熱油管道沿線土壤導熱系數測試方法優選

王超

摘 要：熱油管道沿線土壤導熱系數是對管道設計、投產、運行階段都有重要影響的基礎參數。土壤導熱系數通過直接影響管道總傳熱系數的大小，并對預熱投產和運行期間管道溫降產生影響。但是土壤導熱系數受到管道沿線地形地貌、土壤類型、氣候環境等因素影響較大，不同管道沿線區域土壤導熱系數可能顯著不同，所以準確了解管道沿線的土壤導熱系數對新建管道投產和運行的安全和經濟性具有重要意義。本研究從分析土壤導熱系數對熱油管道投產和運行影響機理開始，調研了解國內外土壤導熱系數的主要測試方法，對比分析了各種土壤導熱系數測量方法的原理和特點，給出土壤導熱系數測量的推薦方法。

關鍵詞：熱油管道 土壤導熱系數 穩態平板法 熱線法 總傳熱系數

中圖分類號：TE8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0076-02

1 管道沿線土壤導熱系數測試的作用和意義

加熱輸送是我國多數原油管道運行的基本方式，新建熱油管道預熱投產過程中需要建立合適的土壤溫度場，運行過程中需要維持管內原油溫度始終高于最低允許進站溫度。管道投產和運行方案的制定需要對管道熱力條件進行準確計算和預測，土壤導熱系數在管道熱力條件計算中起著重要作用。土壤導熱系數是構成埋地管道總傳熱系數的關鍵因素，總傳熱系數的大小決定了管道沿線熱力參數的計算結果。在管道設計階段，就需要對管道沿線的土壤導熱系數有準確的掌握，以此計算出的熱站間距等參數才能保證管道運行的安全。

已經穩定運行的熱油管道，可以通過穩態運行工況反算管道總傳熱系數，進而計算管段平均土壤導熱系數[1]。但對于新建管道和尚未達到穩定運行的熱油管道，土壤導熱系數多采用經驗取值或類比鄰近管道的土壤導熱系數參數，土壤導熱系數的準確性難以保證。

土壤導熱系數現場測試采用的方法和儀器各不相同，測試結果的準確性也有較大差異，為了提高現場土壤導熱系數測試的精度，提高現場測試的效率，本研究對土壤導熱系數測試的常見兩種方法進行了分析對比。

2 土壤導熱系數測量方法

土壤導熱系數是指通過土壤的熱流密度與溫度梯度之比，指在穩定傳熱條件下，1 m厚均勻土層，兩側表面的溫差為1 ℃，1 s內通過1 m2傳熱面積傳遞的熱量。土壤導熱系數是土壤性質的一種，和所處的溫度、本身厚度等參數無關，一般通過觀測土壤的傳熱過程，統過測量溫度和時間等間接計算得到。土壤導熱系數測量方法主要可以分為穩態法和瞬態法兩類，常見的測量方法主要有以下2種。

2.1 穩態平板法

穩態平板法是國標中規定測試多種材質導熱系數的標準方法【加入導熱系數測試的國標】，其測試原理如圖1所示：

依據傅利葉傳熱定律：

（1）

所以穩態平板法測量土壤導熱系數的計算公式為：

（2）

式中：λ為土壤導熱系數，W/（m·℃）

h為試樣厚度，m；

Q為試樣兩個端面的傳熱速率，W；

S為試樣端面面積，m2；

T1為試樣上端面溫度，℃；

T2為試樣下端面溫度，℃。

穩態平板法測量土壤導熱系數時有測試精度高，測試重復性好，受到環境溫度、濕度等外在因素的影響較小的特點。也是國標規定實驗室測定各種介質導熱系數的標準方法[2]，趙貴章、王文科等[3]在毛烏素沙地測量了土壤導熱系數和含水率的關系時就采用的這種方法。

穩態平板法測試儀器較為復雜，儀器體積和重量不方便現場攜帶。測試樣品的制作過程較為復雜，對樣品的厚度，表面平整度，樣品內部的均勻性都有一定的要求。穩態平板法測試時要求環境溫度，風速等盡可能穩定，否則會對散熱平板產生干擾，現場測試很難達到測試的環境要求。穩態平板法測試時要達到穩定傳熱需要的時間較長。以上因素決定該方法不適用于管道沿線土壤導熱系數的現場測量，但是可以對管道沿線的土壤取樣，并在實驗室中進行測量分析。

