摘 要

摘　要：建立埋地鋼質(zhì)管道氣密性試驗過程溫度場模擬的物理模型，確定溫度場水平方向與垂直方向的邊界條件。采用有限元分析軟件，對埋地鋼質(zhì)管道氣密性試驗過程的溫度場分布進行瞬

摘　要：建立埋地鋼質(zhì)管道氣密性試驗過程溫度場模擬的物理模型，確定溫度場水平方向與垂直方向的邊界條件。采用有限元分析軟件，對埋地鋼質(zhì)管道氣密性試驗過程的溫度場分布進行瞬態(tài)數(shù)值模擬。氣密性試驗開始階段，管內(nèi)氣體溫度下降較快，埋地管道對土壤溫度場的影響范圍逐漸增大，1.5h后管內(nèi)外溫度場基本達到穩(wěn)定，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，擬舍得到了溫度場達到穩(wěn)定后管內(nèi)外溫度的關(guān)系式，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。

關(guān)鍵詞：埋地鋼質(zhì)管道  氣密性試驗  溫度場  理論模型

Numerical Simulation of Temperature Field in Air Tightness Test Process of Buride Steel Pipeline

Abstract：physical model of temperature field simulation in air tightness test process of buried steel pipeline is established．The boundary conditions of temperature field in the horizontal direction and vertical direction are determined．The transient numerical simulation of temperature field distribution in air tightness test process of buried steel pipeline is performed by finite element analysis software．The results show that the air temperature inside pipeline drops quickly at the beginning of air tightness test，the influence scope of the buried pipeline on the soil temperature field gradually increases，and the temperature fields inside and outside pipeline basically achieve stability after l.5h．The relational expression between temperatures inside and outside pipeline after achieving a stable temperature field is fit according to the result of numerical simulation．The simulated result is coincided with the experimental result．

Keywords：buried steel pipeline；air tightness test；temperature field；theoretical model

 

1　概述

目前，燃氣管道氣密性試驗的結(jié)果判定按照CJJ 33—2005《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范》進行，這種判定方法需要準確地測量試驗開始時和結(jié)束時試驗介質(zhì)的溫度和其他參數(shù)，然后代入修正壓力降的計算公式，修正壓力降小于l33Pa為合格。然而，埋地管道氣密性試驗過程中，管內(nèi)試驗介質(zhì)的溫度難以精確測量，且介質(zhì)溫度是變化的，因此，可能導(dǎo)致氣密性試驗結(jié)果的誤判。

近年來，國內(nèi)外對埋地管道溫度場開展了許多理論和實驗研究，如文獻[1]利用有限容積法對埋設(shè)在不同介質(zhì)內(nèi)的長輸石油管道進行了傳熱分析計算，并對管道周圍溫度場的變化情況進行了實驗測試。文獻[2]采用ANSYS的熱分析功能對埋地輸油管道預(yù)熱過程中管道周圍土壤溫度場和管內(nèi)油品溫度進行數(shù)值計算，得到了不同時刻埋地管道周圍土壤的溫度場分布和管內(nèi)油品沿程溫度的分布。

目前，國內(nèi)外對埋地管道溫度場的研究主要是針對輸油管道投產(chǎn)后、介質(zhì)為石油的工況，所研究的結(jié)果不完全適用于埋地管道氣密性試驗過程的溫度場。因此，本文通過有限元軟件ANSYS的熱分析功能，針對埋地管道氣密性試驗過程的傳熱特點建立溫度場的物理模型，模擬得到埋地管道溫度場隨時間的變化情況和溫度場達到穩(wěn)定所需的時間，并擬合管內(nèi)外溫度的關(guān)系式。通過與試驗數(shù)據(jù)的比較，驗證模擬結(jié)果的準確性，從而減小管內(nèi)介質(zhì)溫度無法準確測量而導(dǎo)致氣密性試驗誤判的概率，提高氣密性試驗的準確度。

2　埋地鋼管溫度場的物理模型

2.1　物理模型的建立

假沒埋地管道的外徑為D(單位為mm)，壁厚為d(單位為mm)，埋設(shè)在管道中心距地面h1(單位為m)深度處，氣密性試驗時管內(nèi)空氣的初始溫度為qs(單位為℃)，管道材質(zhì)為20號鋼，管道外有厚度為d(單位為mm)的三層PE防腐材料，土壤與試驗空氣的物性由現(xiàn)場實驗測量獲得，氣密性試驗時間為24h。

