埋地輸油管道泄漏污染物熱力遷移實驗技術研究進展

吳國忠， 郭恩玥 ，齊晗兵，周英明，李棟

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163318）

隨著我國經濟和社會的快速發展，對能源的需求亦在不斷的加大。石油作為主要的能源之一，其開采、運輸和儲存早已成為能源利用中的重中之重。其中管道運輸作為運輸手段中長期、穩定、高效的運輸方式，被越來越多的采用。大量建設輸油管道除了增加經濟效益外，也帶來了相應的危害。近年來管道腐蝕、破裂的現象不斷發生，輸油管道的泄漏為安全輸油帶來了安全隱患，影響了正常輸送，造成了大量經濟損失，與此同時，由于石油污染物存在三致（致癌、致畸和致基因突變），其泄漏對當地的土壤、生態環境和地下水源易造成災難性的破壞。因此，輸油管道泄漏的檢測、污染物擴散的控制防護與被污染的土壤的修復成為了當今研究的重要課題。

國內外對石油類污染物的研究開始于 20世紀中期，研究人員通過各種實驗方法研究石油類污染物的遷移規律以及遷移機理。埋地輸油管道泄漏污染物的熱力遷移屬于非水相流體在多孔介質中遷移的范疇。管道泄漏污染物在多孔介質中遷移的過程中通常都會伴有介質熱力和水力參數的改變，如何獲得這些可以表征污染物在多孔介質中遷移規律的參數成為研究污染物遷移的基礎之一。這其中最主要的兩個表征量就是遷移過程中多孔介質的溫度場和含水率的變化。溫度場測量通過測溫裝置來測定，目前常用的裝置有熱敏電阻、熱電偶和紅外熱像儀。測量含水率最基礎，也是最常用的是稱重法，近年來采用介電常數法來測量含水率的方法逐漸被研究者們所采用。在污染物熱力遷移的實驗裝置方面，實驗裝置經歷了從一維實驗逐步過渡到二維實驗的轉變，并且已經有部分學者采用更符合遷移過程的三維實驗裝置進行實驗研究。

1 熱力遷移參數測量

埋地管道泄漏污染物熱力遷移屬于非水相流體在多孔介質中遷移的范疇。影響其熱力遷移過程的因素是多種多樣的，目前研究者實驗的重點是考慮多孔介質的溫度分布、水分分布、粒徑分布、液塑性、相對密度、有機質含量、毛細壓力和多孔介質容重等因素對污染物熱力遷移的影響。這其中最普遍、也是影響較大的即為多孔介質溫度和水分的分布。本文將重點介紹下著兩種參數目前的獲取方法

1.1 溫度

溫度的測量方法通常可以分為兩類：接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測溫方法主要有膨脹式、電量式和光電熱色法。膨脹式測溫主要利用物質的熱脹冷縮原理進行測量。其方法簡單，價格低廉，但是的易壞，數據轉換成電子信號困難，不便于遠傳記錄，且準確度較低。由于埋地管道泄漏污染物多在土壤等多孔介質中，要求測溫裝置有一定的強度，數據便于遠傳和自動記錄，不適合采用膨脹式測溫。接觸式光電、熱色測溫近年來發展迅速，其要求與被測的對象接觸，利用光電轉換元件使由溫度變化引起的光信號和熱輻射信號轉換為可被儀器檢測的電信號進行測量。其缺點是會干擾被測對象的溫度場。目前國內外的研究者多采用的是電量式測溫方法，也有部分研究者采用非接觸式的紅外熱像裝置測溫度差。本文主要介紹三種主要的測試方法：熱敏電阻、熱電偶和紅外熱像儀。熱敏電阻具有信號大，準確度較高的優點，其常唱用在溫變不大的場所。熱電偶結構簡單，體積較小，且具有較廣的測溫范圍，常常用于壁面、具有一定埋深的地方。紅外熱像儀可以實時獲得被測物體的溫度場，并且可以用偽彩色直觀的顯示被測物的溫度，且其溫度分辨率高，目前正逐漸被人們所采用。

