多年冻土岛大多处于连续多年冻土和季节性冻土的过渡地带,沼泽化现象很普遍,对土壤热交换条件极其敏感。结合岛状冻土区土质条件及环境因素,建立饱和冻土多孔介质水热耦合模型并进行数值计算,研究水分迁移、冰水相变对冻土温度场和埋地原油管道非稳态传热的影响。对控制和减少因管基融沉导致的安全事故,保障管道长期稳定运营具有现实指导意义。
冻土区埋地热油管道最常见的安全问题是冻害破坏。当环境温度降至冰点以下,土壤中水分的冻结将伴随着水分向冻结前锋迁移,产生不均匀冻胀,加之周期性不可逆的冻融循环,极易造成管道失稳甚至破裂。研究管道冻害成因,应先预测埋地管道周围土壤冻融过程中温度场的变化,以及温度场与水分场的变化关系。采用有限体积法,建立土壤多孔介质水热耦合相变模型,利用SIMPLER算法进行数值求解,为了研究水分对土壤温度场的影响,这里对无水土壤和饱和含水土壤两种极限情况进行对比分析,结果表明:在输油管道运行初期,两种情况土壤温度场接近,随着运行时间的延长,饱和含水土壤温度场偏高,水分迁移和冰水相变对土壤温度场具有一定影响。
建立冻土区埋地热油管道停输过程水力、热力数学模型,并进行数值计算,考虑了土壤水分迁移、冰水相变及原油凝固潜热、自然对流换热对停输过程管内原油温降的影响,得到了停输期间土壤温度场分布。通过与不考虑水分迁移、冰水相变的停输温降进行对比。研究表明:受水分迁移、冰水相变的影响,管道周围土壤温度等值线向管道两侧移动范围较大,土壤平均温度与不考虑水分时相比偏高,在停输过程中管内原油温降速率小于不考虑水分时的情况,受土壤中水分的影响,停输过程管道周围土壤等温线延Y轴略向下偏移。
