兩相閉式熱虹吸管在寒區埋地輸油管道安裝方式及降溫效果研究

隗偉，楊峻

（南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816）

兩相閉式熱虹吸管在寒區埋地輸油管道安裝方式及降溫效果研究

隗偉，楊峻

（南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816）

考慮全球變暖因素，建立熱虹吸管（熱管），輸油管道和多年凍土的傳熱耦合模型?；诖四Ｐ筒捎弥卸磔斢凸艿雷鳛檠芯繉ο?，研究多種熱管安裝方式的降溫效果，分析最佳安裝方式的溫度場規律。結果說明：熱管降溫效果顯著，且雙側90°安裝的效果最佳。另外，熱管在埋入前兩年內，15 m以下土壤地溫為-1.5℃（初始值地溫），而在熱管埋入的第3年起，冷量的積累開始影響深層土壤，在第30年的到達最大儲冷量，地溫開始回升，在第50年時深處地溫升至正溫0.83℃。

熱管；多年凍土；中俄輸油管道

原油管道作為石油輸送的重要方式之一，多有管線穿越寒區的工程。這些工程內的原油由于低凝脂性采用加熱輸送，以保證原油的流動性[1]。這便使得寒區多年凍土的穩定性極易產生破壞，使得寒區輸油管道土層造成不同程度的下沉，繼而造成輸油管道破壞[2]。

中俄輸油管道作為我國典型的寒區輸油管道，其穿越大小興安嶺地區為歐亞大陸多年凍土南邊緣，環境溫度偏高，多年凍土對氣候變化異常敏感[3]。而且工程為了防止火災，全線采用埋地方式填埋，管道運行5年來部分管段下沉顯著[4]。

目前熱管技術在寒區土木工程中有著廣泛的應用[5]，但是在于寒區埋地輸油管道工程中研究較少，本文將以中俄輸油管道為研究對象，采用數值模擬技術研究熱管多種安裝方式下的降溫效果，以期獲得最佳的安裝方式，并對比現在輸油管道的普通填埋方式，研究熱管最佳安裝方式的降溫規律。

1 計算模型

1.1 物理模型

本文研究的埋地輸油管道地處塔河地區，其為我國多年凍土發育地帶，為了研究熱管的降溫效果，需做出以下假設:1）土體均質連續、各向同性；2）不考慮溫度勢能所引起的水分遷移；3）熱管的傳熱特性視為等效的傳熱金屬棒。

在考慮到熱管的安裝方式，埋地輸油管道模型，并依據試驗段的實際勘測,埋地輸油管道周圍土壤分為上層0.8 m的泥炭質粘土Ⅰ，中層5.4 m粉質粘土Ⅱ，下層13.8 m強化砂巖Ⅲ，以及計算域輸油管道和保溫層如圖1所示。

圖1 物理模型Fig.1Thephysicalmodel

1.2 熱管等效模型

熱管是一種具有復雜機理的高效傳熱設備，為了簡化其傳熱特性，本文將其等效為傳熱金屬棒。同時考慮到熱管的單向導熱特性，采用一維變導熱系數的傳熱控制方程：

式中：Ch—熱管等效常壓熱容量,J/(kg·K)；

T、T—蒸發段與冷凝段的平均溫度，K；

ec

Δ T —熱管的啟動溫差，取0.8℃，

λhe—熱管等效導熱系數。

根據汪雙杰[6]的研究：

式中：Rt—熱管總等效熱阻；

do、di—熱管外、內管徑，m；

λb—熱管管壁導熱系W/(m·K)；

l、le、lc—熱管的總長度，蒸發段長度和冷凝段長度，m；

hi,e、hi,c—蒸發段與冷凝段內壁表面換熱系數，W/(m2·K)；

Sc—翅片熱傳導的形狀因子。

所采用熱管具體幾何參數，如表1。

1.3 多年凍土溫度場控制方程及熱物性參數

在忽略水分遷移，采用大顯容法建立二維溫度場方程，具體物性參數見表2。

式中：C—凍土等效熱容，J/(kg·K);

se

λse—凍土等效導熱系數，W/(m·K);