試驗時，埋地管道的內(nèi)部傳熱屬于定容降溫過程^[3]，由于試驗氣體不斷地做分子運動，試驗穩(wěn)定后(即管道與土壤的溫度場達到平衡)，管內(nèi)溫度在管道軸向方向上可以認為均勻分布，即不存在軸向溫差，因此，可將三維的溫度場模型簡化為管道橫截面上的二維模型。在管道橫截面上，埋地管道對周圍土壤溫度場的影響局限在一個有限的范圍內(nèi)，可將無限大橫截面土壤區(qū)域簡化為有界的矩形區(qū)域。由于管道溫度場關(guān)于管道中心左右對稱，又可將模型繼續(xù)簡化為對稱模型，簡化模型見圖1。

 

2.2　水平方向邊界的確定

在埋地管道橫截面水平方向一定距離l(單位為m)處的土壤對管道熱量的耗散影響非常小，可認為是絕熱的，即該處的邊界條件為絕熱邊界條件^[4]：

 

水平方向的距離l的取值與當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)、管內(nèi)介質(zhì)、介質(zhì)溫度等試驗條件有關(guān)，文獻[5]取水平方向的距離l為5m，文獻[6]取l為1.5m，文獻[7]取l為3m。由于埋地管道氣密性試驗過程的介質(zhì)為空氣，相同體積與溫度下，空氣的熱容遠小于原油的熱容，因此，為便于簡化計算，本文取l為1m。

2.3　垂直方向邊界的確定

埋地管道溫度場的上邊界為地表土壤，下邊界為一定深度h的恒溫層。恒溫層深度h隨著地域的緯度變化而變化，其計算公式^[8]為：

 

式中h——恒溫層深度，m

j——常量

qa,max——大氣最高日平均溫度，℃

qa,m——大氣年平均溫度，℃

e——土壤恒溫層溫度振幅，℃

a——土壤的熱擴散率，m²／s

t0——年周期時間(一年的時間)，s

位于恒溫層深度以上的土壤溫度隨著大氣溫度的變化而變化^[9]，但實際大氣溫度并不嚴格按周期變化，當(dāng)有寒流或暖流通過時，大氣溫度就會發(fā)生突變。氣溫突變持續(xù)時間越長，土壤受氣溫突變的影響程度越大；土壤深度越深，氣溫突變對其影響程度就越小。文獻表明，大氣溫度日變化對距離地表0.4m以內(nèi)的土壤溫度有較大的影響，而對0.4m以下的土壤溫度影響不大，更深處土壤只受月、年氣溫波動的影響^[10]。氣密性試驗的時間為24h，一定深度處的土壤受大氣溫度日變化的影響可以忽略不計，即氣密性試驗過程中，地下一定深度處的土壤溫度基本保持不變，可以假定為恒溫層，為便于計算，本文取h為4m。

恒溫層y=h處的邊界條件為絕熱邊界條件：

 

3　埋地鋼管溫度場的數(shù)值模擬

3.1　初始條件及邊界條件的設(shè)定

以規(guī)格為Æ219×6的20號鋼管為例進行計算，采用3PE防腐，防腐層厚度為2mm，埋地深度h1為1m。管道、防腐層及土壤的物性參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場測量，結(jié)果見表1。

 

初始條件及邊界條件的設(shè)定如下：

初始條件：本文假定土壤上邊界的地表溫度為20℃，土壤下邊界恒溫層的溫度設(shè)為16℃，土壤溫度從地表到恒溫層深度方向上假定為線性分布。試驗輸入的空氣溫度為40℃，管壁溫度在初始時刻認為與所處深度周圍土壤的溫度一致。

邊界條件：將土壤恒溫層、土壤上表面及水平方向截面設(shè)置為絕熱邊界條件。

3.2　埋地鋼管溫度場數(shù)值模型的建立

本文運用有限元軟件ANSYS的瞬態(tài)傳熱分析功能，通過對模型幾何形狀的建立，初始條件的確立以及邊界條件的加載，對埋地管道溫度場進行求解計算。

其中，有限元網(wǎng)格劃分是進行數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響著后續(xù)數(shù)值計算分析結(jié)果的精確性。建立土壤與管道的模型后，網(wǎng)格劃分可分為3個部分進行：土壤、管壁和管內(nèi)空間。由于傳熱主要發(fā)生在管子附近，故采用Spacing Ratio功能將局部網(wǎng)格細化，數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2。

 

3.3　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過有限元軟件模擬了管道氣密性試驗過程24h內(nèi)的溫度場分布，不同時刻的溫度場分布見圖3～8，t為模擬的時間，云圖下方彩色標尺的顏色深淺表示溫度的高低，數(shù)值表示溫度值，單位為℃。