2.2 熱線法

熱線法也叫探針法，是測量土壤等粉狀介質導熱系數的常用方法，其測試原理如圖2所示[4]。

熱線法假設探針是長度遠大于直徑的理想熱源，當以恒定功率加熱電熱絲時，距離熱線r處溫度滿足下面表達式[5]：

（3）

式中，θ為過余溫度，℃；

τ為加熱時間，s；

q為電阻絲加熱功率，W；

α為導溫系數，m2/s；

t為τ時刻的溫度，℃；

r為點到熱線的距離，m；

t0為初始溫度，℃；

Ei為指數積分函數，表達式為：

（4）

當忽略Ei的高階無窮小部分以后

（5）

整理得到熱線法測試土壤導熱系數的表達式

（6）

測試過程中測量并記錄q，τ1，t1，τ1，t1，即可求出土壤的導熱系數λ。熱線法主要優點包括測試儀器較小方便攜帶；測試時被測介質溫度不需要達到穩定狀態，測試時間短；測試時把測試探針插入被測介質中，不需要制作專門的測試樣品；測試過程簡單，測試結果可靠，是進行土壤導熱系數現場測試最重要的方法，已經得到了廣泛的應用。

熱線法測試的主要缺點是測試探針需要集成電熱絲和測溫單元，同時保證一定的長徑比和強度，對探針的加工工藝要求較高，測試時需要同時記錄測試時間和探針溫度，對控制器的要求較高，測試儀器價格較高。此外探針需要插入被測介質內部，同時保證和介質的緊密接觸，所以適用于較為松散的土壤，不能測量較為堅硬的土壤。

3 土壤導熱系數測試方法優選

熱油管道里程較長，沿線地形地貌復雜，管道沿線局部影響因素較多，所以需要對管道沿線不同位置的土壤導熱系數分別進行測量。管道沿線的土壤導熱系數可能隨著季節和降雨的影響發生變化，一年中需要進行多次測量。所以如果要對管道沿線土壤導熱系數有深入的了解，就要對針對管道沿線廣泛選取測試點，按一定周期在一年中進行多輪次的測試工作，這要求選擇較為快捷的土壤導熱系數測試方法。

根據以上現場測試管道沿線土壤導熱系數的要求，對多種土壤導熱系數測試方法進行比較，結果見表1。

穩態平板法由于測試精度高，制作的試樣易于對土壤的含水率，密實度，土壤成分等參數進行控制，可以較為準確研究土壤不同條件下的導熱系數的變化規律，該方法也可以用來標定熱線法的測試結果，目前在土壤導熱系數的實驗室研究中有較為廣泛的應用。

4 結論

文中通過對常見的土壤導熱系數測試原理和方法進行對比分析，得到以下結論。

（1）穩態平板法適合對管道沿線的土壤樣品進行實驗室詳細測試。主要特點是測試精度高，重復性好，并能通過調整土壤樣品的含水率、密實度等參數，研究土壤樣品在不同參數下的變化規律，有助于分析管道沿線土壤受降雨等因素影響后的導熱系數變化趨勢。

（2）熱線法是進行管道沿線土壤導熱系數測量的最佳方法。該方法具有測試時間短、精度高，測試儀器便攜性好，測試過程中受環境因素的影響較小，測試時對原狀土的擾動較小等特點，適合進行管道沿線大范圍的現場測試工作。

參考文獻

[1] 崔慧.埋地熱油管道總傳熱系數的研究：油氣儲運[M].2005，24：17-19.

[2] IEEE.Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements.Std 442-1981. BOARD I S.1996.

[3] 趙貴章，王文科，李云良，等.毛烏素沙地典型巖性導熱系數試驗和模型研究[J].西北農林科技大學學報，2010，38：224-228.

[4] 馬然.基于熱探針的高精度多功能熱物性測量系統研究[J].中國科學技術大學熱能工程，2011.

[5] 侯方卓.用探針法測定材料的導熱系數.中國石油大學學報：自然科學版， 1994，18（5）：94-98.