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2024年7月16日发(作者：)
ISSN 1002-4956
CN11-2034/T
实 验 技 术 与 管 理
Experimental Technology and Management
第38卷 第6期 2021年6月
Vol.38 No.6 Jun. 2021
DOI: 10.16791/.2021.06.041
隔热油管导热性能测定实验平台建设及应用
王新伟
1
，王庆涛
1
，郑炜博
1,2
，郭 锐
3
，陈 凯
1
，林日亿
1
（1. 中国石油大学（华东） 新能源学院，山东 青岛 266580；2. 胜利油田技术检测中心，
山东 东营 257000；3. 齐鲁师范学院 经济管理学院，山东 济南 250013）
摘 要：注汽热采过程中隔热油管的保温性能直接影响井底蒸汽品质及热采开发效果，且不同结构的隔热油
管导热性能差别很大。该文搭建了隔热油管导热性能测定实验平台，可对不同保温结构的工程用隔热油管视
导热系数进行测试及分析评价，实现了理论、实验、实践教学的有机统一。学生通过独立设计保温结构及测
试方案，能够加深对传热学理论应用于工程实践的认知，锻炼实践动手能力和科研创新能力。
关键词：隔热油管；保温结构；视导热系数；热流密度
中图分类号：TE345；G312 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2021)06-0199-04
Construction and application of test platform for thermal
conductivity measurement of insulated tubing
WANG Xinwei
1
, WANG Qingtao
1
, ZHENG Weibo
1,2
, GUO Rui
3
, CHEN Kai
1
, LIN Riyi
1
(1. College of New Energy, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China;
2. Technology Inspection Centre of Shengli Oil Field, Dongying 257000, China;
3. School of Economics and Management, Qilu Normal University, Jinan 250013, China)
Abstract: In the process of steam injection thermal recovery, the thermal insulation performance of the insulated
tubing directly affects the bottom-hole steam quality and thermal recovery development effect. The thermal
conductivity of insulated tubing with different structures varies greatly. In this paper, an experimental platform is
built to test and evaluate the apparent thermal conductivity of thermal insulation tubing with different thermal
insulation structures, which realizes the organic unity of theory, experiment and practice teaching. Through
independent design of thermal insulation structure and test scheme, students can deepen their understanding of the
application of heat transfer theory in engineering practice and temper their practical ability and scientific research
innovation ability.
Key words: insulated tubing; insulation construction; apparent thermal conductivity; heat flux
稠油注蒸汽开采过程中，井筒中的热量损失是影
响热采效果的重要因素，常采用隔热油管以减少井筒
热量损失，提高注入油层的蒸汽干度
[1-3]
。隔热油管由
内管、隔热层和外管组成，隔热效果主要取决于隔热
层的处理，填充不同隔热材料的油管其隔热性能相差
很大
[4]
。已有对隔热油管散热损失的研究，多集中于
数值计算与理论分析，实验测定较少。理论计算结果
往往与实际偏差较大，而生产现场又难以对隔热油管
进行导热系数测定。热力采油是我校能源与动力工程
专业的特色方向，也是重点科研方向，学生通过“传
热学”和“热力采油技术”两门课程的学习，基本可
以掌握导热过程、热采技术等相关理论知识
[5]
，但却
缺少导热、隔热性能测试等相关实验实践。有鉴于此，
搭建隔热油管导热性能测试平台，不但可用于科研实
验，还能满足对学生的实验教学需求，帮助学生更好
地理解油管导热过程、流体对流换热过程以及隔热材
收稿日期: 2020-10-30
基金项目: 中国石油大学（华东）校级教学改革项目（KC-202031）；教育部产学合作协同育人项目（2）
作者简介: 王新伟（1984—），男，山东莱州，博士，实验师/副主任，主要研究方向为能源热利用及极端条件热物性表征，wangxw@。
引文格式: 王新伟，王庆涛，郑炜博，等. 隔热油管导热性能测定实验平台建设及应用[J]. 实验技术与管理, 2021, 38(6): 199-202.
