高海拔多年冻土区埋地式输气管道周围土体温度场及管-土热力耦合数值计算

摘要

我国冻土区域分布较为广泛，作为世界第三大冻土国，冻土区面积约占国土面积的75％。在这些冻土区域中，尤其是多年冻土区，储藏着丰富的石油天然气资源。随着我国经济社会不断向前发展，因埋地式管道有着成本相对较低、运量大、占地少、建设周期短等优点，在多年冻土区敷设埋地式输气管道作为目前乃至今后长距离输送油气资源的主要方式仍将不可避免的要穿越这些区域。然而，在多年冻土区，尤其是在青藏高原这样平均海拔高、多年冻土面积分布广泛、多年冻土层厚度大、自然条件十分恶劣、地质条件十分复杂的多年冻土区敷设埋地式正温输气管道，国内尚无成熟的经验技术以供借鉴参考，同时对于多年冻土区埋地式管道与其周围多年冻土之间相互作用机理的研究仍处于逐步探索阶段，管道周围多年冻土的力学特征、热稳定性及管道的工程特性是研究多年冻土区埋地式正温输气管道工程的关键问题所在。
　　本文以青藏高原多年冻土区正温埋地式输气管道某区段管道及周围土体为研究对象，针对该区段沿线多年冻土退化引起的病害，结合该区段多年冻土特征，考虑未来气候升温环境因素及传热学基本理论，利用大型有限元数值计算软件ANSYS对不同管道中心埋深、不同管内介质输送温度以及有无保温措施并考虑冰水相变过程条件下管道周围土体的非稳态温度场分布情况进行了数值求解，得到了不同条件下管道周围土体的温度场分布趋势，同时也利用ANSYS热力间接耦合方法计算了管道在不同条件下其内部等效应力的分布情形。
　　本文的主要结论如下:
　　(1)通过对不同条件下高海拔多年冻土区埋地式正温输气管道周围土体温度场的数值计算，分析发现该区段多年冻土热稳定性较差，埋设正温输气管道对管道周围多年冻土赖以保持稳定的冻土环境威胁极大;
　　(2)管道中心埋深对管道周围多年冻土的温度场分布规律影响较大，一般来说，在管内介质管内介质输送温度一定时，管道中心埋深越大，在计算时间内管道底部的多年冻土融化深度也就越大:管道中心埋深分别为2.0m、2.5m、3.0m时，在管内介质输送温度为10℃和16℃条件下，计算第50年其管道底部的多年冻土融化深度分别为2.76m、3.21m、3.68m和2.84m、3.35m、3.76m，在正温输气管道设计、施工敷设时管道中心埋深要经济、合理;
　　(3)随着管内介质管内介质输送温度的升高，管道底部下方土体最大融化厚度也就越大:管道中心埋深2.0m时，在管内介质输送温度为10℃和16℃条件下，管道底部下方土体最大融化厚度分别为43cm和50cm;管道中心埋深2.5m时，在管内介质输送温度为10℃和16℃条件下，管道底部下方土体最大融化厚度分别为38cm和47cm;管道中心埋深3.0m时，在管内介质输送温度为10℃和16℃条件下，管道底部下方土体最大融化厚度分别为35cm和43cm;在实际操作中应控制管内介质输送温度，尽量避免过高的管内介质输送温度;
　　(4)使用45mm厚的聚氨酯泡沫作为管道外壁保温措施，可以有效减小正温输气管道热量对管道周围多年冻土的热扰动，直接表现为有保温措施时管道周围多年冻土的融化范围较无保温措施时极小:45mm厚的聚氨酯泡沫作为管道外壁保温措施，管道中心埋深2.0m时，在管内介质输送温度为10℃和16℃条件下，管道底部下方土体最大融化厚度分别为0mm和43.7mm;管道中心埋深2.5m时，在管内介质输送温度为10℃和16℃条件下，管道底部下方土体最大融化厚度分别为0mm和35.3mm;管道中心埋深3.0m时，在管内介质输送温度为10℃和16℃条件下，管道底部下方土体最大融化厚度分别为0mm和30.5mm;
　　(5)在埋地式正温输气管道敷设、运营的前10～20年内，正温管道热量对管道周围多年冻土的热扰动最大，在此期间应注意加强管道周围土体的温度监测与管道维护;
　　(6)不同条件下，由于管道内部压力、自重、上覆土体自重以及由于周围土体温度变化产生的荷载在管道中产生的等效应力最大值位于管道底部内侧;
　　(7)不同管道中心埋深时其管道底部内侧等效应力随计算时间的增加逐渐增大，等效应力最大值在计算的第30年;
　　(8)在管道管内介质输送温度为16℃、无保温措施情况下，管道中心埋深越大，由于管道内部压力、自重、上覆土体自重以及由于周围土体温度变化产生的荷载在管道中产生的等效应力也就越大;在计算的第30年，管道中心埋深3.0m情况下管道底部内侧等效应力为203MPa，管道中心埋深为2.5m、2.0m时其等效应力分别为172MPa、149MPa，分别是管道中心埋深为2.0m、2.5m时等效应力的1.36倍和1.18倍;
　　(9)管道中心埋深相同、管道管内介质输送温度为16℃情况下，采取45mm聚氨酯泡沫作为保温措施可以有效减小由于管道内部压力、自重、上覆土体自重以及由于周围土体温度变化产生的荷载在管道中产生的等效应力，以管道中心埋深3.0m时管道底部内侧的等效应力值为135MPa最大，而管道中心埋深为2.0m、2.5m时其等效应力分别为78.3MPa和94.7MPa，分别是无保温措施时其管道底部内侧等效应力的两种管道中心埋深的52.6％、55.1％和58.7％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外相关研究进展及现状

