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    地管道水热力耦合数值模拟

    2019-04-10   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港继昨日获悉:饱和含水冻土区埋地管道水热力耦合数值模拟付俊鹏马贵阳辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001付俊鹏等饱和含水冻土区埋地管道水热力耦合数值模拟油气储运,1析,得出管道穿越冻土区应力、应变不均分布和变化的一般规律。由于管道的散热作用,周围冻土层的结构、成分遭到破坏,土壤孔隙水减少,蓄热量低于融土,同时伴随水分的传热和传质作用而带走热量使土壤更加干燥。这些变化影响土壤变形及应力状态:管道上方土壤应变、应力变化剧烈;管道周围应变渐增,应力不断减小,易产生融沉;管道下方非融冻土应变小于上方融土、呈层状递减,土壤被加固,应力不断大。
      
      中俄原油管道管径813mm,中国段965km,穿越大兴安岭、松嫩水系、东北平原北端多年冻土区、季节冻土区。冻土的状态,包括温度、含水量和水分迁移对管道安全有巨大影响,威胁管道的平稳运行。在以往的冻土水热力耦合研究中,没有给出冻土内部三场变化的直观表现。基于此,对冻土区的温度场、水分场及应变、应力场进行系统分析,研究温度、水分和土壤力学特征相互制约和影响的一般规律,为制定穿越冻土区管道冻胀、融沉预防方案提供技术支持。
      
      1数学模型1.1饱和冻土多孔介质水热耦合控制方程土壤孔隙率指孔隙中完全充满水时水的质量与固体颗粒的质量之比。假设土体各相均质连续,相变过程流体密度变化符合Boussinesq假设,低速渗流时,水分迁移符合达西定律,忽略由相变融化引起的速度变化。根据有限容积理论,建立质量守恒、动量守恒、能量守恒方程,为多孔介质渗透率,m2;尽为粒子平均直径,mm;为孔隙率;为孔隙压力,Pa;6=3.5(1―s)/(马s3),为惯性损失系数,1/m;为流体动力粘度,Pas;a为流体膨胀系数,1/K,Zm为固液糊状区常数,用于反映冻结前锋的形态;为液相体积分数。厂为流体温度,K7“为流体基准温度,K;7;为凝固温度,K八为融化温度,K.达式为:能量守恒方程:骨架的焓,/kg;keff为有效导热率,W/(m'K);rk分别为液相、固相热导率,W/(m'K);p为多孔介质骨架热导率,W/(mK);s为固相介质密度,kg/m3;p为多孔介质骨架密度,kg/m3. 1.2应力、应变数学模型饱和含水冻土由多孔介质土骨架、孔隙水和未冻水分组成。冻土温度发生变化时,应力、应变相应变化。
      
      温度改变过程不计算结构变化因素,以土壤水热耦合温度场作为冻胀分析的基础。
      
      计算冻胀应力,须在物理方程中考虑变温效应,即:=)=为单元节点位移系数;q为单元节点位移。
      
      将上式代入等效节点力公式得:节点荷载,称为单元变温等效节点力向量。
      
      中国钢管信息港继昨日获悉:将初应变的表达式代入上式得:lF=iBYWaTl 2数值模拟分析2.1计算边界条件少=0时:时:dx工=,工=尤换热系数,取117,W/(m2.K);Tw为管内原油温度,K.2.2计算参数壁厚15mm,管道埋深2.4m,土壤密度1680kg/m3.未冻土比热容2403/(kg'K),导热系数1.211W/(m'K),弹性模量16MPa,泊松比0.3,热膨胀系数1.0X10―5.输油温度288K,地温268K,地面风速1.5m/s,计算区域15mX10m.忽略管道轴向温降,建立二维非稳态传热模型。
      
      2.3结果分析根据管道投产首年后不同运行时间冻土融化相变界面移动规律,随着管道运行时间的增加,管道正下方冻土融化速度显著降低,由于周围土壤受到热油管道烘烤,温度升高并变干燥,因此土壤导热系数随含水量降低而减小,同时,融土导热系数随温度上升而增大,融土蓄热能力增大141.不同运行时间管道周围冻土融化相变界面移动仿真图根据管道投产后不同运行时间土壤水分运移矢量图,在管道周围土壤建立稳定温度场的过程中,土壤因受热而丧失水分,使管道周围形成一层较干燥的环状土,导热系数比原土小。管道在土壤中的散热不仅有赖于土壤的热传导,而且有赖于水分对流传热和传质。由于邻近管道的土壤比远离管道的土壤热很多,管道周围土壤中的水分因密度较低而趋向上移,在其自然对流过程中,被加热的水分不断离开管道,带走热量并使土壤更加干燥。因此,环状土层厚度与管道运行时间成正比。
      
      (a)1个月不同运行时间管道周围冻土水分运移矢量图假设计算区域管道的热应力只对土壤产生作用,即只有土壤发生位移,管道无变形。根据管道投产后不同运行时间冻融土壤位移图(,MX表示最大值,MN表示最小值),管道上层土壤蓄热急剧变化,湿度变化明显,加之水分撄移作用使变形增大;管道下方土层随深度增加,土壤与外部环境换热减弱,因从管道吸热而发生含水量、含气量减少,因深度增加被压实而强度增大且受热均匀,故变形量相对较小003不同运行时间管道周围冻土位移图根据管道投产后不同运行时间冻融土壤应力场图,随着运行时间的延长,管道周围土壤应力分布大体在管道上方、管道周围和管道下方3个部位呈现规律性变化。管道正上方的表层土壤应力不断增大,这是因为表层土壤受大气温度变化影响强烈。管道周围冻土加剧成为融土,导致土壤应力下降。管道下方冻土(不包括管道下方附近的融土)受管道烘烤而丧失水分,孔隙度下降,导致冻土结构变紧密,使土壤应力显著增加。但是,随着时间递增,管道附近应力变小的融土范围渐增,管道融沉概率增大。中国钢管信息港继昨日获悉
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