高寒地區高溫油砂管道保溫設計及周圍溫度場分析*

李鵬程 陳晶華 陳海新 李根

1中海油研究總院

2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司

世界各國對于能源的需求日益增加，常規石油資源已難以滿足快速增長的能源需求，作為常規能源的補充和替代，非常規石油資源逐漸得到人們的關注。油砂作為富含天然瀝青的非常規石油資源，是一種瀝青、砂、富礦黏土和水的混合物[1]，具有黏度高、金屬含量高和碳氫比高的特質[2]。目前世界上85%的油砂集中在加拿大阿爾伯塔省北部地區阿薩巴斯卡、冷湖和平河三個油砂區[3]。油砂在地下的形態是高黏度（一般大于104mPa·s）瀝青包裹著砂等固體物質，自然形態下難以流動[4]。油砂在管道中流動性較差，為了改善油砂在管道中的流動性，降低管道安全運行隱患，采用雙層保溫管高溫加熱輸送方式[5-7]。為保障油砂輸送過程中流動安全的同時，保證管道設計壽命，以加拿大高寒地區某油砂管道為例進行保溫設計，并利用計算流體力學軟件FLUENT分析管道周圍土壤溫度場，在保證管道內油砂正常流動的同時，避免管道外表面溫度過高影響當地地表植物正常生長。

1 雙層管保溫設計

該油砂管道長10.4 km，油砂輸送溫度140 ℃。管道采取保溫輸送，為了延長投產過程中保溫層壽命，整條管道采用雙層管保溫結構，內管內徑406.4 mm，外管外徑558.8 mm，管道最大埋深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為-15.3 ℃，埋地溫度為2 ℃，平均風速3 m/s。管道設計壽命長達40 年，輸送油砂溫度高達140 ℃，因此該雙層保溫管對保溫材料的選擇和保溫結構的設計提出較高要求[8]。

1.1 保溫材料選擇

實際工程設計中保溫材料的選擇應根據不同方面（如介質溫度、運行工況、管道設計壽命等）進行比較。工程中目前常用的三種保溫材料性能見表1。

表1 保溫材料性能Tab.1 Insulation material performance

聚氨酯泡沫導熱系數大，相同保溫性能下所需厚度大，在管道投產過程中容易發生變形和老化，維護成本高，操作溫度通常低于120 ℃，在140 ℃高溫下工作僅30年，不滿足該管道設計年限要求。

氣凝膠保溫性能好，操作溫度高，但是在海底管道等應用中使用壽命均按照25～30年設計，不能保證40 年的設計年限，此外在施工切割中有塵，會危及施工人員身體健康。

無機微孔保溫材料導熱系數小，保溫性能好，操作溫度高達1 000 ℃，同時無機微孔保溫材料中不含有機材料，管道投產過程中材料不會老化，可滿足該管道安全運行40年的要求。

為了確保保溫材料在全壽命周期內保溫性能無明顯衰減，經過多種材料比選，推薦選用無機微孔材料作為該高溫油砂管道保溫材料。

1.2 保溫層厚度

保溫層厚度的選取要綜合考慮其對于管道輸送流動安全需求以及外管溫度的影響。保溫層厚度過小，導致管道保溫性能變差；保溫層厚度過大，則會增大項目投資。因此保溫層厚度是影響該高溫油砂管道項目安全運行和經濟投入的重要因素[9]。表2為保溫層厚度對出口溫度的影響。

表2 保溫層厚度對出口溫度的影響Tab.2 Effect of insulation thickness on outlet temperature

隨著保溫層厚度增加，管道出口流體溫度逐漸增大，但是不同保溫層厚度對管道出口溫度影響很小，通過增加保溫層厚度的方式提高出口溫度難度較大。根據管道輸送流動安全需求，管道出口流體溫度不應低于135 ℃，該雙層管保溫層厚度應大于50 mm。

