高海拔多年凍土區(qū)埋地式輸氣管道周圍土體溫度場及管-土熱力耦合數(shù)值計(jì)算.pdf

1、我國凍土區(qū)域分布較為廣泛，作為世界第三大凍土國，凍土區(qū)面積約占國土面積的75％。在這些凍土區(qū)域中，尤其是多年凍土區(qū)，儲藏著豐富的石油天然氣資源。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會不斷向前發(fā)展，因埋地式管道有著成本相對較低、運(yùn)量大、占地少、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在多年凍土區(qū)敷設(shè)埋地式輸氣管道作為目前乃至今后長距離輸送油氣資源的主要方式仍將不可避免的要穿越這些區(qū)域。然而，在多年凍土區(qū)，尤其是在青藏高原這樣平均海拔高、多年凍土面積分布廣泛、多年凍土層厚度大、自然條

2、件十分惡劣、地質(zhì)條件十分復(fù)雜的多年凍土區(qū)敷設(shè)埋地式正溫輸氣管道，國內(nèi)尚無成熟的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)以供借鑒參考，同時(shí)對于多年凍土區(qū)埋地式管道與其周圍多年凍土之間相互作用機(jī)理的研究仍處于逐步探索階段，管道周圍多年凍土的力學(xué)特征、熱穩(wěn)定性及管道的工程特性是研究多年凍土區(qū)埋地式正溫輸氣管道工程的關(guān)鍵問題所在。
　　本文以青藏高原多年凍土區(qū)正溫埋地式輸氣管道某區(qū)段管道及周圍土體為研究對象，針對該區(qū)段沿線多年凍土退化引起的病害，結(jié)合該區(qū)段多年凍土特征，

3、考慮未來氣候升溫環(huán)境因素及傳熱學(xué)基本理論，利用大型有限元數(shù)值計(jì)算軟件ANSYS對不同管道中心埋深、不同管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度以及有無保溫措施并考慮冰水相變過程條件下管道周圍土體的非穩(wěn)態(tài)溫度場分布情況進(jìn)行了數(shù)值求解，得到了不同條件下管道周圍土體的溫度場分布趨勢，同時(shí)也利用ANSYS熱力間接耦合方法計(jì)算了管道在不同條件下其內(nèi)部等效應(yīng)力的分布情形。
　　本文的主要結(jié)論如下:
　　(1)通過對不同條件下高海拔多年凍土區(qū)埋地式正溫輸氣管道周

4、圍土體溫度場的數(shù)值計(jì)算，分析發(fā)現(xiàn)該區(qū)段多年凍土熱穩(wěn)定性較差，埋設(shè)正溫輸氣管道對管道周圍多年凍土賴以保持穩(wěn)定的凍土環(huán)境威脅極大;
　　(2)管道中心埋深對管道周圍多年凍土的溫度場分布規(guī)律影響較大，一般來說，在管內(nèi)介質(zhì)管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度一定時(shí)，管道中心埋深越大，在計(jì)算時(shí)間內(nèi)管道底部的多年凍土融化深度也就越大:管道中心埋深分別為2.0m、2.5m、3.0m時(shí)，在管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度為10℃和16℃條件下，計(jì)算第50年其管道底部的多年凍土融化深

5、度分別為2.76m、3.21m、3.68m和2.84m、3.35m、3.76m，在正溫輸氣管道設(shè)計(jì)、施工敷設(shè)時(shí)管道中心埋深要經(jīng)濟(jì)、合理;
　　(3)隨著管內(nèi)介質(zhì)管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度的升高，管道底部下方土體最大融化厚度也就越大:管道中心埋深2.0m時(shí)，在管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度為10℃和16℃條件下，管道底部下方土體最大融化厚度分別為43cm和50cm;管道中心埋深2.5m時(shí)，在管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度為10℃和16℃條件下，管道底部下方土體最大融化厚

6、度分別為38cm和47cm;管道中心埋深3.0m時(shí)，在管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度為10℃和16℃條件下，管道底部下方土體最大融化厚度分別為35cm和43cm;在實(shí)際操作中應(yīng)控制管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度，盡量避免過高的管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度;
　　(4)使用45mm厚的聚氨酯泡沫作為管道外壁保溫措施，可以有效減小正溫輸氣管道熱量對管道周圍多年凍土的熱擾動，直接表現(xiàn)為有保溫措施時(shí)管道周圍多年凍土的融化范圍較無保溫措施時(shí)極小:45mm厚的聚氨酯泡沫作為管道外壁

7、保溫措施，管道中心埋深2.0m時(shí)，在管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度為10℃和16℃條件下，管道底部下方土體最大融化厚度分別為0mm和43.7mm;管道中心埋深2.5m時(shí)，在管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度為10℃和16℃條件下，管道底部下方土體最大融化厚度分別為0mm和35.3mm;管道中心埋深3.0m時(shí)，在管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度為10℃和16℃條件下，管道底部下方土體最大融化厚度分別為0mm和30.5mm;
　　(5)在埋地式正溫輸氣管道敷設(shè)、運(yùn)營的前10～20年

8、內(nèi)，正溫管道熱量對管道周圍多年凍土的熱擾動最大，在此期間應(yīng)注意加強(qiáng)管道周圍土體的溫度監(jiān)測與管道維護(hù);
　　(6)不同條件下，由于管道內(nèi)部壓力、自重、上覆土體自重以及由于周圍土體溫度變化產(chǎn)生的荷載在管道中產(chǎn)生的等效應(yīng)力最大值位于管道底部內(nèi)側(cè);
　　(7)不同管道中心埋深時(shí)其管道底部內(nèi)側(cè)等效應(yīng)力隨計(jì)算時(shí)間的增加逐漸增大，等效應(yīng)力最大值在計(jì)算的第30年;
　　(8)在管道管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度為16℃、無保溫措施情況下，管道中心埋

9、深越大，由于管道內(nèi)部壓力、自重、上覆土體自重以及由于周圍土體溫度變化產(chǎn)生的荷載在管道中產(chǎn)生的等效應(yīng)力也就越大;在計(jì)算的第30年，管道中心埋深3.0m情況下管道底部內(nèi)側(cè)等效應(yīng)力為203MPa，管道中心埋深為2.5m、2.0m時(shí)其等效應(yīng)力分別為172MPa、149MPa，分別是管道中心埋深為2.0m、2.5m時(shí)等效應(yīng)力的1.36倍和1.18倍;
　　(9)管道中心埋深相同、管道管內(nèi)介質(zhì)輸送溫度為16℃情況下，采取45mm聚氨酯泡沫作為