供热管道保温层渗流特性实验与模拟研究_刘联胜.pdf

河北工业大学学报JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2023 年 2 月February 2023第 52 卷 第 1 期Vol.52 No.1供热管道保温层渗流特性实验与模拟研究刘联胜1，魏朝阳1，王晓雪1，高忠旺2，张春来2，董生启2（1.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401；2.承德热力集团有限责任公司，河北 承德 067000）摘要埋地供热管道发生小规模泄漏时，泄漏工质首先进入聚氨酯保温层中，此过程是研究泄漏工质进入周围土壤环境进行热质传递的重要基础。根据供热管道泄漏的实际情况，搭建了用于模拟实际管段泄漏的实验系统，建立了用于描述泄漏工质在保温层中渗流特性的三维数学模型并利用实验数据验证了其准确性。在此基础上，模拟分析了管道入口压力、泄漏孔径、泄漏孔朝向等因素对泄漏工质在保温层中渗流特性的影响。研究结果表明：泄漏工质在保温层中的压力与速度随管道入口压力与泄漏孔径的增大而增大，泄漏孔朝向越趋于管道正下方，泄漏工质在保温层中的压力与速度越大。管道入口压力对于泄漏工质在保温层中流动特性的影响最大、泄漏孔径次之、泄漏孔朝向对其影响最小。本文为完整研究管道泄漏过程及其检测领域提供了理论基础。关键词供热管道；聚氨酯保温层；泄漏工质；数值模拟；渗流特性中图分类号TK172文献标志码AExperimental and simulation study on seepage characteristics inthermal insulation layer of heating pipelineLIU Liansheng1,WEI Zhaoyang1,WANG Xiaoxue1,GAO Zhongwang2,ZHANG Chunlai2,DONG Shengqi2（1.School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Chengde Heat-ing Group Co.ltd,Chengde,Hebei 067000,China）AbstractWhen a small scale leakage occurs in buried heating pipeline,the leakage media first enters into polyurethane insulation layer.This process is important to study the heat and mass transfer of leakage media into the surroundedsoil environment.An experimental system was established to simulate the pipeline leakage according to the actual situation of heating pipeline leakage,and a corresponding three-dimensional mathematical model was also established and itsaccuracy was verified by experimental data.On this basis,the influence of inlet pressure of the pipeline,leakage aperture and leakage holes position on the seepage characteristics of leakage media in the insulation layer was analyzed bythis model.The results showed that the pressure and velocity in the insulation layer increased with the increase of inletpressure of the pipeline and leakage aperture,and the more the direction of the leakage hole s position tends to be directly below the pipeline,the greater the pressure and velocity of the leakage media are.The inlet pressure of the pipelinehas the greatest influence on the flow characteristics of leakage media in the insulation layer,followed by the leakage aperture and the position of the leakage hole.This paper can provide a theoretical basis for the complete study of buriedheating pipeline leakage process and its detection.Key wordsheating pipeline;polyurethane insulation;leakage media;numerical simulation;flow characteristics文章编号：1007-2373（2023）01-0050-08DOI：10.14081/ki.hgdxb.2023.01.007收稿日期：2022-06-27基金项目：天津市科技计划项目（19YFZCSF00850）；河北省重点研发计划（19274502D）第一作者：刘联胜（1970），男，教授。