多年凍土區(qū)埋地輸油管道基礎熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、凍害問題一直是寒區(qū)管道工程建設的重大難題。如凍土區(qū)埋地式溫熱油管散熱導致管道基礎的融沉問題，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。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峻挑戰(zhàn)。目前，我國多年凍土區(qū)管道工程建設實踐和相關(guān)的設計施工經(jīng)驗還很缺乏，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

2、害機理及采取對應的有效工程措施對于寒區(qū)管道工程建設顯得尤為重要。本文從中俄原油管道工程建設應用實際出發(fā)，運用室內(nèi)模擬試驗和數(shù)值分析方法，對多年凍土區(qū)埋地常溫輸送管道進行了室內(nèi)的模型試驗，并對全球氣候變暖條件下我國東北多年凍土區(qū)管道工程基礎進行了熱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬和長期動態(tài)預測。本文主要做了如下研究工作：
　　 利用相似理論推導了模型試驗的相似方程，得出了多年凍土區(qū)埋地輸油管道室內(nèi)模型試驗的相似準則，運用該準則成功地進行了模型試驗

3、方案設計和試驗控制，分析了室內(nèi)試驗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條件下的熱響應(管道油流的溫降模式和管道周圍融化圈的形成發(fā)展)。試驗結(jié)果表明在多年凍土區(qū)鋪設常溫輸油管道應充分考慮并實際預測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)油溫與管周地溫達到平衡)，并充分研究這一熱交換較強烈的起始管段可能產(chǎn)生的凍害問題。
　　 根據(jù)傳熱學與有限元理論給出了帶相變的溫度場計算的控制微分方程及其有限元計算

4、式，對東北多年凍土區(qū)埋地輸油管道與周圍土體的熱狀況進行了數(shù)值計算分析。研究結(jié)果表明：管道埋設深度、輸送油溫大小以及鋪設保溫材料對多年凍土區(qū)管道基礎的融化深度及融化速率有較大影響，同時得出了有效控制低溫多年凍土區(qū)正溫埋地管道基礎融深的合理設計參數(shù)(埋深、保溫材料厚度和年均輸送油溫值)。
　　 利用有限元計算方法預報了全球氣候變暖對大口徑埋地保溫溫熱輸油管道基礎的融化圈發(fā)展的影響，并對比分析了低溫、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：氣候變暖對低溫多年凍土區(qū)大口徑保溫溫熱管道基礎的熱穩(wěn)定性影響較??；相反，氣候變暖對高溫凍土區(qū)保溫溫熱管道基礎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)濟的角度看，鋪設保溫層的效果并不理想，故需進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算模型，計算分析了冷暖季常溫管道分別通