多年冻土区管道的失效形式及监测技术

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1、万方数据2008年9月多年冻土区管道的失效形式及监测技术*吕宏庆李均峰苏毅(中国人民解放军后勤工程学院科研部)吕宏庆等．多年冻土区管道的失效形式及监测技术．天然气工业，2008，28(9)：98—100．摘要随着开发和利用高寒及多年冻土区油气资源的热潮来临，多年冻土区管道建设的步伐必将加快。由于管道与冻土间存在着强烈的相互作用，冻土的冻胀和融沉对管道运行具有严重的不利影响，对管道实施先进高效的监测技术是保证管道安全运行的有效措施之一。分析了冻胀和融沉对管道的破坏机理，研究了多年冻土区管道的主要失效形式和产生机理，指出产生翘曲上拱和折皱的根本原因是管道承受的

2、轴向应力过大。’最后，提出了对多年冻土区管道实施监测的主要内容，即自然环境监测和管一土相互作用监测。主题词冻土带管道变形膨胀沉降监测技术一、多年冻土区管道面临的主要挑战多年冻土区油气管道面临的主要挑战来自于冻土的冻胀和融沉。由于管道与冻土直接接触，不可避免地会发生相互作用，冻土融化时会使管道产生向下的挠曲，而融土冻结时又会使局部管道产生上拱现象，从而改变了管道的原始形状，使其产生应力和应变，当超过极限状态时就造成管道的失效。1．冻胀冻胀是在冻结过程中水分在温度梯度下发生迁移而使土体发生膨胀的现象¨J。水分子以薄膜水的形式从相对温暖区域向相对寒冷区域迁移，而

3、迁移水冻结所产生的体积增大非常明显，土体的体积膨胀推动管道向上运动，引起翘曲，甚至拱出地面，使管道偏离原来的敷设路径[2’3]。图1为俄罗斯NovijUrengoj地区天然气管道的冻胀变形图。可见，冬季融化层回冻所产生的严重冻胀，是多年冻土区结构物遭受冻害的主要原因。图1NovijUrengoj地区管道的支撑桩冻胀变形图‘4]影响土壤冻胀量的参数包括冻结深度、含水量、土壤颗粒大小、温度梯度和土壤压力等L5j，由于管道沿线各参数的差异会引起土壤冻胀量的不同，某些管段的上拱高度会比其他管段高，使这些管段产生过度弯曲，严重时造成管道破坏。2．融沉融沉是由于冻土中

4、的冰融化所引起的。在冻土地区，一般有两种不同性质的冻土带，一种是融化稳定区，当有外界热量输入而引起冻土融化后，其土质仍是稳定的；另一种是融化不稳定区，当有外界热量输入引起冻土融化后，土质失去支撑能力，并因融化深度、含冰量和土体颗粒大小等的不同，融沉量也有差异，从而引起管道的弯曲[6]。特别是在融化稳定区和不稳定区的过渡带，埋设于其中的管道将会出现较大的应变，可能造成管道屈服破坏。图2是加拿大NormanWells管道某处经12a后融化深度增加及其所产生的地表和管道沉降示意图。图2NormanWells管道某个监测点地表和管道的沉降示意图‘7]*本文受到中国

5、人民解放军总后勤部项目(编号：油20050211)的资助。作者简介：吕宏庆，1972年生，副教授，博士；现主要从事油气管道安全评估方面的教学和科研工作。地址：(400016)重庆市大坪长江二路174号。电话：(023)68756153，13368189564。E-mail：hongqinglv@sohu．com·98·万方数据标准分享网www.bzfxw.com免费下载第28卷第9期冻胀和融沉是在多年冻土区进行工程施工的最大威胁，特别是北半球国家一直为此困扰，20世纪50年代以来，在道路和建筑物的工程处理上对此已有较多的研究，对于冻胀和融沉量大小的精确测定

6、和预测，以及相应的设计和施工方法得到了大量的理论和试验研究，但目前仍无法准确测定、计算和预测油气管道围岩土的冻胀和融沉变形量。二、多年冻土区管道的失效形式1．翘曲上拱翘曲上拱一般发生于轴向受限的埋地管道，它属于管道的垂向位移。从力学观点来讲，管道发生翘曲上拱的原因是由于管道受到轴向压应力的作用，而压应力的产生又是由于温差和管道内压所引起的，但温度的变化是引起管道翘曲的主要原因，因为管道一旦投产后，运行压力一般变化不大。对于冻胀或融沉是否会引起管道翘曲的问题存在着较大的争论，但一个不容忽略的事实是多年冻土区管道发生翘曲的事故要明显多于其他管道。笔者认为，冻胀

7、或融沉不至于直接引起管道的翘曲，但它对管道的翘曲上拱具有两方面的作用：一方面，由于冻胀和融沉造成了管道轮廓的不平整，为翘曲上拱提供了条件；另一方面，土壤冻融引起回填土性质的变化，造成管一土间摩擦系数的变化，从而影响管道的轴向压力及翘曲上拱的幅度。2．管道折皱当管道承受压缩载荷和(或)弯矩时，管道横截面的全部(或部分)承受压缩应力和应变。当最大压缩应变达到临界值时，管壁上开始产生局部弯曲或折皱。随压缩应变的增加，折皱扩展并引起明显的局部变形，弯曲部位承受压缩负载的能力大大减小L8J。最近30a来，已经对局部弯曲、折皱、管道弯曲后的行为等主题进行了深入的研究，

8、实验和理论研究加深了对局部弯曲和折皱形成与扩展的进一步理解【9。1