直埋保溫管道傳熱系數測試與分析

2024年3月31日發(作者：月的詞語)

區域供熱2019.5期

直埋保溫管道傳熱系數測試與分析

北京市公用事業科學研究所馮文亮白冬軍

揖摘要銥本文介紹了直埋保溫管道總傳熱系數的定義堯計算方法和使用熱流計

法測試總傳熱系數的原理遙依據測試方法袁從管道介質循環加熱系統堯試驗沙箱環境堯

環境監測堯試驗樣品制備與測點布置堯試驗步驟幾個方面介紹了實驗室直埋管道總傳

熱系數測試系統的設計與實現袁并通過實際樣品在系統中進行總傳熱系數測試袁利用

溫差法進行校核袁驗證測試方法與系統的可行性與準確性遙

揖關鍵詞銥直埋管道曰傳熱系數曰熱流計曰導熱系數

DOI編碼:10.16641/11-3241/tk.2019.05.005

0引言

質與周圍介質溫差為1益時袁單位時間內通過

管道單位傳熱表面所傳遞的熱量袁表示管道

內流體對周圍介質散熱的強弱遙對于埋地保

溫管道袁如輸油管道堯熱水管道堯蒸汽管道袁管

道傳熱主要由管內流體介質至管壁放熱袁管

壁保溫層的熱傳導袁以及保溫層到土壤的散

流密度與管道總傳熱系數的關系如下式

咱3暫

院

q

l

=K仔D

e

淵t-t

SE

冤

式中院

q

l

要單位長度線熱流密度袁W/m曰

熱部分組成

咱2暫

遙在穩態傳熱條件下袁管道線熱

淵1冤

直埋保溫管道具有高效保溫堯防水堯防腐

等優異特點袁在集中供熱堯輸油工程堯中央空

調堯保冷工程堯化工堯醫藥等領域得到了廣泛

的應用遙各種新型保溫材料和保溫結構以及

防腐材料的應用技術也隨之得到發展遙和架

空敷設堯管溝敷設不同袁直埋管道是通過保溫

外表面向周圍土壤淵水和土的混合體冤傳熱

的袁這使得絕熱設計有所區別遙架空敷設堯管

溝敷設環境熱阻可看成是相同的袁而直埋管

從而影響管道保溫效果

咱1暫

遙實際工程中袁例如

在集中供熱領域對于散熱損失與管道經濟性

核算袁輸油管道介質溫降堯安全輸送等都需要

考慮埋深和土壤的影響遙總傳熱系數通常是

直埋保溫管道在實際布設環境與運行工況條

件下保溫效果的衡量指標袁通過實驗室手段

對管道運行工況進行模擬并準確測量其總傳

熱系數對于工程設計堯運行堯產品研發堯定型

具有重要意義遙

1測試原理

管道總傳熱系數K值袁指管道內流體介

-38-

道受深度堯地區影響袁土壤熱阻會有所變化袁

W/淵m

2

窯益冤曰

K要管道計算直徑所對應的總傳熱系數袁

D

e

要管道計算直徑袁m曰

t

SE

要直埋管道周邊環境溫度袁益遙

由式淵1冤可知袁通過測量管道單位長度線

熱流密度堯工作鋼管中的介質溫度堯直埋管道

周邊環境溫度袁便可得到該布設條件下的保

溫管道的總傳熱系統遙對于管道單位長度線

熱流密度袁可參考GB/T28638-2012葉城鎮供

熱管道保溫結構散熱損失測試與保溫效果評

t要工作鋼管中介質溫度袁益曰

定方法曳中的內容袁采用熱流計法開展測試遙

熱流計法熱流密度計算公式如下院

q=C窯E淵2冤

式中院

q要該測點散熱熱流密度袁W/m

2

c要熱流傳感器測頭系數袁W/淵m

曰

2

E要熱流傳感器的輸出電壓袁mV

窯

遙

mV冤曰

50mm

熱

或

流

100mm

傳感器

伊

的大

100mm

小有

袁因

限

此

袁一

在

般

測

為

試

150mm

管道熱

伊

流密度時袁一般在被測管段中間位置附近選

擇周向測試截面布點測試袁對于工作管道直

徑小于500mm的管道袁測點布置如圖1所

示遙

圖1測點布置

對于工作管道直徑不小于500mm的情

況袁最好在被測管段上選擇不少于一個有代

表性的測試截面袁沿周向均勻設置8個測點

進行測試遙管段的散熱流密度為各測點在采

集時間段內熱流密度的平均值遙管段的線熱

流密度按下式計算

咱4暫

q

l

=仔Dq

院

淵3冤

式中院

q要被測管段的熱流密度平均值袁W/m

