漠大线多年冻土沼泽区管道融沉防治及温度监测

漠大线管道自投产以来,全年均为正温输送,且输送温度远高于设计预期温度,因而加速了管道周围冻土区的融化,管道容易发生融沉,安全性面临极大考验。结合漠大线投产后的实际运行情况,参考冻土区工程建设经验,设计了热棒与粗颗粒土换填相结合的多年冻土沼泽区域管道融沉防治方案,并在漠大线K305处完成了100 m示范段建设,并在示范段管道周围土壤中安装了温度监测系统,通过近一年的温度监测数据分析了目前示范段的融沉防治情况。结果表明：热棒的安装降低了管道地基的温度,增加了土壤的冷储量,起到了稳定地基的作用,而管道底部换填的粗颗粒土可以保障热棒的制冷作用不会引发管道冻胀灾害。     

冻土区输油管道周围土壤的水热力三场研究

针对冻土区埋地输油管道将遇到受土体冻胀和融沉破坏等一系列特殊问题,综述了管道周围土壤水分场、温度场、应力场及三场耦合的研究现状,介绍了冻土区埋地输油管道与水热力三场的关系,分析了目前与冻土区埋地输油管道三场研究相关的研究成果。结合埋地输油管道在实际运行中的油温变化等因素,提出了未来关于冻土区埋地输油管道三场研究的几点建议,以期为冻土区埋地输油管道的设计、建设与运行提供参考。     

漠大管道在沿线多年冻土区的位移监测

针对漠大管道在沿线多年冻土区面临的冻胀融沉灾害,提出了基于全站仪测量的管道位移监测技术。详细介绍了管道位移监测原理,设计了基准桩和标志桩结构,采取了3项措施保证基准桩的稳定。在漠大管道漠河首站-加格达奇泵站区间,选取了9个高风险区,安装了62套管道位移监测装置。2010年11月9日管道投产前采集了初始数据,2010年12月-2011年6月完成了5次数据采集,对监测数据进行分析发现:监测段管道未受到冻胀灾害的影响,部分监测段管道受到融沉灾害的影响。验证了该技术的可行性和有效性。     

冻土区埋地热油管道土壤融化圈特征数值分析

根据相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出计算温度场的二维有限元公式,对中国东北多年冻土区运行30年的加热输油管道土壤温度场(融化圈)进行了计算分析和比较。计算结果表明,对于15℃的油温,管顶之上的土壤在管道运行的第1年就达到热平衡状态,同时土壤融化速率在第1年达到最大,随后4年时间里迅速减小,第5年后融化速率变化趋于稳定;管道运行一定时间后,管道周围的融化圈在土壤中随冷暖季节的变化呈交替式的扩展;在管道运行30年后,管底下融深可达到10m以上,这将引起基础融沉、管道变形及多年冻土环境破坏等问题,需引起工程部门的高度重视。     

冻土区埋地输油管道温度场数值模拟研究

冻土区埋地管道遇到的最常见问题是冻害破坏.研究埋地输油管道发生冻害及采取科学有效的方法防止冻害,首先应预测埋地输油管道周围冻土冻融过程中温度场的变化,以及温度场与水分场的变化关系.叙述了国内外学者在冻土温度场与水分场耦合作用这一问题的研究成果和埋地输油管道周围温度场的研究成果,提出了数值模拟埋地输油管道周围冻土温度场的几点建议.     

饱和含水冻土区埋地管道水热力耦合数值模拟

通过对饱和含水冻土区埋地管道周围冻土层的温度场、水分场和应变应力场进行数值模拟分析,得出管道穿越冻土区应力、应变不均匀分布和变化的一般规律。由于管道的散热作用,周围冻土层的结构、成分遭到破坏,土壤孔隙水减少,蓄热量低于融土,同时伴随水分的传热和传质作用而带走热量使土壤更加干燥。这些变化影响土壤变形及应力状态:管道上方土壤应变、应力变化剧烈;管道周围应变渐增,应力不断减小,易产生融沉;管道下方非融冻土应变小于上方融土、呈层状递减,土壤被加固,应力不断增大。     

冻土区热油管道周围土壤水热耦合数值模拟

基于穿越冻土区埋地管道存在冻害破坏的安全问题,建立了多年冻土区埋地热油管道土壤冻融过程中温度场变化的数学模型。以中俄原油管道沼泽发育冻土区敷设管段为例,地表环境温度采用周期性边界条件,考虑土壤冻结过程中相变潜热对温度场的影响,采用多孔介质模型,利用有限容积法,对有、无保温层条件下埋地管道周围土壤温度场进行数值模拟。结果表明:在有保温层的条件下,管壁热流密度明显降低,且波动幅度减小;采用保温材料有利于降低冻土融化速率,防止冻土退化。     

