基于FLUENT的試壓海底管道傳熱特性分析

王 軍，李友行，鄭秋明，袁朝綱，鄭松賢，羅 召

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

基于FLUENT的試壓海底管道傳熱特性分析

王 軍，李友行，鄭秋明，袁朝綱，鄭松賢，羅 召

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

海底管道投產(chǎn)前的試壓工作是保證管道安全可靠運行的重要環(huán)節(jié)。試壓過程中，當(dāng)海底管道內(nèi)試壓海水與周圍環(huán)境存在溫差時，熱量交換會導(dǎo)致試壓海水溫度發(fā)生變化。以單層保溫配重管為例，根據(jù)傳熱學(xué)原理建立試壓海底管道與周圍環(huán)境傳熱的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用FLUENT軟件模擬計算海底管道內(nèi)試壓海水溫度場的變化及其引起的壓力變化。結(jié)果表明：試壓初期，試壓海水與周圍環(huán)境溫差較大，試壓海水溫度變化明顯，隨著熱交換的進(jìn)行，試壓海水與周圍環(huán)境溫度逐漸趨于一致；試壓海水的溫度變化導(dǎo)致壓力變化，保壓前熱交換時間越長，保壓期間溫度變化對壓力造成的影響越小。

水壓試驗；傳熱特性；壓力變化；FLUENT

海底管道（以下簡稱海管）投產(chǎn)前的試壓工作是保證管道安全可靠運行的重要環(huán)節(jié)。該過程將一定量的試壓介質(zhì)（海洋工程中通常為海水）注入海管內(nèi)使其達(dá)到試驗壓力，穩(wěn)壓24 h，觀察壓力變化是否符合要求[1]。在試壓過程中，當(dāng)管內(nèi)試壓海水與周圍環(huán)境存在溫差時，會產(chǎn)生熱量交換，導(dǎo)致試壓海水溫度發(fā)生變化，而溫度變化會導(dǎo)致壓力波動，若保壓期內(nèi)溫度變化很大，試壓結(jié)果無法滿足規(guī)范要求。由于海底管道系統(tǒng)最終試壓驗收時間的長短直接關(guān)系到施工資源的投入和油田投產(chǎn)時間，在保證管道質(zhì)量的前提下，更快地完成海底管道的驗收工作是施工方與業(yè)主方共同追求的目標(biāo)。

目前關(guān)于海管傳熱特性的研究主要集中在海管停輸期間溫度場變化研究[2-4]，針對試壓海管傳熱特性及對壓力影響的研究很少。本文依據(jù)傳熱學(xué)和水力學(xué)基本理論建立海底埋設(shè)管道傳熱的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用FLUENT軟件，模擬了海管內(nèi)試壓介質(zhì)溫度場的變化，并對溫度引起的壓力變化進(jìn)行研究，研究結(jié)果對提高試壓一次合格率有重要指導(dǎo)意義。

1 海管傳熱物理模型及網(wǎng)格劃分

本文針對海底管道內(nèi)試壓介質(zhì)溫度變化展開相應(yīng)研究。首先建立海底埋設(shè)管道的物理模型。設(shè)海管埋設(shè)高度H1；距海底一定深度H處存在恒溫層[5]，海水及海底管道傳熱對該處影響很小，可認(rèn)為該處溫度恒定不變，設(shè)為TH；距管道水平方向一定距離L處，管道傳熱對其溫度變化忽略不計，可認(rèn)為是絕熱邊界；同時忽略管道軸向散熱，徑向方向假設(shè)試壓介質(zhì)初始溫度相同。這樣得到的海底埋設(shè)管道的物理模型為邊長2L、深度H的矩形區(qū)域中有一圓形區(qū)域散熱。由于海管周圍溫度場分布是關(guān)于管道中心對稱的，所以研究其傳熱問題，只考慮一側(cè)即可[6]，如圖1所示。

圖1 海底試壓管道傳熱的物理模型

本文以12 in（1 in=25.4 mm）單層保溫配重海管為例，保溫層厚度25 mm，混凝土配重層厚度40 mm。利用FLUENT的前處理軟件GAMBIT建立幾何結(jié)構(gòu)并采用四邊形網(wǎng)格對物理模型進(jìn)行劃分[7]。