2

D要被測管段保溫結構外徑袁m遙

曰

由淵1冤淵2冤淵3冤可知袁管道總傳熱系數可由

下式得到院

K=

D窯移

n

mmD

i=1

淵C

e

淵

窯

i

t-t

移

m

j=1

E

ij

SE

冤

冤

淵4冤

區域供熱2019.5期

K要被測管段計算直徑所對應的總傳熱

系數袁W/淵m

2

D要被測

窯益冤曰

管段保溫結構外徑袁m曰

n要傳感器布點數量曰

m要測試時間段內的數據采集次數曰

C

i

E

ij

要

要

第

第

i

i

個

個

熱

熱

流傳感器測頭系數袁W/淵m窯

2

V冤曰

的第j次采集到的

流

輸出

傳

電

感

壓

器

袁

在

mV

測

曰

試時間段內

D

e

t要

要

工

被測

作鋼

管

管

段

中

計

介

算

質

直

溫

徑

度

袁

袁益曰

m曰

t

2

SE

要

2.1

測試

直埋

試驗

系統

管道

環境及

設計

周邊環境溫度袁益遙

在實驗室環境下模

設備

擬實際工程的運行工

況測試被測管道的總傳熱系數遙將管道埋在

試驗沙箱內模擬工程現場的直埋條件袁將管

道接入導熱油循環加熱系統袁通過循環加熱

導熱油袁模擬實際工程中管道的介質輸送溫

度袁循環加熱系統原理圖如圖2所示遙保溫管

道循環加熱系統主要由電加熱器堯循環水泵堯

膨脹管堯儲油罐堯循環管路堯被測樣品管路堯電

氣控制柜堯注油主泵堯安全閥等管路附件組

成遙

沙箱示意圖如圖3所示遙沙箱的尺寸一

般根據被測管道尺寸堯埋深以及管道外表面

溫度而定袁沙箱尺寸越大袁管道周圍溫場分布

越趨近于理想狀態遙本文介紹的試驗系統沙

箱寬4m袁土壤深度3m袁長度8m袁可容納5m

長的被測樣品袁沙箱底部與四壁設有防水層袁

防止實驗沙箱所處地區地下水位過高導致坑

內滲水影響試驗所填沙土的導熱系數遙試驗

填沙細度及夯實度可參照工程要求袁通過改

變含水率來調節沙土的導熱系數袁使其滿足

試驗要求遙土層上設置0.9m耀1m的封閉空氣

層袁通過空調恒溫系統及保溫措施袁調節空氣

層溫度袁模擬試驗所需的地表大氣溫度袁避免

由于室外陽光直射堯天氣劇烈變化堯降水等因

素造成地表環境溫度不穩定的情況遙當該試

驗沙箱建在室內時袁可通過調整室內溫度環

-39-

區域供熱2019.5期

圖2循環加熱系統原理圖

境使其滿足試驗要求袁而省略圖3中的保溫

蓋板及空調系統遙如圖3堯圖4所示袁被測管道

四周上下堯左右靠近坑壁堯坑底以及土壤表面

沿管道方向分別布設PT100溫度傳感器淵每

個方向不小于3個冤監測點袁監測土壤溫場的

均勻度情況和溫度波動情況袁其中管道兩側

溫度監測點埋設深度與被測管道中心在同一

水平面上袁用于測量埋設相對較深的管道的

圖3實驗沙箱及樣品橫剖面示意圖

周圍土壤環境溫度袁土壤表面的溫度監測點

用于測量地表環境溫度遙

圖4實驗樣品布設環境縱剖面示意圖

-40-

區域供熱2019.5期

被測管道樣品的處理如圖4所示袁管道

兩端用法蘭盲板或焊接封頭封死袁兩端盲板

或封頭上各開有進油口和出油口袁進油口開

在偏向管底袁出口開在偏向管頂袁便于導熱油

循環加熱時袁被測管道內氣體的排出遙兩端盲

板或封頭上安裝有PT100鎧裝鉑電阻溫度傳

感器袁測溫探頭伸向管道內袁用于測量管道進

出口油溫袁其兩個溫度測量值的平均值為管

道介質溫度遙盲板或封頭堯管路堯傳感器安裝

連接完成后袁需對金屬裸露部分進行保溫防

護處理袁以免熱量集中散失袁影響土壤溫場均

勻性袁保證在試驗過程中管道熱量的傳遞是

垂直于管道表面的遙

2.2試驗樣品測點布置

當被測管道工作管的直徑小于500mm

傳感器的數據袁觀察測定數據的變化情況遙

10min遙

淵3冤確認已達到亞穩態條件后袁開始正式

測試袁采集和記錄數據遙

淵4冤數據采集應1min1次袁連續記錄