Cf、Cu—凍、融土土壤熱容，J/(kg·K);

λf、λu—凍、融土土壤導熱系數，W/(m·K);

ρs—土壤密度kg/m3;

Tt、T—凍土劇烈相變區域上下溫度值，本文取-0.25℃，-0.75℃。

b

表1 熱管幾何參數Table 1 Geometric parameters of thermosyphon

表2 土壤熱物參數Table 2 The thermal parameters of soil

1.4 邊界條件

凍土上邊界：

式中：αe——大氣與地表之間的換熱系數；

T——考慮全球氣溫增溫性的影響擬合而獲得的試驗段當地氣

e溫溫度曲線。

凍土底面邊界：為地中熱流0.06W/m2

式中：αh—管道總的傳熱系數，W/(m2·K)；

Tin—管道油溫,20℃。

熱管的邊界條件：

式中：Tc—冷凝段表面壁溫；

hc—熱管冷凝段表面傳熱系數，W/(m2·K)；

r1， r2—翅片的基圓半徑和外圓半徑， r2=r1+Hc，

Hc—翅片的高度；

sf—翅片間的輻射的影響因子，取2.5。

ha—空氣到熱管的冷凝段外壁的表面換熱系數，取30 W/(m2·K)；

n—熱管冷凝段的翅片數；

ηf—翅片換熱效率，取0.9。

2 結果分析

熱管有著單向導熱特性，在每年10月份由于地溫高于大氣氣溫啟動工作，在次年3月份由于地溫低于大氣氣溫而停止工作。為了研究熱管最佳安裝方式，對比第50年10月份埋地輸油管道下土壤的平均地溫。

本文根據熱管距離輸油管道垂直距離1.7m設置，單雙根熱管90°、30°、15°共6種安裝方式，圖2為不同安裝方式的第50年12月份地溫分布情況，從圖中可以看出單側布置熱管（圖2a，b，c）所形成的溫度場有著明顯的不均勻性，在管道運行到夏季時，管道周圍土壤易發生不均性融沉，管道承受徑向不均性應力。

圖2 不同安裝方式第50年12月份溫度場分布圖Fig.2Thetemperaturefielddistributionofdifferentinstallation waysinDecemberofthe50thyear

在圖2d，f，e雙側布置熱管的方式，輸油管道周圍土壤的溫度場對稱均勻，同時在熱管傾斜15°，30°，90°安裝方式的深層土壤下的負溫分別是-2.0，-1.6，-2.8℃。另外，對比圖2d、e和f可以發現，30°的降溫效果最差，90°的最好，這說明土壤深層的溫度與熱管的傾斜角度成反比。

在圖3中給出隨著管道運營周期變化，不同熱管安裝方式，管道周圍土壤最大融化深度的變化。

在圖3中我們可以看出單熱管布置的最大融化深度普遍低于雙熱管布置方式。對于雙熱管90°與15°布置的最大化深度在2～3 m，且融化速率明顯低于其他四種。

圖3 管道周圍土壤最大融化深度隨時間變化曲Fig.3Thecurveofthemaximumthawingdepthofsoil aroundoilpipeline

另外，雙熱管30°的降溫效果，明顯對于15°和90°，這是因為兩根30°安裝的熱管的蒸發段之間的間距較小，其熱管的降溫作用相互影響，兩個熱管之間形成的熱影響范圍小于15°和90°。

圖4 熱管雙側90°安裝的埋地輸油管道下隨深度變化的地溫曲線Fig.4Temperaturecurves withdepthofsoilunderoil pipelinebyheatpipeinstalledbydouble90°way