管道運行過程中，管道外表面溫度如果過高，會影響地表植物正常生長，夏季燙傷植物根部，冬季導致植物生長過快。此外，外管溫度過高還會對管道外涂層造成破壞。根據加拿大當地環保部門要求，管道外表面溫度不應高于50 ℃。工程設計中考慮5 ℃裕量，因此本設計中雙層管外管管壁設計溫度控制在45 ℃以下。

綜合保溫層厚度對出口溫度，外管溫度以及內外管間空隙的影響（表3），推薦采用厚度50 mm的保溫結構設計。

表3 保溫層厚度對外管溫度的影響Tab.3 Effect of insulation thickness on the temperature of outer pipe

2 雙層錨固件保溫結構設計

錨固件是雙層保溫管特有的部件，通常每隔一段距離設置一個，用于將雙層管、內管和外管連接成一個整體[10]。錨固件能夠隔離內外管之間的環形空間，在油品泄漏或者內外管間進水后避免整條管道保溫效果受到影響；此外，錨固件可以在管土作用下避免內外管發生相對偏移，使內外保持管同心。錨固件結構如圖1所示。

圖1 錨固件結構Fig.1 Anchor structure

錨固件一般采用鋼結構，導熱系數大，錨固件外表面會因管道內高溫油砂的影響出現局部高溫，因此需要對雙層管錨固件采取保溫措施。錨固件短管主要由錨固件本體、與錨固件本體兩側焊接相連的雙層管短管和錨固件保溫結構三部分組成。錨固件保溫套管和錨固件保溫層構成了錨固件保溫結構。錨固件保溫結構設計即確定其保溫層厚度和長度，錨固件短管結構如圖2所示。

圖2 錨固件保溫短管結構Fig.2 Anchor insulation short pipe structure

2.1 模型建立

根據土壤恒溫層理論，建模過程中將無限大土壤空間轉換為具有固定邊界的矩形土壤區域。對錨固件短管以及周圍土壤沿管道軸向方向建模并作對稱處理，以直觀分析錨固件短管溫度場。錨固件保溫層厚度和長度需多次試算確定。以最終確定的保溫層厚度50 mm、保溫層長度2.8 m 為例，錨固件短管土壤埋設物理模型如圖3所示。

圖3 錨固件短管土壤埋設物理模型Fig.3 Physical model of anchor short pipe soil embedding

2.2 模擬結果

利用FLUENT軟件對正常運行工況下管道進行穩態計算，錨固件保溫短管周圍溫度場如圖4所示。

圖4 錨固件短管周圍溫度場Fig.4 Temperature field around the anchor short pipe

在錨固件保溫層的作用下，錨固件與其外部接壤土壤之間存在較大溫度梯度，與土壤接觸的錨固件外套管及與其相連的雙層管外管溫度值，自左邊界起沿軸向變化趨勢見圖5。

圖5 錨固件外套管及相連雙層管外壁溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the outer pipe of the anchor and the connected double-layer pipe outer wall

在錨固件外表面和雙層管外管導熱作用的影響下，套管與外管連接處（圖3 中點2）存在局部高溫區域，該點處溫度升至45 ℃，隨后雙層管外管溫度逐漸穩定至35.9 ℃。

3 土壤溫度場影響分析

為了避免管道周圍土壤溫度過高影響當地植物正常生長，破壞生態環境，應對管道外表面溫度以及管道周圍溫度場進行熱力分析。

3.1 模型建立

為了直觀分析土壤溫度場，需要對雙層管沿徑向建立雙層管內管、保溫層、環空層、雙層管外管、土壤建立物理模型。模擬過程中忽略環境溫度變化、地下水水位變化、水分遷移等自然環境影響，油砂管道物理模型如圖6所示。