通信作者：王晓雪（1995），女，博士研究生，。刘联胜，等：供热管道保温层渗流特性实验与模拟研究0引言随着经济的快速发展，我国集中供暖的面积也在逐年增长1，供热管网作为连接热源和热用户的纽带在集中供热系统中发挥着重要作用。目前供热管网以直埋敷设为主2，而聚氨酯因其使用年限长且具有良刘联胜，等：供热管道保温层渗流特性实验与模拟研究51第 1 期好的保温性能，广泛应用于供热管道的保温层3-4。随着供热管道使用年限的增长，管道泄漏情况时有发生5-6，已报道的有关管道泄漏故障文献中，多数忽略了泄漏工质在保温层中的流动7-8。实际上供热管网建设时，管段连接处会进行焊接9以及二次发泡，导致管段连接处的强度较完整管段有所降低。供热管道发生泄漏时，泄漏工质首先会流入管道保温层中，渗流至强度高、耐腐蚀的外护管10-11时，由于外护管的阻挡泄漏工质会沿着保温层向两端渗流，当渗流经过管段接口或工艺不完善处，泄漏工质开始向供热管道周围的土壤中渗流。因此了解泄漏工质在保温层中的渗流情况，对于完整了解供热管道发生泄漏时的情况具有重要意义。国内外对于埋地供热管道的泄漏后，管道周围土壤环境的变化情况进行了部分研究。申金波12和袁朝庆等13分别建立了直埋供热管道泄漏的二维、三维数值模型，利用Fluent软件对直埋供热管道泄漏前后土壤的温度场进行了数值模拟。Matjaz等14建立了埋在混凝土管道中供热管道泄漏的三维数值模型，利用Fluent软件模拟研究了供热管道泄漏前后其周围土壤温度场的变化情况。陈述等15建立了埋地供热管道小泄漏实验，分别利用ROTDR光纤传感器与热敏电阻对管道泄漏后土壤的温度场进行了测量，利用人工神经网络建立了两个温度场之间的映射关系。Wu等16利用CFD软件对埋地供热管道泄漏后的温度场进行了模拟，将泄漏后的温度场分为了高温区、温度梯度区和土壤自然温度区。余本海17通过Fluent软件数值模拟了管道入口压力、漏孔朝向和土壤孔隙率等对埋地蒸汽管道泄漏后土壤温度场变化的影响。吴晋湘等18利用相似原理搭建了直埋供热管道泄漏实验台，研究了泄漏孔朝向等因素对管道泄漏前后土壤温、湿度场变化情况的影响。刘宜霖等19建立了直埋供热管道泄漏后热水在土壤中渗流的三维数值，利用Fluent软件模拟研究了泄漏孔径等因素对管道泄漏前后其周围土壤温、湿度场变化情况的影响。Wang等20提出一种红外热像耦合土壤温湿度变化特性的埋地管道泄漏故障检测方法。本文搭建了用于模拟实际管段泄漏的实验系统，建立了用于描述泄漏工质在保温层中渗流特性的三维数学模型并利用实验数据验证了其准确性。模拟研究了管道入口压力、泄漏孔径、泄漏孔朝向等因素对于供热管道泄漏时泄漏工质在保温层中流动特性的影响，为完整研究管道泄漏过程及其检测领域提供了理论基础。1实验系统1.1实验系统的建立本文搭建了用于模拟实际管段泄漏的实验系统。实验系统现场如图1所示，实验系统搭建于承德热力集团换热站内，实验管段采用新制备的聚氨酯发泡管段，管段的内径为25 mm，壁厚3 mm，泄漏孔位于管道正上方，泄漏孔直径为1.5 mm，管段外包裹30 mm厚的聚氨酯保温层及2 mm厚的外护管。通过软管将换热站内二次网出水口连接至管段入口，再将管段出口通过软管连接至水箱。实验管段上保温层长度分别为 100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1000 mm，各保温层段间隔300 mm以避免其之间相互影响。1.2实验过程实验系统原理如图2所示，实验开始前，在各保温层段两端固定吸水纸，便于观察泄漏工质渗流至保温层段截面的现象。实验开始时，首先开启二次网出水口处阀门，当热水流至实验管段时调整实验管段出口处阀门，将实验管段内压力迅速调整至实验预设压力，记录泄漏工质渗流至各保温层段截面处所需渗流时间，实验完成后更换管段进行下一实验工况，重复上述操作。供水压力0.14 MPa为基础实验条件，每组实验重复多次取平均值作为泄漏工质渗流至各保温层段截面处所需渗流时间的最终值，计算泄漏工质在各保温层段内的平均渗流速度，将供水压力调整为0.17 MPa、0.2 MPa，重复上述实验步骤。图 1供热管道泄漏实验系统Fig.1Experimental system of heating pipeline leakage河北工业大学学报52第 52 卷1.3实验结果与结果分析如图3所示，根据所记录的不同供水压力条件下，各保温层段中泄漏工质首次渗出时间，根据式（1）计算得到的泄漏工质在各保温层段中的平均渗流速度。由图3可以看出，在相同供水压力条件下，泄漏工质的平均渗流速度随保温层段长度的增加呈现逐渐减小的趋势，当供水压力为0.2 MPa时，泄漏工质在100 mm保温层段内的平均渗流速度为8.34 mm/s，而1 000 mm保温层段内平均渗流速度仅为1.04 mm/s。随着供水压力的增加，泄漏工质在相同长度保温层段中的平均渗流速度逐渐增大，当供水压力由0.14 MPa增至0.2 MPa时，泄漏工质在100 mm保温层段内的平均渗流速度由3.94 mm/s增至8.34 mm/s，增大了约2.1倍。vi=Liti，（1）式中：vi为泄漏工质在第i段保温层内渗流的平均速度，mm/s；Li为第i段保温层的长度，mm；ti为泄漏工质在第i段保温层内渗流所需时间，s。2模型构建2.1物理模型图4为依据上述实验条件，建立的供热管道物理模型，管道的内径为25 mm，壁厚为3 mm，长度为1 000 mm，管道外包裹30 mm厚的聚氨酯保温层，泄漏孔位于管道中央正上方，泄漏孔直径分别为1 mm、1.5 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。本文利用DM软件建立了泄漏管道模型，利用Mesh软件对模型进行了网格划分，且对泄漏孔附近网格进行了加密，经过网格无关性验证，确定最终网格数为67万。2.