基于水热耦合效应的岛状多年冻土区正温输气管道病害机理分析及数值模拟

摘要

管道运输是油气资源所采用的最为常用的方式之一，我国有多条油气管道位于多年冻土地区。因输送介质处于正温状态，且管道多采用直埋形式，与冻土直接接触，二者间相互热力作用共生。冻土融沉、融土冻胀的不均匀性会造成管道局部变形，使其产生应力和应变，若超过一定限值，则会造成管道破坏。该现象是管道与土体间相互热作用的结果，其中温度为其首要耦合变量，即土体温度对油气管道的传热过程存在一定影响，与此同时，油气管道的传热过程又反作用于管道周围一定范围内土体的温度分布。二者耦合作用于地温场，最终造成土体的冻胀与融沉，影响油气管道的应变、应力量值。
　　土体冻结是一个复杂的过程，涉及温度场、水分场、应力场等多场耦合。水分场的不断变化会造成土体含水率的不同，而土体含水率的时变性导致土体热物理参数，诸如容积比热容、导热系数等的剧烈变化。由于冰体导热系数是液态水的4倍，其中尤以土体含冰量的影响最为重要，最终种种作用于土体，使得土体冻结、融化过程产生巨大变化。现针对西北青海某地岛状多年冻土区正温管道展开以下研究:
　　(1)对现场地温进行长期观测，从而得到冻土温度场的实际状态。对地温的现场实测及数据分析表明，测量段土体上行、下行热流量基本相等，属于不稳定冻土，在正温输气管道的热扰动下极易退化;土体融化期及冻结期分别为7个月、5个月。正温输气管道水平影响范围约1.5m;天然情况下多年冻土上限为1.5～2.0m，管道正下方最大融化深度约7.0m。
　　(2)对岛状冻土地区融后现场土体进行室内土工试验。获得了土粒比重、最大干密度、液塑限、渗透系数、压缩模量、抗剪强度及c、ψ值等土体物理力学参数。
　　(3)对高海拔寒区正温油气管道不同介质温度情况下周围土体温度场及施加保温层的效果进行研究。利用显式热容法，建立了考虑相变的非稳态温度场控制方程，运用Abaqus数值模拟了管道自运行初始及其后50a的土体温度场。在此基础上分析了不同介质温度时管道下土体融化速率、融化圈特征及融深限值，建立了三种介质温度下50a内管下土体最大融深计算式。研究表明:无保温管道下土体融化速率呈指数衰减，最大融深呈负指数幂增长，并均趋近于一定值;采取较低油温及设置保温层均可达到防治病害的目的，且后者效果优于前者。
　　(4)建立了考虑水分渗流、水分对流传热的非饱和土水热耦合场偏微分控制方程，利用COMSOL Multiphysics中的PDE模块进行了水热耦合场的数值模拟，得到了未冻水分场及冻胀率场，并观察到了未冻水的迁移现象。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 冻土区输油气管道工程冻融病害及国内外实例

1．2．1 多年冻土区管道冻融病害

1．2．1 国内外多年冻土区管道冻融病害实例

1．3 多年冻土区油气管道冻融病害机理

1．3．1 冻胀

1．3．2 融沉

1．4 国内外研究现状

1．5 主要研究内容及技术路线

2 管道现场地温观测及分析

2．1 涩北—西宁—兰州输气管道概况

2．2 地温场监测方案

2．3 现场钻孔含水率分析

2．4 地温场分析

2．5 管周土体物理力学性质

2．5．1 土粒比重试验

2．4．2 击实试验

2．4．3 界限含水率试验

2．4．5 固结试验

2．4．6 固结慢剪试验

2．5 本章小结

3 管周土体地温场的Abaqus数值模拟

3．1 控制微分方程及有限元列式

3．2 建立计算模型

3．3 不同工况下计算结果及分析

3．4 本章小结

4 多年冻土水热耦合场数值模拟

4．1 多年冻土水热耦合场偏微分控制方程

4．1．1 水分场控制万程

4．1．2 温度场控制方程

4．1．3 水热耦合偏微分方程

4．1．4 相变控制方程

4．1．5 各向同性二维水热场偏微分控制方程

4．2 微分控制方程的COMSOL Multiphysics模式

4．2．1 温度微分控制方程

4．2．2 水分微分控制方程

4．3 计算参数及模型建立

4．3．1 函数、变量及参数取值

4．3．2 模型尺度及网格化

4．4 不同工况下计算结果分析

4．4．1 未冻水含量分析

4．4．2 冻胀率分析

4．5 本章小结

5 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果