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    地管道水熱力耦合數值模擬

    2019-04-10   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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     中國鋼管信息港繼昨日獲悉:飽和含水凍土區埋地管道水熱力耦合數值模擬付俊鵬馬貴陽遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院,遼寧撫順113001付俊鵬等飽和含水凍土區埋地管道水熱力耦合數值模擬油氣儲運,1析,得出管道穿越凍土區應力、應變不均分布和變化的一般規律。由于管道的散熱作用,周圍凍土層的結構、成分遭到破壞,土壤孔隙水減少,蓄熱量低于融土,同時伴隨水分的傳熱和傳質作用而帶走熱量使土壤更加干燥。這些變化影響土壤變形及應力狀態:管道上方土壤應變、應力變化劇烈;管道周圍應變漸增,應力不斷減小,易產生融沉;管道下方非融凍土應變小于上方融土、呈層狀遞減,土壤被加固,應力不斷大。
      
      中俄原油管道管徑813mm,中國段965km,穿越大興安嶺、松嫩水系、東北平原北端多年凍土區、季節凍土區。凍土的狀態,包括溫度、含水量和水分遷移對管道安全有巨大影響,威脅管道的平穩運行。在以往的凍土水熱力耦合研究中,沒有給出凍土內部三場變化的直觀表現。基于此,對凍土區的溫度場、水分場及應變、應力場進行系統分析,研究溫度、水分和土壤力學特征相互制約和影響的一般規律,為制定穿越凍土區管道凍脹、融沉預防方案提供技術支持。
      
      1數學模型1.1飽和凍土多孔介質水熱耦合控制方程土壤孔隙率指孔隙中完全充滿水時水的質量與固體顆粒的質量之比。假設土體各相均質連續,相變過程流體密度變化符合Boussinesq假設,低速滲流時,水分遷移符合達西定律,忽略由相變融化引起的速度變化。根據有限容積理論,建立質量守恒、動量守恒、能量守恒方程,為多孔介質滲透率,m2;盡為粒子平均直徑,mm;為孔隙率;為孔隙壓力,Pa;6=3.5(1―s)/(馬s3),為慣性損失系數,1/m;為流體動力粘度,Pas;a為流體膨脹系數,1/K,Zm為固液糊狀區常數,用于反映凍結前鋒的形態;為液相體積分數。廠為流體溫度,K7“為流體基準溫度,K;7;為凝固溫度,K八為融化溫度,K.達式為:能量守恒方程:骨架的焓,/kg;keff為有效導熱率,W/(m'K);rk分別為液相、固相熱導率,W/(m'K);p為多孔介質骨架熱導率,W/(mK);s為固相介質密度,kg/m3;p為多孔介質骨架密度,kg/m3. 1.2應力、應變數學模型飽和含水凍土由多孔介質土骨架、孔隙水和未凍水分組成。凍土溫度發生變化時,應力、應變相應變化。
      
      溫度改變過程不計算結構變化因素,以土壤水熱耦合溫度場作為凍脹分析的基礎。
      
      計算凍脹應力,須在物理方程中考慮變溫效應,即:=)=為單元節點位移系數;q為單元節點位移。
      
      將上式代入等效節點力公式得:節點荷載,稱為單元變溫等效節點力向量。
      
      中國鋼管信息港繼昨日獲悉:將初應變的表達式代入上式得:lF=iBYWaTl 2數值模擬分析2.1計算邊界條件少=0時:時:dx工=,工=尤換熱系數,取117,W/(m2.K);Tw為管內原油溫度,K.2.2計算參數壁厚15mm,管道埋深2.4m,土壤密度1680kg/m3.未凍土比熱容2403/(kg'K),導熱系數1.211W/(m'K),彈性模量16MPa,泊松比0.3,熱膨脹系數1.0X10―5.輸油溫度288K,地溫268K,地面風速1.5m/s,計算區域15mX10m.忽略管道軸向溫降,建立二維非穩態傳熱模型。
      
      2.3結果分析根據管道投產首年后不同運行時間凍土融化相變界面移動規律,隨著管道運行時間的增加,管道正下方凍土融化速度顯著降低,由于周圍土壤受到熱油管道烘烤,溫度升高并變干燥,因此土壤導熱系數隨含水量降低而減小,同時,融土導熱系數隨溫度上升而增大,融土蓄熱能力增大141.不同運行時間管道周圍凍土融化相變界面移動仿真圖根據管道投產后不同運行時間土壤水分運移矢量圖,在管道周圍土壤建立穩定溫度場的過程中,土壤因受熱而喪失水分,使管道周圍形成一層較干燥的環狀土,導熱系數比原土小。管道在土壤中的散熱不僅有賴于土壤的熱傳導,而且有賴于水分對流傳熱和傳質。由于鄰近管道的土壤比遠離管道的土壤熱很多,管道周圍土壤中的水分因密度較低而趨向上移,在其自然對流過程中,被加熱的水分不斷離開管道,帶走熱量并使土壤更加干燥。因此,環狀土層厚度與管道運行時間成正比。
      
      (a)1個月不同運行時間管道周圍凍土水分運移矢量圖假設計算區域管道的熱應力只對土壤產生作用,即只有土壤發生位移,管道無變形。根據管道投產后不同運行時間凍融土壤位移圖(,MX表示最大值,MN表示最小值),管道上層土壤蓄熱急劇變化,濕度變化明顯,加之水分攖移作用使變形增大;管道下方土層隨深度增加,土壤與外部環境換熱減弱,因從管道吸熱而發生含水量、含氣量減少,因深度增加被壓實而強度增大且受熱均勻,故變形量相對較小003不同運行時間管道周圍凍土位移圖根據管道投產后不同運行時間凍融土壤應力場圖,隨著運行時間的延長,管道周圍土壤應力分布大體在管道上方、管道周圍和管道下方3個部位呈現規律性變化。管道正上方的表層土壤應力不斷增大,這是因為表層土壤受大氣溫度變化影響強烈。管道周圍凍土加劇成為融土,導致土壤應力下降。管道下方凍土(不包括管道下方附近的融土)受管道烘烤而喪失水分,孔隙度下降,導致凍土結構變緊密,使土壤應力顯著增加。但是,隨著時間遞增,管道附近應力變小的融土范圍漸增,管道融沉概率增大。中國鋼管信息港繼昨日獲悉
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