漠大管道及其多年冻土区域地质灾害风险

漠大管道途经我国纬度最高、极端温度达-52.3℃的高寒地带,是我国第1条完全意义上穿越永冻土区域的大口径长输原油管道,所经过的漠河-加格达奇大杨树段共计440km的管道穿越大兴安岭多年冻土区域,包括连续冻土、不连续冻土和岛状冻土。管道沿线地势北高南低,北部地形起伏较大,沿线为大兴安岭低山、丘陵及河谷地貌,南部为松嫩平原,地形平坦开阔,地理环境复杂,极易发生冻胀融沉、崩塌、热融滑坡、水毁冲蚀(坍岸)等地质灾害。分析了漠大管道穿越冻土区域所面临的热融滑坡、冻胀、融沉以及弯曲、翘曲等特有的地质灾害风险,提出了灾害管理和风险应对措施的建议。     

多年冻土区埋地管道保温方案的设计与有限元分析

多年冻土对埋地管道的危害极大,严重影响管道的运行安全,同时对周围环境造成破坏。利用有限元分析方法,综合考虑环境温度季节性变化及冻土的相变问题,对多年冻土区间歇性运营的埋地输油管道不保温时的冻土融化深度进行分析计算,论证了管道保温的必要性。分别计算了采用聚酚醛、硬质聚氨酯泡沫塑料和软质聚氨酯泡沫塑料3种保温方案时的融化深度,并对比保温效果,进而对冻土区管道保温方案的设计提出建议。     

埋地管道周围土壤湿热耦合相变过程的数值计算

基于有限容积法,建立了多孔介质相变自然对流换热模型。以在饱和含水多年冻土区敷设的输油管道为例,采用SIMPLER算法,数值计算了地表温度周期性变化条件下,埋地热油管道的非稳态传热过程,得到了不同季节管道周围冻土温度场、土冰层融化移动界面及水分迁移规律。研究表明:在地表温度的周期性波动下,管道周围土壤温度场变化剧烈;受温度梯度和重力的影响,土壤中的水分形成沿管道中心线自上而下的自然对流涡旋;随着地表温度的变化,自然对流涡旋中心的形态和强度发生明显变化,说明温度梯度对水分迁移的影响较大。     

采用探针法测量热油管道周围土壤温度场

在热油管道预热投产和停输再启动过程中,为了保证管道安全生产,常常需要对管道周围土壤温度场进行监测。探针法具有不需要预捏测温元件、不破坏管道周围土壤的原有状态和土壤中已建立的温度场等优点,是一种方便、快捷的土壤温度场测试方法。在东黄复线、东临线和中洛线上进行的７次现场测温应用表明,该方法测试结果可靠,测温精度能够满足工程要求,不仅可用于埋地热油管道周围土壤温度场测试,也可用于输油站上管道埋深处的自然     

融沉位移作用下X65管道的应变响应

冻胀融沉引起的土壤位移会对埋地管道的结构安全造成重大威胁。基于非线性有限元程序ABAQUS，采用INP编程语言建立融沉位移作用下管道应力应变响应的参数化数值求解模型，并试验验证了模型的准确性。通过影响因素分析，探究了管道的应变分布特性。结果表明：对于穿越多冰冻土区的X65管道，在融沉区宽度较小的情况下，管道内最大轴向应变位于融沉区中心，管道拉应变大于压应变，整体受拉；当融沉宽度大于60 m时，管道随地表一同融沉，管道最大应变体现为弯曲应变，最大应变位于融沉区边缘，融沉区宽度增加不会对管道应变产生明显影响。因此，在冻土融沉区地灾监测中应重点识别融沉区范围，对于小范围融沉，需要对融沉区中心和边缘应变状态加以监控；对于60 m以上融沉区，则需要对融沉区边缘加以监控。（图9，参23）     

漠大管道安全运行经验总结与思考

中俄漠大管道是我国第一条穿越多年冻土区域的大口径长距离输油管道,因地理位置特殊,运营条件恶劣,维修维护困难,而受到前所未有的关注。概述了该跨国管道的基本情况,对其建设运行以来遇到的各类风险进行了详细分析,介绍了面对这些风险的解决方案和成功经验,总结了运行以来取得的各类成果,如针对性地采取缺陷修复、冻土灾害治理、低温维抢修设备改造等一系列预控措施。基于问题分析和经验总结,提出了高寒冻土区管道设计、建设过程中的优化建议,从而为我国高寒地区管道设计、施工管理和技术发展提供参考。     

埋地管道相应启动过程的数值模拟计算

研究了埋地管道周围温度场与水分场的变化关系对管道建设的影响,认为采用数值计算是预测埋地管道周围温度场的有效手段.以我国广泛分布的冻土为背景,对冻结条件下非饱和土壤水、热耦合运移问题进行了研究.探讨了冻结过程中土壤的冻结特性,建立了土壤水、热耦合运移的数学模型,并用有限差分法对土壤冻结过程进行了数值模拟计算.     

