漠大多年冻土区埋地输油管道周围温度场监测

埋地输油管道的建设和运行势必会破坏多年冻土的稳定性,容易引发冻胀、融沉、崩塌、热融滑坡,从而导致管道弯曲、翘曲等灾害。由于多年冻土对温度具有极敏感性及其破坏的不可逆性,因此,需要对多年冻土区埋地输油管道周围温度场的监测开展研究。以漠大管道为例,选取典型管段,设计了适用于漠大管道周围温度场监测的测温系统。结果表明:管道设置合理的保温措施可有效阻隔输油管道向土壤的放热,减小管道周围土壤的融化范围,缓解管道融沉,为管道冻土灾害综合整治提供决策依据。     

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。     

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）     

临济复线原油管道能耗分析与计算

对拟建的临济复线原油管道进行了能耗分析与计算 ,得出了聚氨酯泡沫塑料在现有土质及埋地湿度较大条件下的传热系数和实际有效厚度 ,以及埋地输油管道保温与不保温的实际能耗值 ,并对其能耗值进行了经济分析。分析结果表明 ,敷设保温管道的综合经济效益优于非保温管道 ,且生产安全性较强     

冻土区埋地油气管道管沟融陷机理

为了治理冻土区埋地油气管道管沟融陷工程病害,通过对管道病害现场调查,结合现场地质勘探、含水量试验测试及管周土体温度监测,分析了融陷病害的发生机理,并结合管沟融陷形成因素,提出了相应的防治措施。结果表明:冻土区埋地油气管道管沟融陷病害的发生与地层土质、土体含冰量、冻土类型、管道热扰动及施工方式等因素有关;冻土区埋地油气管道的敷设应选择合理的施工季节,综合分析冻土环境因素,确定合理的管道埋设深度,设置管道隔热保温措施,加强管道运行状态监测和科学管理,从而保证管道安全运行。研究成果可为冻土区埋地油气管道的设计、施工及安全运营提供借鉴。     

冻土区保温管道补口结构的保温性能

开展冻土区管道的建设,需要在寒冷的环境下进行施工,硬质聚氨酯保温瓦块避免了低温发泡的问题,但也存在施工效率低、不能保证保温效果的问题。将柔性保温材料二氧化硅气凝胶保温毡、聚乙烯泡沫塑料引入补口保温层结构,用以提高施工效率,改善保温效果。在不同的工作管温度下,对3种补口保温层结构的导热系数、热流密度、外表面温度分布进行了研究,结果表明:115 mm硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数、热流密度最小;二氧化硅气凝胶保温毡可以改善聚氨酯保温瓦块补口外表面的温度分布;"聚乙烯泡沫+二氧化硅气凝胶保温毡"保温结构的保温性能可以满足工程需要,施工性能较好,可用于寒冷环境下的管道保温补口施工。     

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。     

直埋敷设与地沟敷设在供热工程中的应用研究

通过对高密度聚乙烯保护层的聚氨酯保温直埋管和玻璃棉类保温管地沟敷设工程造价、不同保温材料热损失进行计算比较 ,结果表明 :使用聚氨酯保温直埋管可降低工程造价 8% ,管网热损失仅为 2 % ;采用高密度聚乙烯保护层的聚氨酯保温管道使用寿命是地沟敷设管道的 3～ 4倍 ,施工周期可缩短 5 0 %。并对聚氨酯保温管直埋敷设的施工和设计提出了一些建议。     

计算埋地管道经济保温厚度的一个新模型

以保温工程投资、动力消耗和热力消耗等三项费用的终值费用之和为目标函数,建立了计算埋地热油输送管道经济保温厚度的一个新的数学模型。该模型比较全面地考虑了油品性质、管道埋深、进站温度和资金的时间价值等影响因素。实例计算表明,管道埋地深度对经济保温厚度有着明显的影响,在进行保温设计时,必须考虑管道埋深的影响。对于小口径、长距离、大输量的管道,应该考虑动力损耗对经济保温厚度的影响。     

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。     

管道保温配套技术

在油田地面工程建设中集输管网较多,为了降低输送介质的热量损失,常采用保温的方法来提高热效率。长庆油田已经在埋地管道和架空管道上成功地应用了泡沫塑料黄夹克和憎水珍珠岩管壳镀锌铁皮保温技术,对节能起到了积极的作用。但是与之配套的埋地管道保温的补口和架空管道保温的切口接缝问题一直未能很好地解决。为此进行了深入研究,采用了聚乙烯热收缩片扣接补口技术和空心硅粘接技术。     