從前面的分析可以得，熱管的最佳安裝方式為雙側90°，在圖4中為不同時間，輸油管道底部下，地溫隨深度變化曲線。圖中說明了熱管在埋入前兩年內，15 m以下土壤地溫為-1.5℃（計算初始值），而在熱管埋入的第三年起，冷量的積累開始影響深層土壤，在第30年的到達最大儲冷量，地溫開始回升，在第50年時深處地溫升至正溫0.83℃。對比圖5無熱管安裝的隨輸油管道地溫深度的地溫變化曲線，可以發現低溫在前兩年-11 m以下的深度，地溫為初始地溫，隨著時間的增加，地溫開始升溫，土壤深處的地溫也發生升溫現象。

圖5 無熱管的埋地輸油管道下隨深度變化的地溫曲線Fig.5Temperaturecurves withdepthofsoilunderoil pipeline withoutheatpipe

3 結論

（1）熱管的多種安裝方式，單側安裝所形成的溫度場不均勻，且降溫效果不及雙側安裝，另外土壤深層的溫度與熱管的傾斜角度成反比，故雙側90°安裝，降溫效果最佳。

（2）雙熱管30°的降溫效果，明顯對于15°和90°，這是因為兩根30°安裝的熱管的蒸發段之間的間距較小，其熱管的降溫作用相互影響，兩個熱管之間形成的熱影響范圍小于15°和90°。

（3）熱管在埋入前兩年內，15 m以下土壤地溫為-1.5℃（計算初始值），而在熱管埋入的第三年起，冷量的積累開始影響深層土壤，在第30年的到達最大儲冷量，地溫開始回升，在第50年時深處地溫升至正溫。

［1］吳彥東.寒區埋地熱油管道周圍土壤凍脹融沉數值分析[J].當代化工，2011，402(2)：157-160.

［2］王勇，吳亞平，郭春香.多年凍土區埋地輸油管道的應力及變形分析[J].蘭州交通大學學報，2008，27(4)：44-46.

［3］楊思忠，金會軍，于少鵬.中俄輸油管道(漠河-大慶段)主要凍土環境問題探析[J].冰川凍土，2010，32(2)：358-365.

［4］李國玉，馬巍，王學力.中俄原油管道莫大線運營后面臨一些凍害問題及防治措施建議[J].巖土力學，2015，36(10)：2963-297.

［5］Sergei G.Heat pump application in permafrost engineering[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2004，26(Sup):220-226.

［6］汪雙杰，陳建兵.熱棒路基降溫效應的數值模擬[J].交通運輸工程學報，2005（3）：41-46.

Study on Installation Method and Cooling Effect of Two-Phase Closed Thermosyphon in Cold Area Buried Oil Pipelines

WEIWei,YANG Jun
（CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingTechUniversity,Jiangsu Nanjing211816，China）

Considering the global warming factors,a coupling model was established among heat pipe,oil pipeline and permafrost.Taking China-Russia oil pipeline as the research object,the cooling effect of thermosyphon installed by different ways was studied by the model.At the same time,the temperature field of thermosyphon installed by the best way was analyzed.The results showed that the cooling effect of thermosyphon was significant,and the effect of 90°bilateral installation way was the best.In addition,the low gravity heat pipe was buried in the last two years,the soil temperature was-1.5 ℃（initial temperature）under 15 m.When the low gravity heat pipe was buried in the third year,the cold accumulation began to affect the deep soil.The cold storage can reach the maximum in the thirty year.In the fiftieth year,the deep temperature can rise to positive temperature of 0.83℃.

Thermosyphon;Permafrost；China-Russia oil pipeline

TE 832

A

1671-0460（2017）11-2346-04

2017-03-29

隗偉（1988-），男，安徽省壽縣人，碩士，2017年畢業于南京工業大學機械工程專業，從事高性能傳熱設備研究。E-mail：weiwei857306996@163.com。

楊峻（1965-），女，副教授，工學博士，從事高性能傳熱設備研究。E-mail：yangjun@njtech.edu.cn。