2 數(shù)學(xué)模型

試壓介質(zhì)與外界的傳熱過程包括介質(zhì)與海管內(nèi)壁的對流換熱，海管內(nèi)壁、防腐層、保溫層、夾克管、混凝土配重層的熱傳導(dǎo)以及海管外壁與周圍土壤的熱傳遞。海管試壓時內(nèi)部海水傳熱過程為非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，其傳熱方程和邊界條件如下：

求解區(qū)域的微分方程：

管內(nèi)試壓海水溫度：

管內(nèi)試壓海水與管道內(nèi)壁的對流換熱邊界：

海底土壤與管道外壁的邊界：

土壤恒溫層溫度：

式中：λ為管內(nèi)介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；ρ為管內(nèi)介質(zhì)密度，kg/m3；c為管內(nèi)介質(zhì)比熱容，J/（kg·K）；T為計算區(qū)域某一點溫度，℃；τ為熱交換時間，s；Tin為管內(nèi)試壓介質(zhì)溫度，℃；d為海管內(nèi)徑，m；λb海管各層材料總導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；r為區(qū)域內(nèi)某一點至管中心的距離，m；hin為管內(nèi)介質(zhì)的自然對流換熱系數(shù)，W/（m·℃）；Tb為海管內(nèi)壁溫度，℃；δ為海管壁厚，m；H為恒溫層深度，m；TH為海底恒溫層溫度，℃。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 初始流場模擬結(jié)果

圖2為海底試壓管道初始流場模擬結(jié)果，海管內(nèi)試壓海水溫度為28℃，海床面溫度與海水溫度近似相同為15℃，海底恒溫層溫度為11℃，從海床面到恒溫層，溫度呈逐漸下降趨勢。

圖2 海管及海底環(huán)境的初始溫度場

3.2 海管溫度場變化模擬結(jié)果

以初始流場模擬結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)計算的初始條件，對海管內(nèi)試壓海水的溫度場進(jìn)行模擬，得到不同時刻試壓海水的溫度場以及試壓海水的平均溫度。圖3分別為熱交換時間10、50、100、200 h時，海管內(nèi)溫度場分布。

從圖3可以看出，由于試壓海水溫度高，周圍海水溫度低，試壓海水通過鋼管、防腐層、保溫層、夾克管和混凝土配重層向外傳熱。隨著熱交換時間的增長，內(nèi)部試壓海水與外界的溫差越來越小，當(dāng)熱交換時間200 h，海管內(nèi)溫度場變均勻。

試壓海水的平均溫度隨熱交換時間的變化曲線見圖4。

從圖4可以看出，熱交換開始時，試壓海水溫度下降較快，這是由于開始時管道內(nèi)試壓海水與周圍環(huán)境溫差較大，管道向外散熱較多。隨著熱交換的進(jìn)行，試壓海水的溫度變化逐漸變小，至200 h時，溫度基本與外界趨于一致，穩(wěn)定時試壓海水溫度為16.32℃。

圖3 海管溫度場

圖4 試壓海水平均溫度隨熱交換時間變化曲線

4 海管傳熱特性對試壓的影響

根據(jù)海管的傳熱特性可知，當(dāng)管內(nèi)試壓海水與周圍環(huán)境存在溫差時，會產(chǎn)生熱量交換，導(dǎo)致試壓介質(zhì)溫度發(fā)生變化，隨著熱交換的進(jìn)行，溫度變化越來越小。溫度變化會導(dǎo)致壓力波動[8]。當(dāng)試驗壓力為12.93 MPa時，在不同時間開始保壓，24 h內(nèi)由溫度變化引起的壓力變化如圖5所示。