Cite this article: WANG X W, WANG Q T, ZHENG W B, et al. Construction and application of test platform for thermal conductivity
measurement of insulated tubing[J]. Experimental Technology and Management, 2021, 38(6): 199-202. (in Chinese)
200 实 验 技 术 与 管 理
料对导热性能的影响等
[6-8]
。
1 实验装置
1.1 实验平台总体结构
隔热油管导热性能测定实验平台如图1所示，由
注入系统、抽气系统、隔热油管和数据采集系统四部
分组成。注入系统主要由恒温水浴锅、注水管、回水
管和保温套组成。数显恒温水浴锅提供恒温热水，并
将热水从油管顶部进水口注入，经油管内循环后由油
管顶部出水口流出回水管。抽气系统主要由真空表、
真空泵和阀门组成，可对隔热层进行抽真空处理，并
实时显示油管隔热层真空度，作为不同保温方案工况
选择的依据。隔热油管由内管、隔热层和外管组成，
实验管段采用N80油管和不锈钢管组合，焊接成0.5 m
长的实验件，为减少空气对流换热量，实验件外可增
设保温措施。数据采集系统由热电偶及温度记录仪组
成，实验管段外敷设6~8个热电偶测温点，由数显记
录仪控制采集频率并保存数据。
图1 实验装置图
实验基于傅里叶导热定律，在隔热油管内外壁建
立稳定的温度场，通过测试管壁温差、厚度及热流密
度，获得隔热油管的视导热系数。为评价不同油管结
构和保温措施对隔热油管导热性能的影响，实验采用
不同厚度、不同直径的N80油管与不锈钢管组合，分
别作为隔热油管的内外管，如图2所示。隔热层分别
采用气凝胶、岩棉填充及抽真空等保温措施。
图2 不同隔热油管尺寸结构
1.2 实验步骤
（1）敷设测温点：在隔热油管外壁敷设6~8个热
电偶测温点，自上而下沿油管径向不同角度安装并标
记，另设一个热电偶测试环境温度，并调试温度记录仪。
（2）安装隔热油管：将隔热油管垂直安装于两用
槽，并将保温套套在隔热油管外壁。
（3）调节真空度：对隔热层进行抽真空并记录真
空度，用作不同保温措施的对比实验。
（4）连接换热管路：用硅胶管将恒温水浴进出口
分别与隔热油管的出进口连接，并进行保温处理。
（5）开启水浴循环：设定恒温水浴温度，至95 ℃
后开启循环泵，观察隔热油管表面温度变化，待隔热
油管内外表面温度恒定后，进行实验测量。
（6）热流密度测量：实验采用两种方法对隔热油
管外表面热流密度进行测试。一是直接测量法，采用
表面温度法或热流密度计进行；二是非稳态散热法，
通过短时间内隔热油管内部定质量的热水焓降与外表
面积确定。
（7）数据处理：通过隔热油管内外壁温度梯度及
表面热流密度，计算实验隔热油管的视导热系数。
（8）误差分析：实验误差主要来源于隔热油管外
管壁热流密度的表征误差，据此探究提高热流密度测
试准确度的方法。
2 实验分析
2.1 实验结果分析
以油管在外、不锈钢管在内、隔热层加棉但不抽
真空的隔热油管实验为例，简述实验过程及视导热系
数λ的测算过程。该实验隔热油管的结构参数如表1
所示。
表1 油管参数
油管参数 数值 油管参数 数值
油管高度/m 0.50 隔热层厚度/mm 7.0
油管外径/mm 88.0 油管内径/mm 78.0
不锈钢管外径/mm64.0 不锈钢管内径/mm60.0
王新伟，等：隔热油管导热性能测定实验平台建设及应用 201
为保证稳态工况，实验中长时间采集、记录各点
温度，待各点温度稳定后统计温度平均值，实验测量
值如表2所示。为验证隔热油管表面温度场分布的均
匀性，实验中同时采用Testo885热像仪拍摄表面温度
场分布，如图3所示。
表2 测温数据
T
a
T
b
T
c
T
d
T
e
T
f
T
g
T
h
T
w
T
∞
外管壁温度/℃ 75.84 77.18 81.46 71.02 73.01 74.95 76.95 76.05 75.80 29.50