1.1.1 熱電阻

熱電阻原理是利用材料的溫度和電阻值有一定的關系進行溫度的測量，它通常是導體或者半導體材料，它可以把利用電阻值與溫度的關系，將電流值遠傳至計算機或二次儀表上，便于控制和自動記錄。目前應用最廣泛的是鉑電阻和銅電阻，諸如銠和鎳等材料也逐漸被人們應用到熱電阻材料當中。其類型主要分為四種：普通型熱電阻、鎧裝熱電阻、端末熱電阻、隔爆型熱電阻。鎧裝熱電阻是由不銹鋼套管組成的，具有一定硬度，內含引線、感溫元件和絕緣材料，其優點在于體積小，內部無空氣隙，機械性能好、耐震、抗沖擊，鎧裝熱電阻可以彎曲，便于安裝，且其使用壽命較長，適用于需長時間測量。端面熱電阻主要用于測量端面的溫度，例如軸、機件等。適宜用于測量軸瓦和機件的端面溫度。隔爆型的熱電阻具有一種特殊的接線盒，它把爆炸性混合氣體的爆炸局限在接線盒內，不會引起超爆炸，使用于具有爆炸危險場所的溫度測量。

由上可知，在測量污染物熱力遷移過程的溫度過程中，需要長時間測量時可以采取使用熱電阻測溫的方式，而鎧裝熱電阻的優異性能使它在污染物熱力遷移實驗的過程中應用最為廣泛。如劉業鳳[1]等利用鎧裝 PT100熱電阻測試地下土壤不同深度（10、20、40、60、80 m）一年內溫度的變化趨勢。陳益明[2]采用鎧裝 PT100熱電阻在哈爾濱冬季室外的低溫環境進行了實驗，證明鎧裝 PT100熱電阻可以在室外低溫下使用。此外還有Cu50型熱電阻，其材料為銅電阻，溫度范圍-50～100℃，銅熱電阻的價格便宜，線性度好。但因銅電阻怕潮濕，易被腐蝕，熔點亦低，不適合在污染物熱力遷移實驗過程中采用。

1.1.2 熱電偶

熱電偶通過溫度與熱電勢的關系來測量溫度，它是將兩種不同的金屬材料的一端焊接在一起，另一端作為參考段（通常放在冰水混合物中），這時當測量端與參考端產生溫差就會有熱電勢產生，然后利用電勢與溫度的對應關系來測溫。熱電偶的結構非常簡單，測量精度高，響應的速度快，且不受中間介質的影響，其測量范圍廣，常用的熱電偶從零下50～1 600 ℃均可連續測量，適宜遠距離測量和自動控制的特點，應用比較廣泛。熱電偶通常分為 S型、R型、B型、K型、T型、N型和E型熱電偶。由于S型、R型和B型熱地熱電偶價格較高，在污染物熱力遷移實驗中，經常需要使用大量的熱電偶，所以較少采用此三型號的熱電偶。常用的即為T型銅-康銅熱電偶和K型鎳鉻-鎳硅熱電偶。

熱電偶體積較小，可以分層較為緊密的多點布置，便于的得到更完整的溫度場，如王華軍[3]等在土壤高溫儲熱條件下熱濕遷移過程的實驗研究中采用銅-康銅來得到不深度下的溫度場，其在實驗的箱體內分三層布置熱電偶，深度分別的 20、40和60 cm，每層沿徑向布置4個銅-康銅熱電偶來記錄溫度，從而獲得其溫度場。楊金國[4]等為了測量自然環境條件下土壤床的溫度場，沿土壤床水平方向和高度方向分別布置了15對銅-康銅熱電偶，連接溫度巡檢儀，每隔1 h采樣1次，存貯數據，在間隔期間，可以從顯示器上隨時觀察溫度隨時間高度和水平位置的變化。

銅-康銅熱電偶的精度高，再現性好，但其測溫范圍較窄，耐氧化性不強。根據具體的實驗要求可以采用不同材質的熱電偶材料，如陳振乾[5]等采用直徑為0.2 mm的鎳鉻-鎳硅熱電偶，測量大氣對流對土壤內熱濕遷移的影響，鎳鉻-鎳硅熱電偶溫度范圍為0～1 000 ℃，且其在1 000 ℃以下的耐氧化性良好。

