王超

摘 要：熱油管道沿線土壤導(dǎo)熱系數(shù)是對(duì)管道設(shè)計(jì)、投產(chǎn)、運(yùn)行階段都有重要影響的基礎(chǔ)參數(shù)。土壤導(dǎo)熱系數(shù)通過(guò)直接影響管道總傳熱系數(shù)的大小，并對(duì)預(yù)熱投產(chǎn)和運(yùn)行期間管道溫降產(chǎn)生影響。但是土壤導(dǎo)熱系數(shù)受到管道沿線地形地貌、土壤類(lèi)型、氣候環(huán)境等因素影響較大，不同管道沿線區(qū)域土壤導(dǎo)熱系數(shù)可能顯著不同，所以準(zhǔn)確了解管道沿線的土壤導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)新建管道投產(chǎn)和運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本研究從分析土壤導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)熱油管道投產(chǎn)和運(yùn)行影響機(jī)理開(kāi)始，調(diào)研了解國(guó)內(nèi)外土壤導(dǎo)熱系數(shù)的主要測(cè)試方法，對(duì)比分析了各種土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法的原理和特點(diǎn)，給出土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的推薦方法。

關(guān)鍵詞：熱油管道 土壤導(dǎo)熱系數(shù) 穩(wěn)態(tài)平板法 熱線法 總傳熱系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TE8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（a）-0076-02

1 管道沿線土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的作用和意義

加熱輸送是我國(guó)多數(shù)原油管道運(yùn)行的基本方式，新建熱油管道預(yù)熱投產(chǎn)過(guò)程中需要建立合適的土壤溫度場(chǎng)，運(yùn)行過(guò)程中需要維持管內(nèi)原油溫度始終高于最低允許進(jìn)站溫度。管道投產(chǎn)和運(yùn)行方案的制定需要對(duì)管道熱力條件進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測(cè)，土壤導(dǎo)熱系數(shù)在管道熱力條件計(jì)算中起著重要作用。土壤導(dǎo)熱系數(shù)是構(gòu)成埋地管道總傳熱系數(shù)的關(guān)鍵因素，總傳熱系數(shù)的大小決定了管道沿線熱力參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。在管道設(shè)計(jì)階段，就需要對(duì)管道沿線的土壤導(dǎo)熱系數(shù)有準(zhǔn)確的掌握，以此計(jì)算出的熱站間距等參數(shù)才能保證管道運(yùn)行的安全。

已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行的熱油管道，可以通過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況反算管道總傳熱系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算管段平均土壤導(dǎo)熱系數(shù)[1]。但對(duì)于新建管道和尚未達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的熱油管道，土壤導(dǎo)熱系數(shù)多采用經(jīng)驗(yàn)取值或類(lèi)比鄰近管道的土壤導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)，土壤導(dǎo)熱系數(shù)的準(zhǔn)確性難以保證。

土壤導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用的方法和儀器各不相同，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性也有較大差異，為了提高現(xiàn)場(chǎng)土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的精度，提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的效率，本研究對(duì)土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的常見(jiàn)兩種方法進(jìn)行了分析對(duì)比。

2 土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法

土壤導(dǎo)熱系數(shù)是指通過(guò)土壤的熱流密度與溫度梯度之比，指在穩(wěn)定傳熱條件下，1 m厚均勻土層，兩側(cè)表面的溫差為1 ℃，1 s內(nèi)通過(guò)1 m2傳熱面積傳遞的熱量。土壤導(dǎo)熱系數(shù)是土壤性質(zhì)的一種，和所處的溫度、本身厚度等參數(shù)無(wú)關(guān)，一般通過(guò)觀測(cè)土壤的傳熱過(guò)程，統(tǒng)過(guò)測(cè)量溫度和時(shí)間等間接計(jì)算得到。土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法主要可以分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩類(lèi)，常見(jiàn)的測(cè)量方法主要有以下2種。

2.1 穩(wěn)態(tài)平板法

穩(wěn)態(tài)平板法是國(guó)標(biāo)中規(guī)定測(cè)試多種材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法【加入導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的國(guó)標(biāo)】，其測(cè)試原理如圖1所示：

依據(jù)傅利葉傳熱定律：

（1）

所以穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量土壤導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式為：

（2）

式中：λ為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）

h為試樣厚度，m；

Q為試樣兩個(gè)端面的傳熱速率，W；

S為試樣端面面積，m2；

T1為試樣上端面溫度，℃；

T2為試樣下端面溫度，℃。

穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)量土壤導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)有測(cè)試精度高，測(cè)試重復(fù)性好，受到環(huán)境溫度、濕度等外在因素的影響較小的特點(diǎn)。也是國(guó)標(biāo)規(guī)定實(shí)驗(yàn)室測(cè)定各種介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法[2]，趙貴章、王文科等[3]在毛烏素沙地測(cè)量了土壤導(dǎo)熱系數(shù)和含水率的關(guān)系時(shí)就采用的這種方法。

穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)試儀器較為復(fù)雜，儀器體積和重量不方便現(xiàn)場(chǎng)攜帶。測(cè)試樣品的制作過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)樣品的厚度，表面平整度，樣品內(nèi)部的均勻性都有一定的要求。穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)試時(shí)要求環(huán)境溫度，風(fēng)速等盡可能穩(wěn)定，否則會(huì)對(duì)散熱平板產(chǎn)生干擾，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試很難達(dá)到測(cè)試的環(huán)境要求。穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)試時(shí)要達(dá)到穩(wěn)定傳熱需要的時(shí)間較長(zhǎng)。以上因素決定該方法不適用于管道沿線土壤導(dǎo)熱系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，但是可以對(duì)管道沿線的土壤取樣，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)量分析。

2.2 熱線法

熱線法也叫探針?lè)?，是測(cè)量土壤等粉狀介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的常用方法，其測(cè)試原理如圖2所示[4]。

熱線法假設(shè)探針是長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑的理想熱源，當(dāng)以恒定功率加熱電熱絲時(shí)，距離熱線r處溫度滿足下面表達(dá)式[5]：

（3）

式中，θ為過(guò)余溫度，℃；

τ為加熱時(shí)間，s；

q為電阻絲加熱功率，W；

α為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；

t為τ時(shí)刻的溫度，℃；

r為點(diǎn)到熱線的距離，m；

t0為初始溫度，℃；

Ei為指數(shù)積分函數(shù)，表達(dá)式為：

（4）

當(dāng)忽略Ei的高階無(wú)窮小部分以后

（5）

整理得到熱線法測(cè)試土壤導(dǎo)熱系數(shù)的表達(dá)式

（6）

測(cè)試過(guò)程中測(cè)量并記錄q，τ1，t1，τ1，t1，即可求出土壤的導(dǎo)熱系數(shù)λ。熱線法主要優(yōu)點(diǎn)包括測(cè)試儀器較小方便攜帶；測(cè)試時(shí)被測(cè)介質(zhì)溫度不需要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)試時(shí)間短；測(cè)試時(shí)把測(cè)試探針插入被測(cè)介質(zhì)中，不需要制作專門(mén)的測(cè)試樣品；測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果可靠，是進(jìn)行土壤導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最重要的方法，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

熱線法測(cè)試的主要缺點(diǎn)是測(cè)試探針需要集成電熱絲和測(cè)溫單元，同時(shí)保證一定的長(zhǎng)徑比和強(qiáng)度，對(duì)探針的加工工藝要求較高，測(cè)試時(shí)需要同時(shí)記錄測(cè)試時(shí)間和探針溫度，對(duì)控制器的要求較高，測(cè)試儀器價(jià)格較高。此外探針需要插入被測(cè)介質(zhì)內(nèi)部，同時(shí)保證和介質(zhì)的緊密接觸，所以適用于較為松散的土壤，不能測(cè)量較為堅(jiān)硬的土壤。

3 土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法優(yōu)選

熱油管道里程較長(zhǎng)，沿線地形地貌復(fù)雜，管道沿線局部影響因素較多，所以需要對(duì)管道沿線不同位置的土壤導(dǎo)熱系數(shù)分別進(jìn)行測(cè)量。管道沿線的土壤導(dǎo)熱系數(shù)可能隨著季節(jié)和降雨的影響發(fā)生變化，一年中需要進(jìn)行多次測(cè)量。所以如果要對(duì)管道沿線土壤導(dǎo)熱系數(shù)有深入的了解，就要對(duì)針對(duì)管道沿線廣泛選取測(cè)試點(diǎn)，按一定周期在一年中進(jìn)行多輪次的測(cè)試工作，這要求選擇較為快捷的土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法。

根據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試管道沿線土壤導(dǎo)熱系數(shù)的要求，對(duì)多種土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

穩(wěn)態(tài)平板法由于測(cè)試精度高，制作的試樣易于對(duì)土壤的含水率，密實(shí)度，土壤成分等參數(shù)進(jìn)行控制，可以較為準(zhǔn)確研究土壤不同條件下的導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律，該方法也可以用來(lái)標(biāo)定熱線法的測(cè)試結(jié)果，目前在土壤導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究中有較為廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試原理和方法進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

（1）穩(wěn)態(tài)平板法適合對(duì)管道沿線的土壤樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室詳細(xì)測(cè)試。主要特點(diǎn)是測(cè)試精度高，重復(fù)性好，并能通過(guò)調(diào)整土壤樣品的含水率、密實(shí)度等參數(shù)，研究土壤樣品在不同參數(shù)下的變化規(guī)律，有助于分析管道沿線土壤受降雨等因素影響后的導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢(shì)。

（2）熱線法是進(jìn)行管道沿線土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的最佳方法。該方法具有測(cè)試時(shí)間短、精度高，測(cè)試儀器便攜性好，測(cè)試過(guò)程中受環(huán)境因素的影響較小，測(cè)試時(shí)對(duì)原狀土的擾動(dòng)較小等特點(diǎn)，適合進(jìn)行管道沿線大范圍的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。

參考文獻(xiàn)

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