 

由圖3可以看出，土壤溫度場在剛開始時呈自然分布，溫度場最高溫度在管道中心。傳熱從初始時刻開始至1.5h，管道對土壤溫度場的影響范圍逐漸增大，最高溫度仍然在管道中心，最高溫度逐漸降低，如圖4～6所示，當(dāng)時間為3min時，最高溫度為30.397℃，30min時，最高溫度降為20.851℃，l.5h時，最高溫度下降至20.213℃；當(dāng)時間為l.5h(見圖6)時，埋地管道的溫度基本與周罔土壤溫度相當(dāng)，說明傳熱基本達到平衡；當(dāng)傳熱進行到12h(見圖7)和24h(見圖8)時，埋地管道溫度場基本與1.5h時的溫度場相同，最高溫度出現(xiàn)在土壤上表面。

 

 

 

 

 

分別取管道中心A、管道外壁B、水平方向距管道0.1m處土壤C及水平方向距管道0.5m處土壤D這4個點，得到各點處溫度隨時間的變化曲線，見圖9。

 

由圖9可以看出，管道中心溫度在試驗剛開始階段下降較快，30min后管道中心溫度接近管道外壁溫度，管道中心溫度下降速度減緩。管道外壁溫度呈現(xiàn)先上漲后下降的趨勢，傳熱一開始，由于管內(nèi)溫度較高，管道外壁溫度升高，當(dāng)管內(nèi)溫度下降到一定程度時，管外壁對外傳熱量大于管道中心對外壁的傳熱量，外壁溫度逐漸下降。近管道土壤的溫度呈現(xiàn)上升趨勢，逐漸接近管道外壁溫度，而遠離管道處土壤溫度很緩慢地上升。

由圖9中傳熱進行到60min后管道中心與管外壁的溫度曲線可以看出，當(dāng)傳熱達到穩(wěn)定時，管內(nèi)溫度與管外壁溫度曲線接近重合，管內(nèi)溫度略高于管外壁溫度。取溫度場達到穩(wěn)定(1.5h)后的管內(nèi)、管外壁溫度數(shù)據(jù)進行擬合，得到管內(nèi)和管外壁溫度的擬合曲線(見圖l0)，其關(guān)系式見式(4)。圖l0中，黑點為模擬得到的管內(nèi)和管外壁溫度數(shù)據(jù)點，紅線為一次擬合曲線。由圖10可以看出，埋地管道溫度場達到穩(wěn)定后，管內(nèi)溫度和管外壁溫度的溫差均小于0.1℃，與試驗所獲得的數(shù)據(jù)基本符合(見表2)。

 

查看Origin擬合的結(jié)果，得到數(shù)值模擬的管內(nèi)溫度和管外壁溫度qout的擬合方程為：

qin＝1.24123qout-4.8    　　　(4)

相關(guān)系數(shù)Rs＝0.99979，標準差SD＝0.00064，方差S²＝0.00000041。

4　模擬與試驗結(jié)果比較

根據(jù)CJJ 33—2005《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范》，對埋地鋼管進行氣密性試驗，試驗在南方某城市進行，試驗條件與模擬條件一致。對管內(nèi)外溫度進行測量，得到管內(nèi)溫度qin1和管外壁溫度qout1，數(shù)據(jù)如表2所示。將模擬結(jié)果與試驗測量結(jié)果進行比較，得到相對誤差6，其計算公式為：

 

 

表2中，qin為將試驗得到的管外壁溫度qout1代入公式(4)計算得到的管內(nèi)溫度。由表2的比較結(jié)果可以看出，通過數(shù)值模擬擬合得到的管內(nèi)外溫度關(guān)系式計算的管內(nèi)溫度與試驗結(jié)果相近，所有數(shù)據(jù)的相對誤差都不超過1％，說明數(shù)值模擬的加載條件和結(jié)果準確，與試驗結(jié)果基本吻合。

5　結(jié)論

①運用有限元軟件ANSYS的熱分析功能，模擬得到了埋地管道氣密性試驗過程中溫度場隨時間的變化情況：試驗開始階段，管道溫度下降較快，30min后，管道溫度下降速度減緩，經(jīng)過1.5h后，管內(nèi)外溫度場基本達到穩(wěn)定。

②管道與土壤傳熱達到穩(wěn)定后，管內(nèi)外溫度基本呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系。

③模擬數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比分析證明，本文的簡化模型計算得到的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。

 

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本文作者：杜斌康  盧志明  盧沛  朱沈瑾  石來民

作者單位：浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院