王超

摘 要：熱油管道沿線土壤導熱系數(shù)是對管道設計、投產(chǎn)、運行階段都有重要影響的基礎參數(shù)。土壤導熱系數(shù)通過直接影響管道總傳熱系數(shù)的大小，并對預熱投產(chǎn)和運行期間管道溫降產(chǎn)生影響。但是土壤導熱系數(shù)受到管道沿線地形地貌、土壤類型、氣候環(huán)境等因素影響較大，不同管道沿線區(qū)域土壤導熱系數(shù)可能顯著不同，所以準確了解管道沿線的土壤導熱系數(shù)對新建管道投產(chǎn)和運行的安全和經(jīng)濟性具有重要意義。本研究從分析土壤導熱系數(shù)對熱油管道投產(chǎn)和運行影響機理開始，調(diào)研了解國內(nèi)外土壤導熱系數(shù)的主要測試方法，對比分析了各種土壤導熱系數(shù)測量方法的原理和特點，給出土壤導熱系數(shù)測量的推薦方法。

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

中圖分類號：TE8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0076-02

1 管道沿線土壤導熱系數(shù)測試的作用和意義

加熱輸送是我國多數(shù)原油管道運行的基本方式，新建熱油管道預熱投產(chǎn)過程中需要建立合適的土壤溫度場，運行過程中需要維持管內(nèi)原油溫度始終高于最低允許進站溫度。管道投產(chǎn)和運行方案的制定需要對管道熱力條件進行準確計算和預測，土壤導熱系數(shù)在管道熱力條件計算中起著重要作用。土壤導熱系數(shù)是構成埋地管道總傳熱系數(shù)的關鍵因素，總傳熱系數(shù)的大小決定了管道沿線熱力參數(shù)的計算結果。在管道設計階段，就需要對管道沿線的土壤導熱系數(shù)有準確的掌握，以此計算出的熱站間距等參數(shù)才能保證管道運行的安全。

已經(jīng)穩(wěn)定運行的熱油管道，可以通過穩(wěn)態(tài)運行工況反算管道總傳熱系數(shù)，進而計算管段平均土壤導熱系數(shù)[1]。但對于新建管道和尚未達到穩(wěn)定運行的熱油管道，土壤導熱系數(shù)多采用經(jīng)驗取值或類比鄰近管道的土壤導熱系數(shù)參數(shù)，土壤導熱系數(shù)的準確性難以保證。

土壤導熱系數(shù)現(xiàn)場測試采用的方法和儀器各不相同，測試結果的準確性也有較大差異，為了提高現(xiàn)場土壤導熱系數(shù)測試的精度，提高現(xiàn)場測試的效率，本研究對土壤導熱系數(shù)測試的常見兩種方法進行了分析對比。

2 土壤導熱系數(shù)測量方法

土壤導熱系數(shù)是指通過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，兩側表面的溫差為1 ℃，1 s內(nèi)通過1 m2傳熱面積傳遞的熱量。土壤導熱系數(shù)是土壤性質(zhì)的一種，和所處的溫度、本身厚度等參數(shù)無關，一般通過觀測土壤的傳熱過程，統(tǒng)過測量溫度和時間等間接計算得到。土壤導熱系數(shù)測量方法主要可以分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩類，常見的測量方法主要有以下2種。

2.1 穩(wěn)態(tài)平板法

穩(wěn)態(tài)平板法是國標中規(guī)定測試多種材質(zhì)導熱系數(shù)的標準方法【加入導熱系數(shù)測試的國標】，其測試原理如圖1所示：

依據(jù)傅利葉傳熱定律：

（1）

所以穩(wěn)態(tài)平板法測量土壤導熱系數(shù)的計算公式為：

（2）

式中：λ為土壤導熱系數(shù)，W/（m·℃）

h為試樣厚度，m；

Q為試樣兩個端面的傳熱速率，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)平板法測量土壤導熱系數(shù)時有測試精度高，測試重復性好，受到環(huán)境溫度、濕度等外在因素的影響較小的特點。也是國標規(guī)定實驗室測定各種介質(zhì)導熱系數(shù)的標準方法[2]，趙貴章、王文科等[3]在毛烏素沙地測量了土壤導熱系數(shù)和含水率的關系時就采用的這種方法。