注：T
w
、
T
∞
分别为外管壁平均温度和环境平均温度，其余为各测量点温度。T
a
—T
h
为沿管长方向等间距测量点。
图3 隔热油管外表面温度场分布
由隔热油管内高温水浴经内管壁传到外管壁的热
流密度，由以下公式求得：
q
t
（1）
r
2
ln(r
2
/r
1
)
式中，
t
为外管壁温度与热水浴温度的差值，℃；
t
T
H
T
w
，
T
H
为热水浴温度，℃；r
1
为内管内径，
m；r
2
为外管外径，m；q为外管壁热流密度，W/m
2
；
λ为隔热油管视导热系数，W/(m·K)。
外管壁向环境的综合换热热流密度
q
h
t
，h
为拟合综合换热系数，外管壁与环境温差
t
=T
w
T
，
根据能量守恒：
q
h
(T
T
w
T
)
H
T
w
r
r
q
（2）
2
ln(
2
/r
1
)
h
t
ln(r
2
/r
1
)
r
2
/(T
H
T
w
)
（3）
实验中分别采用直接测量法和非稳态散热法对隔
热油管外表面热流密度进行测量。
（1）直接测量法测热流密度q'。选择各测温点附
近作为热流密度采样点，与测温数据同步测量记录。
稳态工况下，外管壁向环境的散热等于油管传递至外
管壁的热量。实验使用HFM-4H型热流密度计测得该
油管外管壁向环境的平均热流密度q'= 501.5 W/m
2
。
取平均环境温度为T
∞
=29.5 ℃，根据式（1）计算得隔
热油管视导热系数为λ=0.129 W/(m·K)。该方法直接测
量外管壁向环境的热流密度，误差较大。
（2）非稳态散热法测热流密度q'。由于直接测量
热流密度误差较大，本实验采用极短时间散热过程的
拟合综合换热系数h获得热流密度进行对比分析。稳
态工况下关闭循环水浴，使隔热油管内热水自然降温，
前1 min或30 s内，温度稍微下降，近似认为整个散
热环境和条件与稳态工况相同，则此短暂非稳态过程
的综合换热系数h也可视为不变。基于能量守恒，管
内热水降温放出的总热量Q等于外管壁综合换热向环
境放出的热量Q'，实验测定数据如表3所示。
表3 测定参数
水浴质量稳定温度降温温度下降温差温降时间
/kg /℃ /℃ /℃ /s
数值 1.38 94.99 94.68 0.31 60.0
隔热油管内水的总散热量（单位为J）：
Qcm
T= 42001.380.31= 1796.76
外管壁综合换热放出热量：
QhtA
T
（4）
式中，A为外管壁总面积，m
2
；
T
为外管壁温度与环
境温度的差值，℃；t为控制降温的时间，取60 s；c
为水的比热容，J/(kg·℃)。由此求出该实验管件综合
换热系数h为3.25 W/(m
2
·K)。
由公式（3），可求出此种管件外管壁的平均视导
热系数
为
0.153 W/(mK)
。
同理，进行抽真空不加棉、抽真空加棉等实验管
件的视导热系数测量，各实验管件的测量参数如表4
所示，视导热系数测试结果如图4所示。
由实验结果可见，隔热油管保温结构不同，油管
视导热系数差别很大。气凝胶隔热油管测得的视导热
系数为0.092 W/(m·K)，表现出最佳的隔热性能。
2.2 实验误差分析
本实验中，外管壁热流密度的准确表征是隔热油
管视导热系数测量准确度的关键，而表面热流密度易
受多种因素影响，准确表征难度较大。本文采用两种
方法进行对比分析，一是要提高实验测量的准确度，
二是要使学生深入了解热工参数测量的局限。直接测
量法测试油管外壁面热流密度时，因管壁温度场的非
均匀性以及热流密度计自身误差等，往往各测点热流
密度差别很大，且测点数量有限，因而测试值误差较
大。非稳态散热法基于能量守恒折算实验件整体的热
流密度，更接近实际工况，理论上误差更小。
202 实 验 技 术 与 管 理
表4 实验计算结果
测算过程所需参数
油管在内，不锈钢管在外
非真空加棉 真空不加棉真空加棉
油管在外，不锈钢管在内
非真空加棉真空不加棉
气凝胶油管
真空加棉
（气凝胶隔热）
外管外径r
1
/m 0.046
油管参数
内管内径r
2
/m 0.030
高度H/m 0.500
内管壁温度T
w
/℃ 95.00
实验数据
外管壁温度T/℃