圖6 油砂管道物理模型Fig.6 Physical model of oil sands pipeline

3.2 土壤導熱系數影響分析

土壤導熱系數取決于土壤的類別、土壤的孔隙度和滲透率等因素[11]，土壤導熱系數影響土壤溫度場分布[12]。本油砂管道沿線路由復雜，土壤類型多樣，表4 為模擬夏季工況下土壤導熱系數為0.05、1.12、1.21、1.3、1.74、1.92和2.1 W/(m·K)條件下管道外表面溫度。

表4 不同土壤導熱系數下外管溫度Tab.4 Outer pipe temperature under different soil thermal conductivity

管道沿線土壤類型多樣，在沼澤區，因土壤導熱系數僅0.5 W/(m·K)，雙層保溫管外管壁溫度高達56.14 ℃，高于加拿大當地環保部門要求的50 ℃，工程施工中需要對此部分段落進行換土，更換為導熱系數大的土壤，降低雙層管外管管壁溫度，減小對地表植物生長的影響。

3.3 季節影響分析

油砂管道投產過程中，環境溫度對外管溫度影響很大[13]，不同季節下雙層管外管溫度如圖7所示。

圖7 不同季節下雙層管外管溫度Fig.7 Temperature of double-layer outer pipe in different seasons

受冬季環境溫度低影響，原油與外界土壤之間散熱強，導熱作用明顯，導致冬季外管溫度比夏季低20 ℃。冬季工況下，土壤導熱系數為1.12 W/(m·K)時，外管溫度為15.8 ℃。隨著土壤導熱系數增加，外管溫度逐漸減小，當土壤導熱系數為2.1 W/(m·K)時，外管溫度降為4.5 ℃。

3.4 保溫材料失效影響分析

油砂管道在長年運行過程中，不可避免地由于老化、腐蝕等因素影響，致使管道破裂[14]，導致內外管間進水或內管泄漏。土壤中水分或者油砂進入內外管之間使得保溫材料失效，影響管內流體正常流動。表5 為雙層管保溫材料失效過程中外管溫度。

表5 不同保溫材料導熱系數下外管溫度Tab.5 Outer pipe temperature under different thermal conductivity of insulation materials

保溫材料失效導致管道保溫性能變差，外管溫度升高。當保溫材料導熱系數增加至0.038 W/(m·K)時，外管溫度將超過45 ℃。

3.5 油砂管道啟動土壤溫度場影響分析

油砂管道啟動，經過長時間運行后，管道周圍土壤溫度會逐漸上升并最終達到穩定。掌握油砂管道啟動過程中外管溫度變化規律，對于分析土壤溫度場有重要意義。當土壤導熱系數取1.12 W/(m·K)，管道啟動后外管溫度變化如圖8所示。

圖8 管道啟動后外管溫度變化Fig.8 Temperature change of outer pipe after pipe start-up

管道啟動后外管溫度變化可分為兩個階段。啟動初期，雙層管外管壁與周圍環境溫度溫差大，導熱作用強，該階段外管溫度上升很快。10 天后，隨著外管溫度逐漸升高，與周圍環境溫差縮小，導熱作用減弱，外管壁溫度將緩慢升溫。

4 結論

以加拿大某油砂管道為實例，結合生態環境的影響，利用計算流體力學軟件FLUENT分析埋地油砂管道熱力的影響。

（1）保溫材料的選擇。通過對聚氨酯泡沫、氣凝膠和無機微孔保溫材料比選，最終推薦選用無機微孔保溫材料作為雙層保溫管保溫材料，厚度50 mm。

（2）錨固件保溫結構設計。雙層管錨固件保溫層厚度50 mm，保溫長度2.8 m。

（3）地熱影響分析。管道正常運行工況下，全管外管溫度低于45 ℃；土壤導熱系數為0.5 W/(m·K)的段落外管壁溫度較高，需要進行換土處理，更換導熱系數較大的土壤類型；夏季外管壁溫度比冬季高20 ℃；雙層管間保溫材料當量導熱系數增加至0.039 W/(m·K)時，外管溫度超過45 ℃；管道啟動后初始10天內，外管升溫迅速，隨后升溫變緩。