冻土区埋地输油管道温度场数值模拟研究

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1、第25卷第8期油气储运啼矛凌.}政效，，人龟仿实验研究v含冻土区埋地输油管道温度场数值模拟研究郑平’马贵阳(辽宁石油化工大学)郑平马贵阳:冻土区埋地输油管道温度场数值模拟研究，油气储运，2006,25(8)25.280摘要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祸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。主题词冻土埋地输油管道温度场水分

2、场数值模拟研究难以解决的复杂几何形状和地质条件、考虑热质交一、前一1-换的非线性问题在深度和广度上都有了新的发展。曰北美、西北欧等其它国家和地区与苏联一样，主要是冻害破坏是冻土区埋地管道的常见问题，即当自然资源的开发推动了这些国家冻土温度场及其有气温降至冰点以下时，土壤中水分的冻结伴随着水关学科研究的发展。分向冻结前锋迁移，产生不均匀冻胀，加之周期性不我国冻土温度场研究起步较晚，正式开始温度可逆冻融循环，成为管道发生严重破坏的重要因素。场的理论研究仅有40余年历史。20世纪50年代，我国是世界第三大冻土国，多年冻土区和季节冻土余力教授开始对人工冻结凿井温度场进行研究。徐区分布面

3、积分别占全国面积的21.5%和53.5%，而枚在1962年研究了天然细纱地基的温度场。在此多年冻土区主要分布在“世界第三极”的青藏高原期间，主要通过室内外观测和试验的经验方程计算，上〔1D。随着我国西气东输管道的建设，冻土区埋地采用稳定、非稳定一维线性问题的解析法和半解析管道将会大规模地投人设计和施工。法进行研究。70年代后期，逐渐开展了非线性相变温度场的数值模拟。80年代以后，世界各寒区国家利用其他学科的成就推动了冻土研究向多维多相非二、冻土温度场问题的研究线性问题与多场相互作用问题理论模型的建立和求解、研制和应用现代化高效能、高精度试验技术对冻土温度场进行研究已经有170多

4、年的历发展。史。1890年俄国成立了冻土研究委员会，此后开展了较广泛的研究。1945-1960年和1961一1971年三、冻土温度场与水分场的精合问题是苏联冻土研究的两个较快的发展期，开展了与温度场有关的热力学、热物理学、土壤水热改良、工程建筑稳定性以及地球表面和岩石圈温度场形成等方在以往的研究中，不论是多年冻土区的季节融面的研究及以解析解为主的理论研究。70年代后，化过程，还是季节冻土区的季节冻结过程，大都假定计算机和数值法在苏联冻土领域广泛应用，使以前土体在空间上是分层均质的，土体中的含水量较小，二113001,辽宁省抚顺市188号信箱;电话:13050192206,油气储

5、运2006年均匀分布，而且无源汇补给和排水作用，各土层含水Harlan模型的热流方程为:量稳定。以此假定为基础，土体的热物理参数则分a/、dTaT，aw;层稳定，求得土体及其构筑物的温度场。实际上，冻a...l^-}=CPa.一L一3,(1)口‘毛、以‘月曰1口‘口‘土和多年冻土区往往具有较强的源汇作用，例如高地下水位、大气降水积水、侧向水分补给等等，水分水流方程为:场变成了一个不可忽略的影响因素。aw-,1、冰水相变aa(K}2ax)-(2)在冻土温度场研究中，经常假设冻土中水的相变只发生在冻结锋面上，而忽略冻结区内冰水相变{CIO+LdW-、擎一具IA翼)+L(K少)(3

6、)、’dt/Jtdx、dx/、dx/的影响。事实上，土体冻结后，并非土中所有的液态水全部转变成冰，其中始终保持一定数量的未冻水。式中x—坐标，m;因此，忽略土体中水的相变是不切实际的，必须考虑T—温度，℃;存在未冻水和土体的相变潜热。a—导热系数，W/(m2·℃);2、水分迁移。—比热，J/(kg·,C);现代冻土理论认为，土体冻结时的热筛效应和P—密度，kg/ma;水分迁移引起分凝冰层出现，导致土体冻胀，冻结历t—时间，s;时的增长不断增大了冻结缘的厚度，造成冻胀破坏。L—冰的融化潜热，J/m3;而冻结缘的厚度取决于冻土中含水状况及水分迁移W‘—冰的体积含量;m3;量的多寡〔

7、幻。水分迁移作用是导致冰分凝和冻胀的K-一一导水系数，m/s;根源C3)。P—土水势，Pa;水分迁移会引起温度场发生变化。一方面，水P.—冰的密度，kg/m3;分场在迁移过程携带热量，对温度场产生影响;另一P.,—水的密度，kg/m3;方面，水分迁移必然引起土壤含水量和土的热参数WT=-LNG未冻水的体积含量，m3/m30的变化，直接影响到导热过程及其对温度场的影响。Harlan模型导出后，这一非线性问题的求解促两者对温度场的影响程度是不同的，对岩体而言，水使数值模拟计算得到了较大发展，改变