环境温度T
0
/℃
0.044 0.044
0.030 0.030
0.500 0.117
95.00 95.00
73.40 82.50 67.52 75.80 83.20 70.12 70.70
29.20 27.86 25.32 29.50 30.40 29.70 29.50
管内水总质量m/kg 1.42 1.42 1.42 1.38 1.38 1.38 –
3.290 3.250
外壁总换热系数h/(W·m
–2
·K
–1
) 3.270 3.250 3.290 3.250 3.310
油管视导热系数λ/(W·m
–1
·K
–1
) 0.129 0.263 0.100 0.142 0.272 0.105 0.092
实验测试方案，对比分析不同方法测试结果及误差，
从而加深对圆柱体导热、对流换热等传热学知识的深
入理解，实现了科研实验与教学实验的有机结合，对
促进实验资源共享和创新型人才培养具有很好的推动
作用。
参考文献 (References)
[1]
徐雪峰. 蒸汽驱注蒸汽井筒热损失分析[J]. 化工管理，
2015(3): 167.
王勇相，樊庆海，杨国武，等. 稠油热采注采系统的热能损
失[J]. 油气田地面工程，2015, 34(1): 18–19.
顾浩，程林松，黄世军. 注蒸汽井筒沿程热物性参数及热损
失新算法[J]. 计算物理，2014, 31(4): 449–454.
王志国，宋明启，张欣，等. 井筒注汽过程隔热油管传热性
能实验分析[J]. 化工学报，2014, 65（增刊1）: 106–110.
王新伟，林日亿，杨德伟，等. 热采水平井配汽模拟实验平
台建设与应用[J]. 实验技术与管理，2020, 37(10): 185–189.
许兆峰，李辉，刘志颖，等. 平面热源法导热系数和热扩散
率虚实结合实验教学平台[J]. 实验技术与管理，2019, 36(2):
235–237, 251.
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
图4 不同隔热油管视导热系数
3 实验教学平台功能的多元化
基于本实验平台，学生可以自主设计隔热油管保
温措施，计算测定隔热油管的视导热系数。实验过程
中，学生可以直观形象地感受到散热过程的温度场演
化，加深对所学知识的理解，同时加强对实验设备的
了解，实现应用技能的提升
[9-10]
。此外，学生可以在
[7]
[8]
[9]
教师指导下，进一步将本实验装置用于对流换热、辐
射换热及复杂传热过程的传热特性实验研究，实现理
论和实践的有机结合，提高学生学习的自主性和创新
的积极性
[11-12]
。本实验平台既可服务于我校能源与动
力工程专业的实验教学，满足本科毕业设计和创新训
练需要，又可供学生进行自主科研实验，实现教学与
科研的紧密结合。
杨秋波，刘晓彬. 非良导体热导率测定实验的教学研究[J].
武警学院学报，2003(4): 83–85.
洪海玉. 稳态法测导热系数实验教学探讨[J].
高校实验室工
作研究，2002(4): 8–9, 18.
张红光，孙晓娜，纪常伟，等. 开放实验室，培养大学生的
创新精神和实践能力[J]. 实验技术与管理，2011, 28(6):
16–19.
4 结语
基于本文搭建的实验平台针对不同保温结构对隔
热油管导热性能的影响进行了研究，测试结果准确度
高，研究表明气凝胶+真空的隔热效果最佳。学生利
用该实验平台，可自主设计隔热油管保温结构，选择
[10] 张金彪，周碧青. 高校分析测试中心的发展及其在实验教学
中的作用[J]. 实验技术与管理，2020, 37(10): 13–15, 19.
[11] 尚琳琳，郭煜，马利敏，等. 传热学实验创新能力培养的探
索与实践[J]. 中国教育技术装备，2014(18): 144–145.
[12] 吴里程，康灿. 传热学“五位一体”实验教学模式改革与实
践[J]. 高等工程教育研究，2019（增刊1）: 240–242.
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