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摘 要：热油管道沿线土壤导热系数是对管道设计、投产、运行阶段都有重要影响的基础参数。土壤导热系数通过直接影响管道总传热系数的大小，并对预热投产和运行期间管道温降产生影响。但是土壤导热系数受到管道沿线地形地貌、土壤类型、气候环境等因素影响较大，不同管道沿线区域土壤导热系数可能显著不同，所以准确了解管道沿线的土壤导热系数对新建管道投产和运行的安全和经济性具有重要意义。本研究从分析土壤导热系数对热油管道投产和运行影响机理开始，调研了解国内外土壤导热系数的主要测试方法，对比分析了各种土壤导热系数测量方法的原理和特点，给出土壤导热系数测量的推荐方法。
关键词：热油管道 土壤导热系数 稳态平板法 热线法 总传热系数
中图分类号：TE8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0076-02
1 管道沿线土壤导热系数测试的作用和意义
加热输送是我国多数原油管道运行的基本方式，新建热油管道预热投产过程中需要建立合适的土壤温度场，运行过程中需要维持管内原油温度始终高于最低允许进站温度。管道投产和运行方案的制定需要对管道热力条件进行准确计算和预测，土壤导热系数在管道热力条件计算中起着重要作用。土壤导热系数是构成埋地管道总传热系数的关键因素，总传热系数的大小决定了管道沿线热力参数的计算结果。在管道设计阶段，就需要对管道沿线的土壤导热系数有准确的掌握，以此计算出的热站间距等参数才能保证管道运行的安全。
已经稳定运行的热油管道，可以通过稳态运行工况反算管道总传热系数，进而计算管段平均土壤导热系数[1]。但对于新建管道和尚未达到稳定运行的热油管道，土壤导热系数多采用经验取值或类比邻近管道的土壤导热系数参数，土壤导热系数的准确性难以保证。
土壤导热系数现场测试采用的方法和仪器各不相同，测试结果的准确性也有较大差异，为了提高现场土壤导热系数测试的精度，提高现场测试的效率，本研究对土壤导热系数测试的常见两种方法进行了分析对比。
2 土壤导热系数测量方法
土壤导热系数是指通过土壤的热流密度与温度梯度之比，指在稳定传热条件下，1 m厚均勻土层，两侧表面的温差为1 ℃，1 s内通过1 m2传热面积传递的热量。土壤导热系数是土壤性质的一种，和所处的温度、本身厚度等参数无关，一般通过观测土壤的传热过程，统过测量温度和时间等间接计算得到。土壤导热系数测量方法主要可以分为稳态法和瞬态法两类，常见的测量方法主要有以下2种。
2.1 稳态平板法
稳态平板法是国标中规定测试多种材质导热系数的标准方法【加入导热系数测试的国标】，其测试原理如图1所示：
依据傅利叶传热定律：
（1）
所以稳态平板法测量土壤导热系数的计算公式为：
（2）
式中：λ为土壤导热系数，W/（m·℃）
h为试样厚度，m；
Q为试样两个端面的传热速率，W；
S为试样端面面积，m2；
T1为试样上端面温度，℃；
T2为试样下端面温度，℃。
稳态平板法测量土壤导热系数时有测试精度高，测试重复性好，受到环境温度、湿度等外在因素的影响较小的特点。也是国标规定实验室测定各种介质导热系数的标准方法[2]，赵贵章、王文科等[3]在毛乌素沙地测量了土壤导热系数和含水率的关系时就采用的这种方法。
稳态平板法测试仪器较为复杂，仪器体积和重量不方便现场携带。测试样品的制作过程较为复杂，对样品的厚度，表面平整度，样品内部的均匀性都有一定的要求。稳态平板法测试时要求环境温度，风速等尽可能稳定，否则会对散热平板产生干扰，现场测试很难达到测试的环境要求。稳态平板法测试时要达到稳定传热需要的时间较长。以上因素决定该方法不适用于管道沿线土壤导热系数的现场测量，但是可以对管道沿线的土壤取样，并在实验室中进行测量分析。
2.2 热线法
热线法也叫探针法，是测量土壤等粉状介质导热系数的常用方法，其测试原理如图2所示[4]。
热线法假设探针是长度远大于直径的理想热源，当以恒定功率加热电热丝时，距离热线r处温度满足下面表达式[5]：
（3）
式中，θ为过余温度，℃；
τ为加热时间，s；
q为电阻丝加热功率，W；
α为导温系数，m2/s；
t为τ时刻的温度，℃；
r为点到热线的距离，m；
t0为初始温度，℃；
Ei为指数积分函数，表达式为：
（4）
当忽略Ei的高阶无穷小部分以后
（5）
整理得到热线法测试土壤导热系数的表达式
（6）
测试过程中测量并记录q，τ1，t1，τ1，t1，即可求出土壤的导热系数λ。热线法主要优点包括测试仪器较小方便携带；测试时被测介质温度不需要达到稳定状态，测试时间短；测试时把测试探针插入被测介质中，不需要制作专门的测试样品；测试过程简单，测试结果可靠，是进行土壤导热系数现场测试最重要的方法，已经得到了广泛的应用。