淵5冤同一測試截面相同參數所測數據袁應

按算數平均值的方法計算該參數值遙

淵6冤根據所測熱流值堯工作鋼管中介質溫

度堯直埋管道周邊環境溫度及管道尺寸計算

被測管道的總傳熱系數遙

3實際樣品測試與分析

下面以實際保溫輸油管道為例袁介紹其

總傳熱系數測試過程與計算結果袁被測管道

規格如下院

淵1冤工作鋼管院610mm伊10.1mm袁X65袁

LSAW曰

時袁試驗管道長度宜為3m袁當工作管徑直徑

大于或等于500mm袁試驗管段長度應大于或

等于5m袁如圖4所示遙當被測管道的工作管

直徑大于或等于500mm時袁應在被測管段中

間相距500mm處選取兩個測試截面袁沿保溫

結構外表面周向均勻設置8個測點袁如圖5

所示袁每個測點布設熱流和溫度傳感器遙熱流

和溫度傳感器涂有導熱硅脂緊密貼附在保溫

結構表面袁并用膠帶纏牢遙

2.3傳熱系數測試步驟

淵1冤各測試截面的測試傳感器貼附完畢

淵2冤氧粉末淵FBE冤防腐層厚度院400~

600滋m曰

淵3冤聚氨酯淵PU冤保溫層厚度院79mm曰

淵4冤密度聚乙烯淵PE冤外護層厚度院6mm袁

PE100級遙

度80kg/m

3

袁按2.2節所述方法袁兩端通過封頭

被測樣品長度5m袁聚氨酯泡沫淵PUF冤密

封死袁并設置供回油口袁與導熱油循環加熱系

統連接遙在管道中間位置A堯B兩處袁各選擇2

個垂直于管段軸線的測試截面袁2個測試截面

的間距為500mm袁布設傳感器遙傳感器布設位

置如圖5所示袁在PE外護層外緊貼外護層布

設8個熱流傳感器及8個溫度傳感器

淵PT100冤袁上述傳感器布設位置均為上下堯左

右以及斜45度位置布設遙

后袁管道應在試驗工況穩定連續運行不少于

72h遙

淵2冤將各傳感器連接到數據采集系統袁檢

查管道運行工況和測試截面處的測定數據是

否穩定遙對測試截面進行預備測試袁讀取熱流

圖5被測管道測試截面測點布置圖

-41-

區域供熱2019.5期

測試工況要求院

樣品埋深1m淵管頂距土層表面冤袁通過改

變含水率使土壤導熱系數達到1.9W/淵m窯K冤袁

介質循環加熱溫度分別為50益堯80益遙

測試結果如表1所示袁其中管道保溫結

構的傳熱系數是不考慮管道外界土壤條件袁

只有管道保溫結構本身絕熱效果決定袁由被

測管道線熱流密度與管內循環介質平均溫度

和保溫結構外表面平均溫度計算得到袁而被

測直埋管道總傳熱系數是考慮管道周圍土壤

式中院

姿

i

要第i層保溫材料在使用溫度下的導

熱系數袁W/淵m窯K冤曰

d

i

要第i層保溫材料外徑袁m曰

d

i-1

要第i層保溫材料內徑袁m曰

n要保溫材料層數遙

由于被測直埋管道中心至地表的埋深為

R

l

要被測管段保溫結構綜合熱阻袁m窯K/W曰

條件和埋深的袁由式淵4冤計算得到

咱5暫

遙

不同循環介質工況下得到的總傳熱系數

有所不同遙主要是由于不同管道內介質溫度

下管道保溫層的導熱系數有所變化所致遙我

們可以通過溫差法對線熱流密度與總傳熱系

數進行驗證遙

直埋供熱管道保溫結構單位長度線熱流

密度可按下式計算院

淵5冤

q

l

=

t-t

SE

R

l

+R

E

式中院

q

l

要被測管段單位長度線熱流密度袁W/m曰

R

l

要被測管段保溫結構綜合熱阻袁m窯K/W曰

R

E

要被測直埋管道周圍土壤熱阻袁m窯K/W遙

t要工作鋼管中介質溫度袁益曰

t

SE

要直埋管道周邊環境溫度袁益遙

1.39m袁小于2倍的管道保溫結構外徑遙直埋

管道周圍土壤熱阻按下式計算院

R

E

=

1

伊arcosh

2H

E

D

2仔伊姿

E

淵7冤

R

E

要被測直埋管道周圍土壤熱阻袁

m窯K/W曰

姿

E

要實測土壤導熱系數袁W/淵m窯K冤曰

H

E

要直埋管道中心至地表深度袁m曰

D要被測管段保溫結構外徑袁m遙

式中院

