浅论多年冻土区埋地输油管道基础热稳定性研究

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1、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所硕士学位论文多年冻土区埋地输油管道基础热稳定性研究姓名：何树生申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：赖远明20070501摘要多年冻土区埋地输油管道基础热稳定性研究何树生(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰卅730000)冻害问题一直是寒区管道工程建设的重大难题。如冻土区埋地式温热油管散热导致管道基础的融沉问题，而寒区常温输送管道更是面临着冻胀和融沉双重问题的考验。中俄原油管道工程将穿越连续、不连续多年冻土区和季节冻土区，管线采用常温输送工艺输送原油，因此，必将遇到冻

2、土病害问题的严峻挑战。目前，我国多年冻土区管道工程建设实践和相关的设计施工经验还很缺乏，相关的研究更是少之又少。因此，研究多年冻土环境下埋地管道与周围冻土的相互热力作用，并最终揭示管道冻融灾害机理及采取对应的有效工程措施对于寒区管道工程建设显得尤为重要。本文从中俄原油管道工程建设应用实际出发，运用室内模拟试验和数值分析方法，对多年冻土区埋地常温输送管道进行了室内的模型试验，并对全球气候变暖条件下我国东北多年冻土区管道工程基础进行了热稳定性的数值模拟和长期动态预测。本文主要做了如下研究工作：利用相似理论推导了模型试验的相似方程，得出

3、了多年冻土区埋地输油管道室内模型试验的相似准则，运用该准则成功地进行了模型试验方案设计和试验控制，分析了室内试验条件下非保温埋地常温输油管道及其地基土在边界温度周期性波动条件下的热响应(管道油流的温降模式和管道周围融化圈的形成发展)。试验结果表明在多年冻土区铺设常温输油管道应充分考虑并实际预测油温在管线起始地段经过多长距离的输送后趋于稳定(管内油温与管周地温达到平衡)，并充分研究这一热交换较强烈的起始管段可能产生的冻害问题。根据传热学与有限元理论给出了带相变的温度场计算的控制微分方程及其有限元计算式，对东北多年冻土区埋地输油管道与

4、周围土体的热状况进行了数值计算分析。研究结果表明：管道埋设深度、输送油温大小以及铺设保温材料对多年冻土区管中国科学院研究生院硕士学位论文：多年冻土区埋地输油管道基础热稳定性研究道基础的融化深度及融化速率有较大影响，同时得出了有效控制低温多年冻土区正温埋地管道基础融深的合理设计参数(埋深、保温材料厚度和年均输送油温值)。利用有限元计算方法预报了全球气候变暖对大口径埋地保温温热输油管道基础的融化圈发展的影响，并对比分析了低温、高温冻土区埋地管道在两种埋深条件下的热稳定性。研究结果表明：气候变暖对低温多年冻土区大口径保温温热管道基础的热

5、稳定性影响较小；相反，气候变暖对高温冻土区保温温热管道基础的解冻融化影响显著，加大保温层厚度在一定程度上能减小高温冻土区管下的最大融深，但从长期效果和经济的角度看，铺设保温层的效果并不理想，故需进一步采用其它吸热降温措施来保障高温冻土区埋地管道基础的热稳定。建立了不连续多年冻土区过渡带常温埋地输油管道穿越的计算模型，计算分析了冷暖季常温管道分别通正、负温油时管道基础的冻融循环过程，并预测了常温管道运行30年内管周融化圈和冻结圈的发展趋势，从理论上阐述了常温埋地管道穿越冻土区过渡带可能发生的冻害问题。研究结果表明：当管线由大片融区穿

6、越高温多年冻土区过渡带后，常温输油管道主要受融沉的影响：当管线由多年冻土区穿越融区过渡带界面后，管线将主要受冻胀的影响；高温多年冻土区管道油流过泵引起的温升对泵站出口附近的管下冻土影响同样是融沉问题。关键词：温度场，埋地输油管道，多年冻土，融化(冻结)圈，热稳定AbstractStudyonThermalStabilityofBuriedOil—pipelineFoundationinPermafrostRegionsHEShu—sheng(StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering，Col

7、dandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringInstitute，ChineseAcademyofSciences，Lanzhou730000)Thedamagefromfrostactionandthawsettlementisoneofthemostdifficultproblemsforpipelineengineeringinthecoldregions．Thawsettlementofthepipelinefoundationiscausedbyheatemanatingfromth

8、eburiedwarm—oilpipeline，andtherearedoubleissuesofboththawsettlementandfrostheaveresultingfromtheburialofanambienttemperature