陸地直埋雙層管錨固件保溫結構設計

李鵬程 陳宏舉 賈魯生 柳歆

（中海油研究總院有限責任公司）

0 引言

管道運輸是原油和成品油最主要的運輸方式，被稱為油氣田開發的重要“生命線”。目前，輸送管道按結構形式可分為單層管和雙層管，其中，雙層管道內管為輸送管，外管為保護套管，內外管之間的環隙放置保溫材料。雙層管外管強度高、密封性好，可使管道免受周邊外力和惡劣環境的破壞及影響，保證管道保溫層的保溫效果［1］。因此，雙層管一般用于輸送海上高凝高黏原油或陸上有特殊需要的場合［2］。

錨固件作為雙層管的重要部件，通常每隔一段距離設置一個，用于連接內管和外管。在雙層保溫管中錨固件可以起到以下作用：運行過程中實現內管和外管運動耦合，在管土作用下可以協調變形；施工預熱消除預應力過程中，將目標預熱段與相鄰非預熱段隔離；內外管間進水或內管泄漏后起到阻斷作用，既可防止水的進入而影響整條管道保溫材料性能，又可減少原油泄漏量并防止泄漏后擴散造成生態環境的污染［3］。錨固件結構如圖1所示。

圖1 錨固件結構

錨固件由鋼鍛造而成，熱阻非常小，在陸地因土壤的蓄熱易在管道外表面形成局部高溫，損壞外涂層。此外，局部高溫還將對地表植物的正常生長造成影響，夏季時植物根部易被燙傷，冬季時易造成植物過快生長。基于此，需對雙層管錨固件進行保溫。CJJ/T 81—2013《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》中規定，雙層管外表面溫度應低于50 ℃，工程設計時通常考慮一定的裕量，雙層管外管管壁設計溫度一般控制在45 ℃以下。錨固件保溫短管結構如圖2所示，現場實物如圖3所示。

圖2 錨固件保溫短管結構

圖3 錨固件保溫短管現場實物

錨固件短管主要由錨固件本體、保溫套管和與錨固件本體兩側焊接相連的雙層管短管三部分組成。圖4是保溫后的錨固件短管埋設于土壤中的物理模型圖。錨固件保溫結構設計即確定其保溫層的厚度和長度。

圖4 錨固件保溫短管土壤埋設物理模型

1 埋地保溫錨固件傳熱分析

對于保溫錨固件，整個系統的傳熱由以下幾個部分組成：錨固件內流體的對流換熱、錨固件鑄鋼導熱、錨固件保溫層導熱、環空空氣層導熱、套管管壁導熱、管外壁至土壤的放熱。熱油管道經過長期運行，可在整條管道管內外建立穩定的溫度場。散熱量、傳熱系數和熱阻的關系為［4］：

式（1）、式（2）中：q——單位長度散熱量，W/m；U——傳熱系數，W/（m2·K）；d——錨固件內表面直徑，m；T1——管內流體溫度，℃；T0——管道周圍自然環境溫度，℃；R1——錨固件內流體對流換熱熱阻，m2·K/W；R2——錨固件鑄鋼導熱熱阻，m2·K/W；R3——錨固件保溫層導熱熱阻，m2·K/W；R4——環空空氣層導熱熱阻，m2·K/W；R5——套管管壁導熱熱阻，m2·K/W；R6——管外壁至土壤的放熱熱阻，m2·K/W。

錨固件套管外壁溫度為：

式（3）中：T2——錨固件套管外壁溫度，℃。

2 工程實例計算

以某油砂管道為例，管道設計壽命40年，油砂輸送溫度 140 ℃。為確保保溫材料在全壽命周期內保溫性能無明顯衰減，保溫材料采用無機微孔材料，保溫層材料通過逐層綁扎固定。為了保護保溫層，整條管道采用雙層管保溫結構。

2.1 基本參數

該管道內管直徑406.4 mm，外管直徑558.8 mm，管道埋設深度2.2 m。

夏季月平均最高環境溫度15.7 ℃，冬季月平均最低環境溫度-15.3 ℃，平均風速3 m/s。

管道沿線土壤類型多樣，土壤導熱系數范圍1.0～2.1 W/（m·K）。土壤導熱系數越小，雙層保溫管外管溫度越高，因此，在保溫層厚度計算時，土壤導熱系數取1.0 W/（m·K）。

2.2 數值模型及邊界條件

由于錨固件附近軸向導熱具有對稱性，因此利用計算流體力學軟件FLUENT建立2D對稱模型用于溫度分布模擬分析。在確定保溫層厚度和長度時需多次試算，以最終確定的保溫層厚度50 mm、保溫長度2.8 m為例，對埋設的錨固件短管進行建模。

利用數值模擬前處理器 Gambit軟件建立數值模型，使用其中Split分離功能對不同區域進行分離并劃分網格，采用多重網格法劃分保證模型具有較好的收斂性。采用這種網格劃分方法，能較好地提高模型劃分的網格質量，確保計算精度［5］。

數值模型邊界條件設置如下：

（1）雙層管內管及錨固件內表面溫度取流體最高輸送溫度140 ℃；

（2）地表溫度取月平均最高溫度 15.7 ℃，對流和輻射換熱系數取20 W/（m2·K）；

（3）定義錨固件軸向中心線為左邊界；

（4）定義錨固件右側5 m處為右邊界，在軸向無熱交換；

（5）鋼管導熱系數 54 W/（m·K）、錨固件保溫層導熱系數0.023 W/（m·K）、環空空氣層導熱系數 0.066 W/（m·K）、土壤導熱系數 1.0 W/（m·K）。

2.3 計算結果分析

利用FLUENT軟件中穩態求解模型進行熱傳導分析，采用高階離散格式和中心差分格式，能量方程采用二階迎風格式離散，使用默認的松弛因子進行迭代計算直到最終收斂。錨固件及與其相連雙層管周圍的溫度場如圖5所示。

圖5 錨固件及與其相連雙層管周圍溫度場

由圖5可以看出，在錨固件至套管、套管至地表的熱傳導以及地表冷空氣與地面的對流、地表向大氣的輻射等作用下，使得管道周邊溫度場達到熱平衡，獲得一個穩定的溫度場。因保溫層的存在，在錨固件周邊將存在較大溫度梯度。與土壤接觸的錨固件外套管及與其相連的雙層管外管外壁溫度值，自左邊界起沿軸向變化趨勢見圖6所示。

由圖6可見，套管外壁溫度約34 ℃，但是在套管與外管連接處，由于受鋼管軸向導熱的影響，該處存在局部高溫區域，溫度上升至45 ℃，隨后又逐漸降低，最終，外管溫度降至35.7 ℃并趨于平穩。

圖6 錨固件外套管及相連雙層管外壁溫度分布

3 結論及建議

運用FLUENT數值模擬方法對某油砂管道埋地雙層管錨固件開展了保溫結構設計，確定出錨固件外保溫厚度50 mm，保溫長度2.8 m，可滿足雙層管內 140 ℃流體輸送時，與土壤接觸的壁面溫度低于45 ℃的要求。

在錨固件保溫套管與雙層管外管連接處會產生局部高溫，但這是因鋼管軸向導熱所導致，而非內管泄漏引起，因此，在管道光纖泄漏監測系統的溫度報警監測上需要考慮此因素。