèi)油品的熱量向外部擴(kuò)散得多,靠近管道的等溫線分布較稠密。相反,輸油溫度較低時(shí),管道與周?chē)Ｄ嗟臏夭钚?管內(nèi)油品的熱量向外部擴(kuò)散得少,靠近管道的等溫線分布較稀疏。3.2海底管道周?chē)Ｄ鄿囟仍诤５坠艿婪€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),海水流速對(duì)管壁散熱量的影響很小,因此,可以忽略海水流速而只考慮海水溫度對(duì)海泥溫度場(chǎng)的影響。表2為不同海水溫度下對(duì)應(yīng)的海水對(duì)流換熱系數(shù)。圖3為海水溫度分別為4℃、11℃和16℃時(shí)海底管道周?chē)Ｄ嗟臏囟茸兓闆r?？梢?jiàn),海水溫度較低時(shí),管道熱量散失得多。在其他條件相同時(shí),海底管道周?chē)Ｄ嗟臏囟扰c海水溫度是直接相關(guān)的,海水溫度越低,海泥溫度越低,海底管道與周?chē)Ｄ嘀g的溫差越大,管道向海泥擴(kuò)散的熱量也越多。相反,海水溫度越高,海泥溫度越高,管道與海泥之間的溫差變小,管道向海泥擴(kuò)散的熱量也越少。海底管道在運(yùn)行過(guò)程中,夏季海水平均溫度16℃時(shí),輸油溫度可以適當(dāng)降低,而當(dāng)冬季海水平均溫度4℃時(shí),則需要適當(dāng)?shù)靥岣咻斢蜏囟取?.3保溫層對(duì)海泥溫度場(chǎng)的影響3.3.1保溫層導(dǎo)熱系數(shù)圖4為保溫層導(dǎo)熱系數(shù)不同時(shí)管道周?chē)Ｄ鄿囟鹊淖兓闆r?？梢?jiàn),保溫層導(dǎo)熱系數(shù)越大,管道周?chē)Ｄ鄿囟仍礁?。說(shuō)明提高保溫層的保溫性能,可以降低管外海泥的溫度,從而使得管內(nèi)油品的散熱量小,利于油品的輸送。3.3.2保溫層失效前后海底管外溫度對(duì)比海底管道在長(zhǎng)年運(yùn)行過(guò)程中,由于老化,加之海泥中水份、海水沖刷等因素的影響,易產(chǎn)生局部彎曲變形,致使管外套管破裂,地下水滲入到保溫層內(nèi)使得保溫層失效。這不僅使得油品熱量損失,而且水和地下鹽分的滲入還造成管道的腐蝕,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐晒艿佬孤?。圖5為保溫層失效前后海底管道周?chē)鷾囟鹊膶?duì)比。保溫層失效前后的海泥溫度場(chǎng)發(fā)生了明顯的變化。保溫層失效后,在近壁面處,管外海泥溫度明顯高于保溫層完好時(shí)的海泥溫度;距管道越遠(yuǎn),管內(nèi)油流溫度對(duì)海泥溫度的影響明顯減小,保溫失效對(duì)管外海泥的溫度影響也在逐漸減小。4海底管道周?chē)Ｄ鄿囟葘?duì)熱損失的影響通過(guò)對(duì)海底管道周?chē)Ｄ鄿囟葓?chǎng)的數(shù)值模擬,得到了海底管道周?chē)鷾囟葓?chǎng)的分布規(guī)律。結(jié)果表明,輸送油品的溫度是影響管道壁面熱量擴(kuò)散的主要因素之一。海底管道周?chē)Ｄ嗟臏囟扰c海水溫度是直接相關(guān)的,夏季海水溫度較高時(shí),輸油溫度可以適當(dāng)降低