由于被測管道工作鋼管的導熱系數相對

于保溫結構很大袁防腐層很薄只有400滋m~

600滋m袁因此保溫結構綜合熱阻只考慮聚氨

酯泡沫保溫層與高密度聚乙烯外護層的影

響遙試驗環境下土壤實測到熱系數為

1.885W/淵m窯K冤袁從被測管段相同管道的保溫

管道保溫結構綜合熱阻按下式計算院

1

伊ln

d

i

淵6冤

R

l

=

1

伊移

n

i=1

d

i-1

姿

i

2仔

蓸蔀

結構中取樣袁測試聚氨酯泡沫和高密度聚乙

烯外護管的導熱系數遙試驗環境下高密度聚

乙烯外護管的導熱系數為0.490W/淵m窯K冤遙

對于被測管內循環介質溫度50益工況

表1管道總傳熱系數現場測試結果

工況2

50.81

21.88

8.92

被測管內循環介質平均溫度/益

保溫結構外表面平均熱流密度/淵Wm

-2

冤

保溫管道平均線熱流密度/淵Wm

-1

冤

保溫結構外表面平均溫度/益

直埋保溫管道周邊環境溫度/益

管道保溫結構的傳熱系數淵D

e

為工作管內徑處冤

直埋保溫管道總傳熱系數淵D

e

為工作管內徑處冤

/淵Wm

-2

窯K

-1

冤

/淵Wm

-2

窯K

-1

冤

81.15

18.39

45.03

13.90

0.4017

0.3610

工況1

被測管內循環介質平均溫度/益

保溫結構外表面平均熱流密度/淵Wm

-2

冤

保溫管道平均線熱流密度/淵Wm

-1

冤

保溫結構外表面平均溫度/益

直埋保溫管道周邊環境溫度/益

管道保溫結構的傳熱系數淵D

e

為工作管內徑處冤

直埋保溫管道總傳熱系數淵D

e

為工作管內徑處冤

/淵Wm

-2

窯K

-1

冤

/淵Wm窯K冤

-2-1

19.05

13.21

20.71

0.3714

0.3137

-42-

區域供熱2019.5期

下袁根據所測介質及管道保溫結構外表面溫

度袁取其平均溫度35益條件下袁所測聚氨酯泡

沫到熱系數為0.02472W/淵m窯K冤遙根據公式

淵5冤~公式淵7冤計算得到被測管段單位長度線

統的設計實現袁包括被測管道介質熱循環系

統堯管道布設環境堯環境溫度監測堯管道熱流

溫度測試以及試驗步驟要求遙通過實際管道

樣品在實驗室測試系統在給定布設條件下不

同運行工況的驗證試驗袁對測量結果進行分

析袁利用溫差法進行校核袁驗證了測量方法與

實驗系統的可行性與準確性遙該系統可為工

程設計堯產品開發與定型提供數據支持袁對其

在不同工況下的散熱情況進行實驗驗證遙

參考文獻

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熱流密度為22.78W/m袁直埋保溫管道總傳熱

系數為0.3271W/淵m

2

窯K冤袁與熱流計測試結果

相比袁相對偏差為4.1%遙

對于被測管內循環介質溫度80益工況

下袁根據所測介質及管道保溫結構外面表溫

度袁取其平均溫度50益條件下袁所測聚氨酯泡

沫到熱系數為0.02673W/淵m窯K冤遙根據公式

淵5冤~公式淵7冤計算得到被測管段單位長度線

熱流密度為43.73W/m袁直埋保溫管道總傳熱

系數為0.3511W/淵m

2

窯K冤袁與熱流計測試結果

相比袁相對偏差為2.8%遙

兩種工況下的測試結果相對偏差均小于

5%袁試驗效果滿意遙

系數分析及評價咱J暫.油氣田地面工程袁2006淵10冤:

4小結

本文給出了通過熱流計法對直埋保溫管

咱3暫楊開玖袁梁曉寒袁王建國袁楊波.泡沫塑料保溫管道

18+65-62.

總傳熱系數的確定咱J暫.油氣儲運袁2005淵05冤:15-

道淵包含土壤環境冤的總傳熱系數的測試與計

算方法遙并給出了實驗室模擬直埋管道布設

環境與運行工況條件下的總傳熱系數測試系

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