圖5 不同時間開始保壓的壓力變化

從圖5可以看出，保壓前熱交換的時間越長，保壓期間溫度對壓力造成的影響越小。在注水達(dá)到試驗壓力后立即開始保壓，24h后，壓力變?yōu)?2.821MPa，變化率0.84%；熱交換30 h后開始保壓，壓力變?yōu)?2.852 MPa，變化率0.6%；熱交換65 h后開始保壓，壓力變?yōu)?2.878 MPa，變化率0.4%；熱交換130 h后開始保壓，壓力變?yōu)?2.904 MPa，變化率0.2%。

5 結(jié)論

本文建立了海底埋設(shè)管道試壓過程中與周圍環(huán)境傳熱的物理模型和數(shù)學(xué)模型，采用FLUENT軟件模擬了試壓介質(zhì)的溫度場變化，并對保壓期間溫度引起的壓力變化進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)試壓介質(zhì)與周圍環(huán)境存在溫差時，會產(chǎn)生熱交換，導(dǎo)致試壓介質(zhì)的溫度發(fā)生變化。試壓初期，溫差較大，試壓介質(zhì)溫度變化明顯，隨著熱交換的進(jìn)行，試壓介質(zhì)與周圍環(huán)境溫度逐漸趨于一致。

（2）試壓介質(zhì)的溫度變化導(dǎo)致壓力變化。熱交換時間越長，保壓期間溫度對壓力造成的影響越小。當(dāng)試壓海水溫度 28℃、海床溫度15℃時，熱交換65 h后開始保壓，由溫度影響的壓力變化為0.4%，在此時開始保壓既可以滿足要求，又可以節(jié)省工期。

[1]鞠文杰，曹浩明，梅路平，等.溫度變化對海底管道試壓的影響規(guī)律[J].石油和化工設(shè)備，2015，18（4）：14-18．

[2]盛磊祥，許亮斌，蔣世全.基于Fluent的海管內(nèi)停輸管內(nèi)原油溫度變化過程分析[J].中國造船，2009，50（S）：333-337．

[3]李偉，張勁軍.埋地含蠟原油管道停輸油降規(guī)律[J].油氣儲運，2004，23（1）：4-8．

[4]BOER S，HULSBERGEN C H.Thermal aspects of trenching burialand covering of hot submarine pipelines[J].American Soc of MechanicalEngineers，1989，5（8）：39-52．

[5]劉文通，徐德倫，候偉.渤海中部海域海底熱擴(kuò)散率及恒溫層深度研究[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報，1994，24（4）：485-490．

[6]吳國忠，龐麗萍，盧麗冰.埋地輸油管道非穩(wěn)態(tài)熱力計算模型研究[J].油氣田地面工程，2002，21（1）：92-93.

[7]吳國忠，陳超.埋地管道傳熱數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分方法[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報，2005，29（2）：82-84.

[8]潘永東，張洪元.溫度變化對鋼質(zhì)管道水壓試驗的影響[J].石油工程建設(shè)，2006，32（5）：10-13.

Study with FL UENT on heat transfer character of submarine pipeline under hydrostatic test

WANG Jun，LIYouhang，ZHENG Qiuming，YUAN Chaogang，ZHENG Songxian，LUO Zhao

Offshore OilEngineering Corp.，Tianjin 300461，China

Hydrostatic test before a submarine pipeline put into operation is an important procedure to ensure pipeline safety. In the process of pipeline hydrostatic test，when the temperatures between the internal test water and the surrounding environment are different，the heat exchange willgenerate and lead to the change of the test water temperature.Based on the heat transfer principle，the physical model and mathematical model of submarine pipeline under hydrostatic test are established.The software FLUENTis used to simulate and calculate the temperature field ofthe test waterand its temperature effect on pressure.The results show that the temperature of the test water changes significantly at early test stage，then tends to be consistent with surrounding environment temperature through the heat exchange.The change of temperature leads to pressure change.The longer the heat exchange time period before the maintaining pressure is，the smaller the impact of the temperature change on the maintaining pressure becomes.

hydrostatic test；heat transfer character；pressure change；FLUENT

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.007

王 軍 （1986-），男，甘肅會寧人，工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運專業(yè)，主要從事海底管道預(yù)調(diào)試技術(shù)工作。Email：wangjun7@mail.cooec.com.cn

2016-09-22；

2016-11-08