1.1.3 紅外熱像

紅外熱像技術是采用獲取被測物體的紅外輻射來得到被測物體溫度場的一種技術。最常采用的設備就是紅外熱像儀，它利用內置的紅外探測器，掃面被測物體的紅外射線，經過信號處理轉化為可是的紅外熱圖像。其優點在于溫度分辨力高， 能準確區分的溫度差甚至達 0.01 ℃以下。并且由于可以實時的顯示被測物體表面的溫度分布，使得觀察溫度場分布變化變的十分方便，其圖像可以記錄，便于對比分析。

但這種設備得到的物體表面溫度不是直接測量而得，它是由測量的輻射能量通過設定參數計算而得，這就使得在測量的過程中，測量的精度容易受到被測物體和周圍環境的影響，例如被測物體的反射率、吸收率，環境溫度等。

如劉斐[6]等采用 IRI1011紅外熱像儀測量土壤溫度，分別得到了不同深度0～5、0～10、0～15、0～20 cm的土壤溫度；王久龍[7]利用ThermaCAMTM P30紅外熱像儀測試了埋地管道在泄漏前和泄漏后的土壤溫度場（如圖1），分析并建立了管道泄漏熱影響區溫度場的變形，確定埋地管道泄漏地表面溫度場變化規律。

圖1 紅外熱像儀得到的表面溫度場[7]Fig.1 Surface temperature field by infrared camera[7]

1.2 含水率

多孔介質的含水率是污染物熱力遷移過程中的基礎參數之一，其測量方法已經從過去的單一稱重法，發展為多種多樣的方法，如介電常數、張力計，光學法等。在這其中較為成熟的為稱重法和介電常數法，這兩種方法也是目前常用的方法。稱重法的優點在于，計算方便，可以得到較準確的結果，是目前實驗室最常采用的方法。但是由于每次測量都需要取樣烘干，取樣會破壞實驗土壤的結構，且烘干時間較長，無法實時的反映土壤的含水率。針對此種狀況，介電常數法開始逐級被人們采用，其可以快速的反映土壤的含水率，但其準確度還有待于提高。

1.2.1 稱重法

稱重法是傳統的通過烘干直接測量土壤中水分含量的方法。它需要制取土樣，記錄土樣的濕重，然后講土樣放置在烘箱內烘干至衡中，，然后測定烘干土樣，記作土樣的干重，根據公式，即可計算出土樣的重量含水率。烘干法的優點是操作簡單，對設備要求不高，結果直觀，對于樣品本身而言結果可靠。缺點是采樣會干擾土壤水的連續性，深層取樣困難，測量必須要在實驗室完成，費時費力，不能做定點連續監測，同時由于取樣的變異系數較大，稱重法取樣代表性較差；而且稱重法只能得出土壤的重量含水率，應用不方便，如果將稱重法用于標定其實測量方法的時候，有時必須將重量含水率轉換成體積含水率，這時則要求測量樣本的干容重，而求干容重也是很不方便的。

如姚海林[8]等采用稱重法法測得高嶺土和蒙脫土不同配比情況下的含水率，實驗制備了兩組土樣：一組土樣先放入水中，待其完全吸水飽和后，重新放入干燥器中脫水，然后測量；另一組直接脫水測量。

1.2.2 介電常數法

介電常數法的原理是多孔介質的介電常數是與它的含水率有關的。在測量同一種多孔介質的含水率時，只其知道其電阻值與含水量的關系，就可以得到被測介質的含水率值。其優點是成本低，可重復利用，可用于定點監測等。其缺點是有滯后，測量范圍有限，受土壤含鹽量的影響大。

劉炳成[9]等采用澳大利亞 ICT公司生產的MP-406水分探頭測量土壤的含水率，將水分探頭從側面插入被測土壤所在試驗箱，測定距土表5 cm和15 cm處的土壤含水率，實驗表明含水率較低的淺層土壤受溫度梯度引起的濕分遷移較小，在含水量中的呢過程度的較深層土壤中，溫度效應比較明顯。

2 污染物熱力遷移實驗

2.1 一維實驗

在早起的污染物熱力遷移實驗研究方面，主要是研究污染物泄漏或其在多孔介質中的遷移趨勢和遷移機制方面。其實驗所用多數采用一維裝置。一維實驗裝置由于其便于實驗，針對性較強，一直以來都被廣泛使用。國內的研究學者采用一維柱體實驗研究熱濕的遷移距離。張玲[11]等為了研究土壤中溫度的變化對其水分遷移的影響，建立了一維土柱熱濕傳遞實驗裝置，其裝置采用直徑為 75 mm的UPVC管1 m，內填滿土，做成土柱，土柱一側恒溫加熱，另一側嚴格保冷。采用銅-康銅熱電偶測定溫度，烘干法測量土壤中的水分。其實驗表明，冷熱段溫差不同對土柱溫度梯度的影響遠大于對溫度傳遞的距離的影響。

