陳昱芃

（西南油氣田分公司輸氣管理處，四川 成都 610213）

天然氣管道凍堵，會(huì)對(duì)管道輸量造成巨大影響，嚴(yán)重時(shí)可造成停輸事故。而管道內(nèi)積水是發(fā)生凍堵的主要原因，所以天然氣管道需根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行不定期清管作業(yè)，將積水排出，提高管輸效率。但在部分地區(qū)，冬季地溫在零度以下，導(dǎo)致管內(nèi)積水結(jié)冰，大大減小了管道的流通截面。使氣體在結(jié)冰管段發(fā)生截流效應(yīng)，輸量隨之下降。結(jié)冰后的管段，即使清管也無法達(dá)到清除積水的目的。傳統(tǒng)方法通過管道開挖，將結(jié)冰管段進(jìn)行外部加熱來疏通管道，但該方法工作量較大，疏通作業(yè)工期長(zhǎng)，不利于快速處理凍堵事故。近年來，管道電加熱解堵技術(shù)對(duì)原油管道凝管事故的應(yīng)用越來越多，該方法不僅解堵速度快，而且管道開挖工作量小[1-9]。本文借助CFD仿真軟件建立管道與液體介質(zhì)的流固耦合模型，將電加熱解堵技術(shù)應(yīng)用于天然氣管道（圖1），模擬計(jì)算管道中積水凝固融化過程及融化速率，分析電加熱解堵技術(shù)對(duì)天然氣管道的適用性，以期為天然氣管道凍堵疏通作業(yè)方案制定提供理論依據(jù)。

圖1 管道電加熱解堵工藝圖

1 模型建立

1.1 物理模型

本文借助 CFD仿真軟件建立管道積水凝固凍堵的二維模型，計(jì)算區(qū)域包括積水區(qū)和鋼管區(qū)兩部，分均采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，其中積水區(qū)作為主要研究對(duì)象對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化并對(duì)臨近管道內(nèi)壁區(qū)域劃分流動(dòng)邊界層（圖2）。利用該模型分別模擬計(jì)算不同管徑凍堵工況下積水融化規(guī)律和速率的變化情況，分析管道解堵效果。

圖2 管道徑向模型網(wǎng)格圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

積水融化相變研究過程中主要發(fā)生流體傳熱和流動(dòng)現(xiàn)象，滿足文獻(xiàn)[10-11]中3類控制方程。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

其中：τij—應(yīng)力張量，Pa；

gi和Fi—i方向上的重力體積力和外部體積力，N·m-3；

p—靜壓力，Pa。

τij用式（3）計(jì)算：

能量守恒方程：

其中：E—內(nèi)能，J；

Jj'—組分j′的擴(kuò)散流量，m3·s-1；

Sh—用戶定義的體積熱源項(xiàng)，J·kg-1；

keff—有效導(dǎo)熱率W·(m·K)-1；

hj'—同分子物質(zhì)的焓值。

E、h采用式（5）、式（6）計(jì)算：

式中：mj'—組分j'的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3 邊界條件和初始條件

由于管道通電加載解堵溫度時(shí)，鋼管外壁與內(nèi)壁間傳熱幾乎無溫度損耗，故本文模型中只針對(duì)管道內(nèi)壁與積水區(qū)的導(dǎo)熱和固液相變過程進(jìn)行研究。

式中：Tw—調(diào)節(jié)管道輸入電流及頻率管道外壁獲得的加載溫度；

Td—管道周圍地溫。

1.4 物性參數(shù)

以東北某天然氣管道低洼段凍堵疏通為例，管徑D610 mm×12 mm，管道埋深1.5 m，凍堵距離100 m，管道周圍地溫-4 ℃，積水的凝點(diǎn)和融點(diǎn)均為0 ℃，冰溶解熱為333.146 kJ·kg-1，凍堵模型中其余介質(zhì)相關(guān)物性參數(shù)如表1所示。

表1 管道積水凍堵模型相關(guān)物性參數(shù)

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 積水融化相變規(guī)律分析

天然氣管道凍堵疏通作業(yè)，給管道外部加載的溫度越高，管內(nèi)凝固介質(zhì)的融化速度越快，解堵疏通速率越高。但無論是天然氣管道還是其他介質(zhì)管道，都需要考慮溫度對(duì)管道熱應(yīng)力、內(nèi)涂層以及防腐層等的影響，溫度太高會(huì)對(duì)管道造成極大的傷害，影響管道未來的使用壽命。我國(guó)目前長(zhǎng)輸管道大部分設(shè)計(jì)溫度是不高于 70 ℃，故在解堵過程中從管道安全角度考慮，給管道施加的外部溫度與設(shè)計(jì)溫度之間要留出安全余量。另外，解堵設(shè)備一定的條件下，解堵的管段越長(zhǎng)，管道阻值越大，則需要輸入巨大電流才能使管壁達(dá)到并維持解堵溫度，電力能耗極高，且對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器及電纜等設(shè)備要求隨之提高。本文從安全及能耗雙方面考慮假定管道加載的解堵溫度為40 ℃來模擬DN600 mm天然氣管道凍堵工況，分析積水融化傳熱過程及擴(kuò)散規(guī)律，以此判斷電加熱解堵技術(shù)對(duì)天然氣管道解堵作業(yè)的適用性。

