海底热油管道周围温度分布规律研究

海底热油管道周围温度分布规律研究

0海底管道的热传热原油长距离输送和输送是海上气田的主要组成部分。它是连续地输送大量油气最快捷安全和经济可靠的运输方式。海底管道在输送油品的过程中,油品要与管道周围的海泥进行传热,因此,研究海底管道在输送油品过程中海泥的传热问题是十分必要的。本文主要应用CFD软件,利用有限容积法对方程进行离散,采用SIMPLE算法进行求解,分析输油温度、海水温度、保温层等对海底管道周围海泥温度场的影响。准确模拟了海底输油管道在运行过程中管道周围海泥温度场的分布情况,为海底管道安全、高效地运行提供一定的理论支持。1保温层和结蜡层以某海底原油管道为例,管道中心位于海床下1.5m,钢管∅356×7mm,导热系数45W/(m·K);管外的保温层为聚氨酯保温材料,厚度35mm,导热系数0.035W/(m·K);结蜡层厚度4mm,导热系数2.5W/(m·K);海泥密度为2000kg/m3,导热系数2500W/(m·K),比热容7J/(kg·K)。2海底管道传热模型对于运行的海底管道,管内油流、管外海泥和海水构成了一个热力系统,因而描述和分析海底管道周围温度场时,应考虑管内油流的传热、管外海泥的导热以及海水的对流换热3个方面。由于海底管道在运行过程中,轴向温降比径向温降小得多,故可以忽略轴向温降,将三维传热模型简化为二维传热模型。图1为热力影响区域的示意图。综合考虑管内油流、管道结构、管外海泥和海水之间的相互作用,建立海底管道运行过程的传热数学模型:热传导微分方程:∂2T∂x2+∂2T∂y2=0∂2Τ∂x2+∂2Τ∂y2=0(1)海泥与海水的边界条件:λ∂T∂y|y=0=α(Tw−Tf)λ∂Τ∂y|y=0=α(Τw-Τf)外界海水温度:T|y>0=Tf输油管道原油温度:Tx2+y2<R2=Tin管内油温与管壁的对流换热边界:λg∂T∂y|r=R=αin(Tin−Tg)λg∂Τ∂y|r=R=αin(Τin-Τg)保温层与海泥的边界条件:λb∂T∂y=q0λb∂Τ∂y=q0计算区域的绝热边界:∂T∂x|x=L=0∂Τ∂x|x=L=0式中,Tf为海水温度,℃;Tw为海底淤泥砂土表面的温度,℃;Tin为管内油品的温度,℃;Tg为管壁的温度,℃;λ为海底淤泥质砂土的导热系数,W/(m·K);λg为管壁的导热系数,W/(m·K);α为海水对淤泥质砂土的对流换热系数,W/(m2·K);αin为管内原油与管壁的对流换热系数,W/(m2·K)。3数值模拟和结果分析3.1输油温度对等温线分布的影响输送油品的温度是影响管道壁面热量扩散的主要因素之一。表1为输送的油品温度分别为50℃和60℃时油品的热物性参数。图2为输油温度分别为50℃和60℃时管道周围的海泥温度场等温线分布。可见,输油温度较高时,管道与周围海泥的温差大,管内油品的热量向外部扩散得多,靠近管道的等温线分布较稠密。相反,输油温度较低时,管道与周围海泥的温差小,管内油品的热量向外部扩散得少,靠近管道的等温线分布较稀疏。3.2海底管道周围海泥温度在海底管道稳态运行时,海水流速对管壁散热量的影响很小,因此,可以忽略海水流速而只考虑海水温度对海泥温度场的影响。表2为不同海水温度下对应的海水对流换热系数。图3为海水温度分别为4℃、11℃和16℃时海底管道周围海泥的温度变化情况。可见,海水温度较低时,管道热量散失得多。在其他条件相同时,海底管道周围海泥的温度与海水温度是直接相关的,海水温度越低,海泥温度越低,海底管道与周围海泥之间的温差越大,管道向海泥扩散的热量也越多。相反,海水温度越高,海泥温度越高,管道与海泥之间的温差变小,管道向海泥扩散的热量也越少。海底管道在运行过程中,夏季海水平均温度16℃时,输油温度可以适当降低,而当冬季海水平均温度4℃时,则需要适当地提高输油温度。3.3保温层对海泥温度场的影响3.3.1保温层导热系数图4为保温层导热系数不同时管道周围海泥温度的变化情况。可见,保温层导热系数越大,管道周围海泥温度越高。说明提高保温层的保温性能,可以降低管外海泥的温度,从而使得管内油品的散热量小,利于油品的输送。3.3.2保温层失效前后海底管外温度对比海底管道在长年运行过程中,由于老化,加之海泥中水份、海水冲刷等因素的影响,易产生局部弯曲变形,致使管外套管破裂,地下水渗入到保温层内使得保温层失效。这不仅使得油品热量损失,而且水和地下盐分的渗入还造成管道的腐蚀,严重时甚至会造成管道泄漏。图5为保温层失效前后海底管道周围温度的对比。保温层失效前后的海泥温度场发生了明显的变化。保温层失效后,在近壁面处,管外海泥温度明显高于保温层完好时的海泥温度;距管道越远,管内油流温度对海泥温度的影响明显减小,保温失效对管外海泥的温度影响也在逐渐减小。4海底管道周围海泥温度对热损失的影响通过对海底管道周围海泥温度场的数值模拟,得到了海底管道周围温度场的分布规律。结果表明,输送油品的温度是影响管道壁面热量扩散的主要因素之一。海底管道周围海泥的温度与海水温度是直接相关的,夏季海水温度较高时,输油温度可以适当降低