2.2 二維實驗

一維實驗具有實驗簡便，針對性強的特點，但由于其遷移受空間影響，其獲得的實驗數據受到了尺寸上的干擾，難以充分反映遷移過程的特征。尤其在反應污染物水平方向上的遷移上，這就要求實驗技術在反映污染物遷移規律上有待改進。

圖2 二維有機玻璃砂槽[12]Fig.2 Dimensional sand traps of plexiglass[12]

因此，通過二維實驗研究污染物遷移的遷移規律逐漸被人們采用。如國內的李永濤[12]等結合以往的二維實驗裝置（圖 2）采用用有機玻璃制成的二維有機玻璃砂槽，該滲流砂槽長80 cm、高70 cm、寬10 cm，為使研究者能觀看油品的流動，采用溶于水而不溶于油的蘇丹染料使油染成紅色，便于觀察油流的鋒面形狀。實驗結果表明：在各項性質相同的多孔介質中，其污染物在泄漏過程中的鋒面始終是軸對稱的，且其以泄漏點為對稱軸。在泄漏初始階段，水平擴散明顯弱于垂直運移，之后鋒面開始變的不規則，以餅狀形式橫向擴展。

2.3 三維實驗

二維實驗雖然在可以在一定程度上滿足污染物在水平方向遷移的研究，但是由于二維裝置的尺度效應問題，限制了污染物向各個方向的擴散，這亦會影響污染物在垂直上的熱力遷移，因此，已經有部分研究人員采用三維的實驗裝置進行污染物熱力遷移的實驗。王久龍[7]設計了三維埋地管道實驗裝置，實驗沙箱用厚5 mm的鋼板焊接，四周包覆50 mm的聚乙烯苯板保溫，內布置熱電偶采取溫度，配有可調節溫度水箱以及加熱裝置，在泄漏點處安裝控制閥門，通過控制閥門開度來控制泄漏量，在泄漏過程中采用紅外熱成像設備得到了埋地管道泄漏點附近土壤的溫度場變化，通過比較管道地表與背景地表的溫差帶，以及泄漏區域和非泄漏區域的溫度場紅外熱像圖來判斷是否泄漏。其實驗結果表明利用紅外成像裝置可以判斷埋地管道的泄漏。

3 結 論

（1）目前國內外研究者主要采用熱電偶來測量埋地管道污染物泄漏過程中的土壤和管道的溫度，采用紅外熱像設備獲得埋地溫度場試驗的較少，主要原因在于熱電偶的結構簡單，響應速度快，可以遠距離測量，配合巡檢儀等設備使用可以自動記錄，而且其價格低廉安裝方便。然而由于熱電偶測的是各布置點的溫度，在反映溫度場邊界連續性上較差，以及對所測溫度有更高的要求，鑒于紅外熱像設備可以直觀的反映物體的溫度場，溫度分辨能力高，采用紅外熱像儀獲得土壤溫度場的方法會越來越受到重視和采用。

（2）在對土壤含水率的測量過程中，國內外最普遍的做法仍然是采用烘干法。由于烘干法要求取樣烘干，在實驗過程中不僅會破壞土壤結構，而且無法得到瞬時含水率數值，采用介電常數法測量含水率的設備逐漸被人們所采用。但現在的采用此法測定含水率的儀器有共同的問題：針對不同導電率的介質，其電信號與含水率的函數關系不固定，這就要求針對不同導電率的介質，要重新標定確定函數關系；并且其反應速度受環境影響較大，所測數值易受外界干擾。以上介電常數法測定含水率的問題需要亟待解決，需要研究者們給予重點關注。

（3）現階段在進行污染物遷移的實驗研究中，多數為一維、二維實驗的實驗裝置，由于一維、二維的實驗裝置都存在在一定局限性，其在水平各方向的限制又會影響到污染物的垂直遷移，因此，各實驗研究者應該更積極的設計使用三維實驗裝置，完善埋地管道污染物熱力遷移的實驗手段。

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