热线法测试的主要缺点是测试探针需要集成电热丝和测温单元，同时保证一定的长径比和强度，对探针的加工工艺要求较高，测试时需要同时记录测试时间和探针温度，对控制器的要求较高，测试仪器价格较高。此外探针需要插入被测介质内部，同时保证和介质的紧密接触，所以适用于较为松散的土壤，不能测量较为坚硬的土壤。
3 土壤导热系数测试方法优选
热油管道里程较长，沿线地形地貌复杂，管道沿线局部影响因素较多，所以需要对管道沿线不同位置的土壤导热系数分别进行测量。管道沿线的土壤导热系数可能随着季节和降雨的影响发生变化，一年中需要进行多次测量。所以如果要对管道沿线土壤导热系数有深入的了解，就要对针对管道沿线广泛选取测试点，按一定周期在一年中进行多轮次的测试工作，这要求选择较为快捷的土壤导热系数测试方法。
根据以上现场测试管道沿线土壤导热系数的要求，对多种土壤导热系数测试方法进行比较，结果见表1。
稳态平板法由于测试精度高，制作的试样易于对土壤的含水率，密实度，土壤成分等参数进行控制，可以较为准确研究土壤不同条件下的导热系数的变化规律，该方法也可以用来标定热线法的测试结果，目前在土壤导热系数的实验室研究中有较为广泛的应用。
4 结论
文中通过对常见的土壤导热系数测试原理和方法进行对比分析，得到以下结论。
（1）稳态平板法适合对管道沿线的土壤样品进行实验室详细测试。主要特点是测试精度高，重复性好，并能通过调整土壤样品的含水率、密实度等参数，研究土壤样品在不同参数下的变化规律，有助于分析管道沿线土壤受降雨等因素影响后的导热系数变化趋势。
（2）热线法是进行管道沿线土壤导热系数测量的最佳方法。该方法具有测试时间短、精度高，测试仪器便携性好，测试过程中受环境因素的影响较小，测试时对原状土的扰动较小等特点，适合进行管道沿线大范围的现场测试工作。
参考文献
[1] 崔慧.埋地热油管道总传热系数的研究：油气储运[M].2005，24：17-19.
[2] IEEE.Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements.Std 442-1981. BOARD I S.1996.
[3] 赵贵章，王文科，李云良，等.毛乌素沙地典型岩性导热系数试验和模型研究[J].西北农林科技大学学报，2010，38：224-228.
[4] 马然.基于热探针的高精度多功能热物性测量系统研究[J].中国科学技术大学热能工程，2011.
[5] 侯方卓.用探针法测定材料的导热系数.中国石油大学学报：自然科学版， 1994，18（5）：94-98.
关键词：热油管道 土壤导热系数 稳态平板法 热线法 总传热系数
中图分类号：TE8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0076-02
1 管道沿线土壤导热系数测试的作用和意义
加热输送是我国多数原油管道运行的基本方式，新建热油管道预热投产过程中需要建立合适的土壤温度场，运行过程中需要维持管内原油温度始终高于最低允许进站温度。管道投产和运行方案的制定需要对管道热力条件进行准确计算和预测，土壤导热系数在管道热力条件计算中起着重要作用。土壤导热系数是构成埋地管道总传热系数的关键因素，总传热系数的大小决定了管道沿线热力参数的计算结果。在管道设计阶段，就需要对管道沿线的土壤导热系数有准确的掌握，以此计算出的热站间距等参数才能保证管道运行的安全。
已经稳定运行的热油管道，可以通过稳态运行工况反算管道总传热系数，进而计算管段平均土壤导热系数[1]。但对于新建管道和尚未达到稳定运行的热油管道，土壤导热系数多采用经验取值或类比邻近管道的土壤导热系数参数，土壤导热系数的准确性难以保证。
土壤导热系数现场测试采用的方法和仪器各不相同，测试结果的准确性也有较大差异，为了提高现场土壤导热系数测试的精度，提高现场测试的效率，本研究对土壤导热系数测试的常见两种方法进行了分析对比。
2 土壤导热系数测量方法
土壤导热系数是指通过土壤的热流密度与温度梯度之比，指在稳定传热条件下，1 m厚均勻土层，两侧表面的温差为1 ℃，1 s内通过1 m2传热面积传递的热量。土壤导热系数是土壤性质的一种，和所处的温度、本身厚度等参数无关，一般通过观测土壤的传热过程，统过测量温度和时间等间接计算得到。土壤导热系数测量方法主要可以分为稳态法和瞬态法两类，常见的测量方法主要有以下2种。
2.1 稳态平板法
稳态平板法是国标中规定测试多种材质导热系数的标准方法【加入导热系数测试的国标】，其测试原理如图1所示：