输油管道多点泄漏地表温度场数值模拟

以多点泄漏埋地输油管道为研究对象,建立土壤多孔介质中油水两相流动传热耦合模型,基于相似理论对管道泄漏计算区域进行缩放。利用CFD软件Fluent6.3模拟埋地输油管道多点泄漏情况下地表温度场的特征以及多个泄漏点之间的相互影响,结果表明:满足一定条件的对流现象A、B具有传热和流动的相似性;泄漏点轴向距离为3m时,泄漏介质之间的相互影响较大,地表温度场的泄漏区域呈不规则椭圆形;多点泄漏情况下地表温度场分布明显,在模拟条件下3h内地表温差达到10K。     

爆破振动对埋地输油管道影响的数值模拟

为了确保埋地输油管道在爆破施工过程中的安全,结合邻近埋地输油管道的烟台港西港区疏港大道土石方爆破工程,利用ANSYS/LS-DYNA流固耦合方法模拟爆破振动对管道的影响。基于数值模拟,分别统计管道不同断面、断面正上方地表的最大振动速度,通过最小二乘法对所得数据进行分析研究。结果表明:基于流固耦合方法模拟得到的振速与现场实测结果基本一致,利用该模拟方法研究爆破振动对埋地输油管道的影响是可行的;在爆破振动情况下,管道周围细沙对管道具有保护作用,在模拟研究中考虑细沙是必要的;确定了管道断面最大振动速度与断面正上方地表最大振速的函数关系式,并由此得到现场监测时管道正上方地表安全允许的最大振速为1.982 cm/s。研究结果可为邻近埋地输油管道的土石方爆破工程地表安全允许振动速度的确定提供参考。     

兰成渝输油管道沉管应力应变监测技术

兰成渝输油管道东峪沟沉管治理工程中采用了应力应变监测技术.以沉管区管道的应变监测作为基本出发点,分析了边界点、弯管区、过渡段、最大挠度区管道单元的轴向、环向、45°方向应力及最大主应力变化趋势,并结合弹性破坏理论,对沉管区管道安全状况做出了评价,提出了基于应变测试技术的管道沉降过程力学监测理论.     

多年冻土区管道投产运行后的融沉风险

寒区某管道穿越多年冻土区域,途经连续冻土、不连续冻土、岛状冻土和冻土沼泽,地质条件复杂,同时管道投产后输油温度远高于设计运行温度,实际敷设情况也与设计有很大不同,极易出现融沉问题。利用多层介质稳定导热方法建立迭代公式求解管道投产运行至今冻土层中的地基融化圈厚度,通过对气温升高、地表融化作用和冻土地温的修正,求出无保温层和有保温层两种情况下管道地基融化圈的融化深度。在此基础上,结合多年冻土地基融化下沉变形和压缩沉降变形分析,计算了管道的融沉变形量,并与管道允许的最大差异性融沉变形量进行对比,明确其融沉风险。根据冻土区的地质特征和实际工程经验,给出了3种管道融沉防治措施。（表7,图2,参7）     

冻土地区管道建设面临的工程技术难题

介绍了国内外冻土地区管道工程技术现状，针对冻土地区管道沿线和周围（岩）土的冻胀和融沉问题，提出了相应的对策。以格拉输油管道为例，探讨了冻土地区管道工程可选择的敷设方式、油气管道的电保护技术、气候和环境变化对管道的影响以及沿线环境管理等方面的问题。     

土壤导热系数法测定魏荆输油管道总传热系数

为优化魏荆输油管道运行方案,实现管道节能运行,根据土壤导热系数的测定原理,应用土壤导热系数测定魏荆输油管道的总传热系数,介绍了探针法测量土壤导热系数的测量原理和方法,通过对现场管道测点定位和管道埋深测量,并对现场测量数据应用数值方法进行回归,得出了魏荆输油管道总传热系数的年平均值为1.868 6 W/(m2·℃).现场测量表明,土壤导热系数法是测量埋地热油管道总传热系数的最有效方法.