多年凍土區(qū)埋地輸油管道基礎(chǔ)熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、凍害問題一直是寒區(qū)管道工程建設(shè)的重大難題。如凍土區(qū)埋地式溫?zé)嵊凸苌釋?dǎo)致管道基礎(chǔ)的融沉問題，而寒區(qū)常溫輸送管道更是面臨著凍脹和融沉雙重問題的考驗(yàn)。中俄原油管道工程將穿越連續(xù)、不連續(xù)多年凍土區(qū)和季節(jié)凍土區(qū)，管線采用常溫輸送工藝輸送原油，因此，必將遇到凍土病害問題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，我國多年凍土區(qū)管道工程建設(shè)實(shí)踐和相關(guān)的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)還很缺乏，相關(guān)的研究更是少之又少。因此，研究多年凍土環(huán)境下埋地管道與周圍凍土的相互熱力作用，并最終揭示管道凍融災(zāi)

2、害機(jī)理及采取對(duì)應(yīng)的有效工程措施對(duì)于寒區(qū)管道工程建設(shè)顯得尤為重要。本文從中俄原油管道工程建設(shè)應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，運(yùn)用室內(nèi)模擬試驗(yàn)和數(shù)值分析方法，對(duì)多年凍土區(qū)埋地常溫輸送管道進(jìn)行了室內(nèi)的模型試驗(yàn)，并對(duì)全球氣候變暖條件下我國東北多年凍土區(qū)管道工程基礎(chǔ)進(jìn)行了熱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬和長期動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。本文主要做了如下研究工作：
　　 利用相似理論推導(dǎo)了模型試驗(yàn)的相似方程，得出了多年凍土區(qū)埋地輸油管道室內(nèi)模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，運(yùn)用該準(zhǔn)則成功地進(jìn)行了模型試驗(yàn)

3、方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)控制，分析了室內(nèi)試驗(yàn)條件下非保溫埋地常溫輸油管道及其地基土在邊界溫度周期性波動(dòng)條件下的熱響應(yīng)(管道油流的溫降模式和管道周圍融化圈的形成發(fā)展)。試驗(yàn)結(jié)果表明在多年凍土區(qū)鋪設(shè)常溫輸油管道應(yīng)充分考慮并實(shí)際預(yù)測(cè)油溫在管線起始地段經(jīng)過多長距離的輸送后趨于穩(wěn)定(管內(nèi)油溫與管周地溫達(dá)到平衡)，并充分研究這一熱交換較強(qiáng)烈的起始管段可能產(chǎn)生的凍害問題。
　　 根據(jù)傳熱學(xué)與有限元理論給出了帶相變的溫度場計(jì)算的控制微分方程及其有限元計(jì)算

4、式，對(duì)東北多年凍土區(qū)埋地輸油管道與周圍土體的熱狀況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。研究結(jié)果表明：管道埋設(shè)深度、輸送油溫大小以及鋪設(shè)保溫材料對(duì)多年凍土區(qū)管道基礎(chǔ)的融化深度及融化速率有較大影響，同時(shí)得出了有效控制低溫多年凍土區(qū)正溫埋地管道基礎(chǔ)融深的合理設(shè)計(jì)參數(shù)(埋深、保溫材料厚度和年均輸送油溫值)。
　　 利用有限元計(jì)算方法預(yù)報(bào)了全球氣候變暖對(duì)大口徑埋地保溫溫?zé)彷斢凸艿阑A(chǔ)的融化圈發(fā)展的影響，并對(duì)比分析了低溫、高溫凍土區(qū)埋地管道在兩種埋深條件下

5、的熱穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：氣候變暖對(duì)低溫多年凍土區(qū)大口徑保溫溫?zé)峁艿阑A(chǔ)的熱穩(wěn)定性影響較??；相反，氣候變暖對(duì)高溫凍土區(qū)保溫溫?zé)峁艿阑A(chǔ)的解凍融化影響顯著，加大保溫層厚度在一定程度上能減小高溫凍土區(qū)管下的最大融深，但從長期效果和經(jīng)濟(jì)的角度看，鋪設(shè)保溫層的效果并不理想，故需進(jìn)一步采用其它吸熱降溫措施來保障高溫凍土區(qū)埋地管道基礎(chǔ)的熱穩(wěn)定。
　　 建立了不連續(xù)多年凍土區(qū)過渡帶常溫埋地輸油管道穿越的計(jì)算模型，計(jì)算分析了冷暖季常溫管道分別通