埋地热油管道经济埋深的计算模型

以埋地热油输送管道管沟开挖投资的年分摊费用和管道运行中的年热力损失费用之和作为目标函数,给出了埋地热油输送管道经济埋设深度的计算模型,模型考虑了埋设深度、保温材料、保温厚度和土壤性质对传热系数的影响。实例计算表明,传热系数随埋深的变化明显地影响着经济埋深的程度,给出的模型既较好地反映了各因素对经济埋深的影响规律,又避免了传热系数取值的盲目性,而且模型计算能够快速收敛。该模型可为热油输送管道施工的工艺优化设计提供一定的理论依据。     

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。     

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。     

中俄东线岛状多年冻土现状及退化原因

多年冻土产生的冻胀和融沉可能导致管道变形破坏,探明中俄东线天然气管道岛状多年冻土的现状和退化原因非常必要。采用工程地质钻探、地温测试及高密度电法的综合勘察方法,对管道沿线16处疑似岛状多年冻土区进行勘察验证;通过搜集管道沿线气候和森林覆盖率等资料,分析近年来研究区域内各要素变化趋势,推测其对冻土环境的影响。研究表明:由于全球气候转暖及人为活动频繁等诸多因素,导致东北地区气温升高、森林覆盖率减少、湿地消失,冻土环境失去了原有的热平衡,造成管道沿线岛状多年冻土区显著退化;与此同时,20世纪70年代划定的东北地区多年冻土南界呈现明显北移的趋势。     

冻土区坡体蠕滑作用下管道应力数值计算

长输油气管道在一般地段埋地敷设,当经过季节性斜坡冻土区时,由于冻融引起的坡体蠕滑作用导致管道产生附加应力。通过安装管道轴向应变传感器可监测坡体蠕滑作用导致的管道轴向应力变化,但开展管道强度评价时,需要明确管道应变监测初始应力,由于应力检测技术多在实验室环境下使用,工程上并不成熟,目前行业内一般通过有限元建模计算方法获取管道应变监测初始应力。以涩宁兰一线某穿越斜坡季节性冻土地貌埋地管道为例,介绍了位于季节性冻土区的管道当前面临的主要风险、土体位移分布形式与位移的确定,以及季节性冻土区斜坡体位移作用下管道的受力和变形情况。采用向量式有限元方法,利用空间梁单元和非线性土弹簧模型对灾害点管道进行了数值模拟,并得到管道现状应力分布,为确定管道本体应变监测截面位置、估计管道现状应力分布及管道安全评价提供依据。     

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.     

长春市冻土时空变化分析

利用长春市1961-2018年6个地面气象记录的多年冻土资料，分析了长春市多年冻土平均最大深度、冻结日、融化日、冻结日和年际变化规律。结果表明，58年来，全市冻结期略有推迟，冻结期明显提前。多年来最大平均冻土深度的变化呈下降趋势，各站的变化趋势与全市基本一致。     

辽西季节性冻土特征及融化过程对气候变化的响应

为了开展地温监测和冻土融化深度预报业务,利用辽宁西部气象观测资料,运用相关系数和线性回归等方法,分析冻土变化特征、冻土融化过程,以及气象要素对冻土深度变化的影响,并建立其地温与气温、冻土融化过程与正积温相关模型.结果表明,辽宁西部稳定冻土期在11月中旬至翌年3月下旬,冻土最大深度呈逐年变浅趋势,倾向率为-5.4 cm/10 a;结冻日期推后,倾向率为2.0 d/10 a;化通日期提前,倾向率为-1.5 d/10 a;冻土融化期在3月中旬至4月上旬,冻土融化速率在3.1～4.0 cm/d.冻土最大深度与气温、地面温度及降水量显著相关.11月至翌年2月气温每升高1℃冻土最大深度变浅5.7 cm.气温与地温、正积温与冻土融化深度具有显著的线性关系;其中,气温与10 cm地温线性方程历史回代拟合率在96％以上;正积温与冻土融化深度线性方程历史回代拟合率在94％以上.线性方程可作为模型预测预报春季地温、冻土融化深度.     

泡沫塑料保温管道总传热系数的确定

随着油田长输管道高强度钢材的应用和输送压力的提高,泵站间距越来越长.为减少占地和节约投资,尽可能将加热站与泵站合建,这样势必增大加热站站间距.为此采用理论计算法和反算法对总传热系数(K)进行计算,得出了黄土塬地区埋地泡沫塑料保温管道总传热系数选用值,为输油管道高效经济运行和节能降耗提供了可靠的依据.