穩(wěn)態(tài)平板法測試儀器較為復雜，儀器體積和重量不方便現(xiàn)場攜帶。測試樣品的制作過程較為復雜，對樣品的厚度，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)平板法測試時要求環(huán)境溫度，風速等盡可能穩(wěn)定，否則會對散熱平板產(chǎn)生干擾，現(xiàn)場測試很難達到測試的環(huán)境要求。穩(wěn)態(tài)平板法測試時要達到穩(wěn)定傳熱需要的時間較長。以上因素決定該方法不適用于管道沿線土壤導熱系數(shù)的現(xiàn)場測量，但是可以對管道沿線的土壤取樣，并在實驗室中進行測量分析。

2.2 熱線法

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

熱線法假設探針是長度遠大于直徑的理想熱源，當以恒定功率加熱電熱絲時，距離熱線r處溫度滿足下面表達式[5]：

（3）

式中，θ為過余溫度，℃；

τ為加熱時間，s；

q為電阻絲加熱功率，W；

α為導溫系數(shù)，m2/s；

t為τ時刻的溫度，℃；

r為點到熱線的距離，m；

t0為初始溫度，℃；

Ei為指數(shù)積分函數(shù)，表達式為：

（4）

當忽略Ei的高階無窮小部分以后

（5）

整理得到熱線法測試土壤導熱系數(shù)的表達式

（6）

測試過程中測量并記錄q，τ1，t1，τ1，t1，即可求出土壤的導熱系數(shù)λ。熱線法主要優(yōu)點包括測試儀器較小方便攜帶；測試時被測介質(zhì)溫度不需要達到穩(wěn)定狀態(tài)，測試時間短；測試時把測試探針插入被測介質(zhì)中，不需要制作專門的測試樣品；測試過程簡單，測試結果可靠，是進行土壤導熱系數(shù)現(xiàn)場測試最重要的方法，已經(jīng)得到了廣泛的應用。

熱線法測試的主要缺點是測試探針需要集成電熱絲和測溫單元，同時保證一定的長徑比和強度，對探針的加工工藝要求較高，測試時需要同時記錄測試時間和探針溫度，對控制器的要求較高，測試儀器價格較高。此外探針需要插入被測介質(zhì)內(nèi)部，同時保證和介質(zhì)的緊密接觸，所以適用于較為松散的土壤，不能測量較為堅硬的土壤。

3 土壤導熱系數(shù)測試方法優(yōu)選

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

根據(jù)以上現(xiàn)場測試管道沿線土壤導熱系數(shù)的要求，對多種土壤導熱系數(shù)測試方法進行比較，結果見表1。

穩(wěn)態(tài)平板法由于測試精度高，制作的試樣易于對土壤的含水率，密實度，土壤成分等參數(shù)進行控制，可以較為準確研究土壤不同條件下的導熱系數(shù)的變化規(guī)律，該方法也可以用來標定熱線法的測試結果，目前在土壤導熱系數(shù)的實驗室研究中有較為廣泛的應用。

4 結論

文中通過對常見的土壤導熱系數(shù)測試原理和方法進行對比分析，得到以下結論。

（1）穩(wěn)態(tài)平板法適合對管道沿線的土壤樣品進行實驗室詳細測試。主要特點是測試精度高，重復性好，并能通過調(diào)整土壤樣品的含水率、密實度等參數(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熱系數(shù)變化趨勢。

（2）熱線法是進行管道沿線土壤導熱系數(shù)測量的最佳方法。該方法具有測試時間短、精度高，測試儀器便攜性好，測試過程中受環(huán)境因素的影響較小，測試時對原狀土的擾動較小等特點，適合進行管道沿線大范圍的現(xiàn)場測試工作。

參考文獻

[1] 崔慧.埋地熱油管道總傳熱系數(shù)的研究：油氣儲運[M].2005，24：17-19.

[2] IEEE.Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements.Std 442-1981. BOARD I S.1996.

[3] 趙貴章，王文科，李云良，等.毛烏素沙地典型巖性導熱系數(shù)試驗和模型研究[J].西北農(nóng)林科技大學學報，2010，38：224-228.

[4] 馬然.基于熱探針的高精度多功能熱物性測量系統(tǒng)研究[J].中國科學技術大學熱能工程，2011.

[5] 侯方卓.用探針法測定材料的導熱系數(shù).中國石油大學學報：自然科學版， 1994，18（5）：94-98.