1．2．1 冻土区管道工程主要问题

1．2．2 冻土区管道工程建设状况

1．2．3 冻土区埋地式管道工程研究状况

1．3 本文的研究内容及主要工作

1．4 本文技术路线图

2 工程地质概况

2．1 工程概述

2．2．1 地理位置及地形地貌

2．2．2 气象条件

2．2．3 水文地质条件

2．3 多年冻土特征

2．3．1 沿线冻土分布

2．3．1 区域多年冻土特征

2．4 本章小结

3 无保温措施时埋地式正温输气管道周围土体温度场数值计算

3．1 有限元方法

3．1．1 热平衡方程及边界条件

3．1．2 热平衡问题的加权余量法

3．1．3 稳态热传导方程

3．1．4 瞬态(非稳态)热传导方程

3．1．5 热传导的有限元方程

3．1．6 带有相变热传导的有限元分析方法

3．2 无保温措施时管道周围土体温度场数值计算

3．2．1 二维非稳态温度场控制方程

3．2．2 埋地式正温输气管道传热数学模型基本假设

3．2．3 建立数值计算模型

3．2．4 模型边界条件及初始条件

3．2．5 管道及各土层物理特性参数

3．2．6 求解控制

3．3 无保温措施时埋地式输气管道周围土体温度场数值计算结果及分析

3．3．1 管道中心埋深2．0m时管道周围土体温度场数值计算及分析

3．3．2 管道中心埋深2．5m时管道周围土体温度场数值计算及分析

3．3．3 管道中心埋深3．0m时管道周围土体温度场数值计算及分析

3．4 本章小结

4 有保温措施时管道周围土体温度场数值计算结果及分析

4．1 管道中心埋深2．0m时管道周围土体温度场数值计算及分析

4．1．1 管内介质输送温度为10℃时模型数值计算结果及分析

4．1．2 管内介质输送温度为16℃时模型数值计算结果及分析

4．2 管道中心埋深2．5m时管道周围土体温度场数值计算及分析

4．2．1 管内介质输送温度为10℃时模型数值计算结果及分析

4．2．2 管内介质输送温度为16℃时模型数值计算结果及分析

4．3 管道中心埋深3．0m时管道周围土体温度场数值计算及分析

4．3．1 管内介质输送温度为10℃时模型数值计算结果及分析

4．3．2 管内介质输送温度为16℃时模型数值计算结果及分析

4．4 不同条件下管道周围土体温度场数值计算结果对比分析

4．4．1 不同管道中心埋深时数值计算结果对比分析

4．4．2 不同管内介质输送温度时数值计算结果对比分析

4．4．3 有无保温措施时数值计算结果对比分析

4．5 本章小结

5 管道及周围土体热-力耦合土数值计算

5．1 热力耦合控制方程

5．1．1 温度场控制方程

5．1．2 应力场控制方程

5．2 数值计算模型

5．2．1 数值计算模型边界条件

5．2．2 管内介质输送温度为16℃、管道中心埋深2．0m时数值计算模型

5．2．3 管内介质输送温度为16℃、管道中心埋深2．5m时数值计算模型

5．2．4 管内介质输送温度为16℃、管道中心埋深3．0m时数值计算模型

5．3 相关计算参数的确定

5．3．1 管道相关计算参数的确定

5．3．2 土层相关计算参数的确定

5．4 管道及周围土体热-力耦合数值计算

5．5 计算结果分析

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果