热棒处理多年冻土区埋地正温输气管道三维管—土温度场及热力耦合数值分析

发布时间：2020-05-21 12:27

【摘要】：管道运输作为一种可以实现自动控制的输送工具,因其在液、气能源运输上的优势而广泛应用于石油、天然气的长距离运输。管道运输可省去水运或陆运的中转坏节,缩短运输周期,降低运输成本,提高运输效率。因运输的物料处于正温状态,且大多数管道出于安全考虑而选择埋设于地下,与土体直接接触,当管道穿越多年冻土地区时,必然将与管道周围土体发生热量交换进而影响冻土的形态变化:在暖季,正温管道放热融化冻土,在寒季,管周融土重新冻结,这种冻融循环导致管道所受应力不断积累,管道变形过大,最终被破坏。因此研究管周土体温度场及应力场对于预防管道病害至关重要。本文基于实际埋地正温输气管道工程位于多年冻土区的某段管段进行了以下研究:(1)为了得到该管段位置处冻土温度场的实际状态,设置了温度监测断面,对其进行了长期观测,可知管道中心处的最大融化深度为6.5m左右,管道对周围冻土在管道中心水平距离的最大影响范围为2m左右。(2)利用显式热容法,建立了考虑相变的三维非稳态温度场控制方程,运用ANSYS对不同管内物料温度下管道开始运营及其后50年的土体温度场进行计算。在此基础上分析了不同物料温度时管道周围土体温度随计算时间的变化规律、融化圈变化规律以及管底最大融深的变化情况,揭示多年冻土地区管道病害的发生机理。(3)针对管道沿线出现的冻土病害问题,为减少治理措施对管周冻土的扰动,考虑采用布置热棒的措施对管道病害进行治理。在现场条件下数值模拟结果的基础上,分析两种热棒布置方式对管周土体降温效果以及不同物料温度对热棒降温效果的影响规律。分析表明,热棒对管周土体的降温效果显著,物料温度与热棒降温效果呈正相关关系。(4)根据弹性力学原理,考虑输气管道工程的特点,基于管道和土体的应力及变形的有限元控制方程,结合温度场的计算结果,建立间接耦合分析模型,对不同工况下某管道所受竖向应力进行分析,得到了管道最大竖向应力发生在管道底部,并其得出了物料温度对管道所受竖向应力的影响规律以及热棒对管道所受竖向应力的影响。
【图文】：

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最大可产生 1m 的沉降[8]。研究，可以证明造成沿线冻土的融化深度明显加深的主要原原因，管内油温上升至正温，管道其对管周冻土放热，从而期埋设管道至管道运行这段时间内，恰巧沿线气温持续升高融化，进而加快后期冻土的融化速率。这些监测数据等为罗护以及后期病害的处理提供了重要的依据，同时也为其他管的参考作用。格拉线成品油管道3 年的格拉管道坐落于平均海拔 4500m 的青藏高原，北起青萨，作为我过首条高海拔、长距离成品油管道，其全长 10道一半以上的管段铺设于多年冻土区，，自 1977 年运营以来管道已经多次“露管”如图 1.1，甚至破坏导致油品泄漏。生过 30 次油品泄漏，不仅造成极大的经济损失，对沿线的的破坏[10]。

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（管内物料年平均温度小于 0℃）[5]。对于坐落于多温将对周围冻土产生极大的扰动，因此，对冻土影响重的冻土病害。高温段放出的热量使管周冻土融化，边坡滑移等。在寒冷段，由于温度较低，不断吸收管冰层变厚，产生冻胀。而对于温暖段，当管内温度为下沉，当管内温度下降为负温时，管周土体又开始冻管道冻胀，由于沿线土体参数的不同必然会造成管全运营受到威胁。由此可知，冻土区管道病害主要是胀时，比如在冻土区地温最低时，土体温度必然低于冻着温度的持续下降，土中含冰量越来越多，同时土体面，温度较高的土体中的水分不断向温度较低的部分土体进一步膨胀。总而言之，在冻结过程中，在最低用下，水分发生迁移并且冻结成冰从而发生的体积增
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU996.7

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