根據(jù)管內(nèi)積水固液相變溫度場(chǎng)變化等溫線圖（圖3）和管內(nèi)積水固液比例變化云圖（圖4）得知，解堵過程中固相冰是由外層向內(nèi)層逐漸融化，且在固液混合區(qū)消散后融化速度加快。原因在于解堵初期（見融化1 h圖）固相冰距離管壁較近，管壁與冰之間通過單一的熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行熱交換，表層冰融化后由表層向內(nèi)層滲透，形成了融化初期的冰水混合區(qū)，對(duì)熱量傳遞造成了阻隔作用，最終導(dǎo)致積水融化速度降低。但由于積水凝固和水融的溫度均為0 ℃，所以冰水混合區(qū)的形成與消散存在時(shí)間較短，故從解堵的中期和后期（第2 h到第6 h）固相融化速度明顯加快。其原因是管道內(nèi)壁與冰表層間形成了一個(gè)環(huán)向流場(chǎng)，冰與融化積水之間的熱交換傳熱方式由原來的靜態(tài)熱傳導(dǎo)變成了以熱對(duì)流為主導(dǎo)的能量交換方式，大大提升了熱量傳遞效率，所以積水融化速度隨之加快。

圖3 管內(nèi)積水固液相變溫度場(chǎng)變化等溫線圖

圖4 管內(nèi)積水固液比例變化云圖

2.2 管道施加不同溫度對(duì)解堵效率的分析

從圖5管道施加不同溫度積水相變曲線圖中得知，管道施加的溫度越高，積冰融化速率越快，尤其管壁溫度達(dá)到 50 ℃以上時(shí)，解堵速率出現(xiàn)大幅增大。其原因是管壁溫度越高，固相冰與管道內(nèi)壁之間的溫差越大，冰所吸收的熱量越多，熱對(duì)流的傳熱方式越早出現(xiàn)，最終冰水之間的固液相轉(zhuǎn)換速度加快。而管壁溫度達(dá)到 50 ℃以上時(shí)，液相水分子之間的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，進(jìn)一步增加了冰表面對(duì)流換熱作用，從而導(dǎo)致解堵速率出現(xiàn)大幅增大。

圖5 不同管道解堵速率曲線圖

但隨著液相比例達(dá)到80%以上時(shí)，不同管壁溫度解堵速率均呈下降趨勢(shì)，且管壁施加溫度越高，下降趨勢(shì)越明顯。其原因主要由于固相冰體積隨解堵時(shí)間增加而逐漸減小，一方面冰表面對(duì)流換熱作用相對(duì)放緩，另一方面冰周圍液相流體溫度相對(duì)靠近管壁處流體溫度較低，其通過熱傳導(dǎo)作用所吸收的熱量也不多，兩方面綜合作用下導(dǎo)致液相比例達(dá)到80%以上時(shí)，解堵速率下降。

2.3 電加熱解堵對(duì)不同口徑管道的影響分析

從圖6不同口徑管道施加40 ℃解堵相變變化曲線圖中得知，管徑越大解堵速率越小且解堵所用時(shí)間越長(zhǎng)。其原因在于管徑越大，管道中心低溫固相冰距離管壁熱源越遠(yuǎn)，熱量徑向傳遞損耗越大，越趨近管道中心冰融化速度越慢，最終導(dǎo)致管道解堵速率變小且總體解凝耗時(shí)較長(zhǎng)。

圖6 不同管徑施加40 ℃解堵相變變化曲線圖

3 結(jié) 論

根據(jù)積水在管道中凝固與融化的相變數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知：

1）天然氣管道應(yīng)用電加熱解堵技術(shù)，解堵初期，由于冰水混合區(qū)阻隔作用，解凝速率較?。欢舛碌闹泻笃?，冰水界面熱對(duì)流作用加強(qiáng)，解堵速率隨之增大。

2）管道施加的溫度越高，積水融化速度越快。但當(dāng)管道內(nèi)液相比例達(dá)到80%以上時(shí)，不同管壁溫度解堵速率均呈下降趨勢(shì)，且管壁施加溫度越高，下降趨勢(shì)越明顯。

3）管徑越大解堵速率越小，且解堵所用時(shí)間越長(zhǎng)。