依据傅利叶传热定律：
（1）
所以稳态平板法测量土壤导热系数的计算公式为：
（2）
式中：λ为土壤导热系数，W/（m·℃）
h为试样厚度，m；
Q为试样两个端面的传热速率，W；
S为试样端面面积，m2；
T1为试样上端面温度，℃；
T2为试样下端面温度，℃。
稳态平板法测量土壤导热系数时有测试精度高，测试重复性好，受到环境温度、湿度等外在因素的影响较小的特点。也是国标规定实验室测定各种介质导热系数的标准方法[2]，赵贵章、王文科等[3]在毛乌素沙地测量了土壤导热系数和含水率的关系时就采用的这种方法。
稳态平板法测试仪器较为复杂，仪器体积和重量不方便现场携带。测试样品的制作过程较为复杂，对样品的厚度，表面平整度，样品内部的均匀性都有一定的要求。稳态平板法测试时要求环境温度，风速等尽可能稳定，否则会对散热平板产生干扰，现场测试很难达到测试的环境要求。稳态平板法测试时要达到稳定传热需要的时间较长。以上因素决定该方法不适用于管道沿线土壤导热系数的现场测量，但是可以对管道沿线的土壤取样，并在实验室中进行测量分析。
2.2 热线法
热线法也叫探针法，是测量土壤等粉状介质导热系数的常用方法，其测试原理如图2所示[4]。
热线法假设探针是长度远大于直径的理想热源，当以恒定功率加热电热丝时，距离热线r处温度满足下面表达式[5]：
（3）
式中，θ为过余温度，℃；
τ为加热时间，s；
q为电阻丝加热功率，W；
α为导温系数，m2/s；
t为τ时刻的温度，℃；
r为点到热线的距离，m；
t0为初始温度，℃；
Ei为指数积分函数，表达式为：
（4）
当忽略Ei的高阶无穷小部分以后
（5）
整理得到热线法测试土壤导热系数的表达式
（6）
测试过程中测量并记录q，τ1，t1，τ1，t1，即可求出土壤的导热系数λ。热线法主要优点包括测试仪器较小方便携带；测试时被测介质温度不需要达到稳定状态，测试时间短；测试时把测试探针插入被测介质中，不需要制作专门的测试样品；测试过程简单，测试结果可靠，是进行土壤导热系数现场测试最重要的方法，已经得到了广泛的应用。
热线法测试的主要缺点是测试探针需要集成电热丝和测温单元，同时保证一定的长径比和强度，对探针的加工工艺要求较高，测试时需要同时记录测试时间和探针温度，对控制器的要求较高，测试仪器价格较高。此外探针需要插入被测介质内部，同时保证和介质的紧密接触，所以适用于较为松散的土壤，不能测量较为坚硬的土壤。
3 土壤导热系数测试方法优选
热油管道里程较长，沿线地形地貌复杂，管道沿线局部影响因素较多，所以需要对管道沿线不同位置的土壤导热系数分别进行测量。管道沿线的土壤导热系数可能随着季节和降雨的影响发生变化，一年中需要进行多次测量。所以如果要对管道沿线土壤导热系数有深入的了解，就要对针对管道沿线广泛选取测试点，按一定周期在一年中进行多轮次的测试工作，这要求选择较为快捷的土壤导热系数测试方法。
根据以上现场测试管道沿线土壤导热系数的要求，对多种土壤导热系数测试方法进行比较，结果见表1。
稳态平板法由于测试精度高，制作的试样易于对土壤的含水率，密实度，土壤成分等参数进行控制，可以较为准确研究土壤不同条件下的导热系数的变化规律，该方法也可以用来标定热线法的测试结果，目前在土壤导热系数的实验室研究中有较为广泛的应用。
4 结论
文中通过对常见的土壤导热系数测试原理和方法进行对比分析，得到以下结论。
（1）稳态平板法适合对管道沿线的土壤样品进行实验室详细测试。主要特点是测试精度高，重复性好，并能通过调整土壤样品的含水率、密实度等参数，研究土壤样品在不同参数下的变化规律，有助于分析管道沿线土壤受降雨等因素影响后的导热系数变化趋势。
（2）热线法是进行管道沿线土壤导热系数测量的最佳方法。该方法具有测试时间短、精度高，测试仪器便携性好，测试过程中受环境因素的影响较小，测试时对原状土的扰动较小等特点，适合进行管道沿线大范围的现场测试工作。
参考文献
[1] 崔慧.埋地热油管道总传热系数的研究：油气储运[M].2005，24：17-19.
[2] IEEE.Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements.Std 442-1981. BOARD I S.1996.
[3] 赵贵章，王文科，李云良，等.毛乌素沙地典型岩性导热系数试验和模型研究[J].西北农林科技大学学报，2010，38：224-228.
[4] 马然.基于热探针的高精度多功能热物性测量系统研究[J].中国科学技术大学热能工程，2011.
[5] 侯方卓.用探针法测定材料的导热系数.中国石油大学学报：自然科学版， 1994，18（5）：94-98.