寒地日照及晝夜動態大溫差下保溫管道外護層破壞的熱力耦合仿真與分析

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院,黑龍江大慶 163318；2.大慶石化公司機械廠，黑龍江大慶 163714；3.大慶石化建設有限公司，黑龍江大慶 163714 )

0 引言

輸油管道是油氣工程的生命線，伴隨著我國能源戰略布局的轉變，中俄原油管道工程已成為我國石油資源供應多元化的一項重大戰略措施[1]。中俄原油輸油管道漠河—大慶段位處極寒地帶，漠河冬季施工期間最低氣溫可達-55 ℃，管道同一位置在不同時刻，日照不均及晝夜變化累加造成的動態溫差最大可達92 ℃；即使在同一時刻，向陽側與背陽側的瞬時溫差也能達到63 ℃，因動態溫差的劇烈變化以及材質的差異，致使保溫管道堆放1個月后開始出現外護層開裂現象，在第2個月時開裂率已達到70%以上，造成重大經濟損失。

因漠大線保溫管道開裂涉及多層結構的溫度、應力和應變等多重物理場，為揭示極寒地帶日照不均及晝夜動態大溫差下保溫管道外護層的開裂原因，有必要引入有限元熱力耦合仿真進行深入研究。目前，針對保溫管道熱力耦合有限元仿真領域，國內外已經開展了大量的研究。李長俊等[2]運用數學分析法對不穩定傳熱問題進行了分析，進而作出埋地管道附近溫度場的解答；Zhang等[3]采用有限元法對因沖擊造成管道的變形進行分析，總結出管道的塑性應變區與偏心率K之間的關系；李南生等[4]從二維相變熱傳導方程出發，由熱力等效原理得出冬季凍結期管線的溫度變化規律；龐麗萍等[5]建立傳熱數學模型，并結合數值計算方法得出管道隨季節變化的散熱情況；……