埋地输油管道对多年冻土温度影响的数值模拟研究

摘要

本文在中俄原油管道这一国家重大工程项目背景下，以东北多年冻土区的气候环境、地质条件为基础，以穿越该地区的原油管道为研究对象，运用ANSYS有限元分析软件，对管道修建后50年内土体中的温度场进行了数值计算，根据计算结果研究了埋地输油管道的铺设对多年冻土温度的影响，得出的主要结论如下:
　　1.中俄原油管道漠河至大庆段沿线多年冻土分布复杂，工程地质特征差异较大，热稳定性较差，埋设输油管道对多年冻土的影响极大。
　　2.同一条管道，在不同季节温度条件下，管道周围土壤温度场的分布差异很大;同一季节，管道附近与距离管道较远处的地温（沿深度方向的温度）分布亦不相同。
　　3.输油管道对低温冻土区冻土的扰动较小，运营第10年开始冻土基本达到平衡状态;而高温冻土区受到管道的扰动较强烈，此时可以通过减小管道顶部埋深或铺设保温材料来保持多年冻土的稳定性。
　　4.铺设保温材料能有效减小多年冻土的最大融化深度，保温层越厚，管道对多年冻土的扰动越小;低温冻土区需铺设5～8cm的保温层，高温冻土区则应铺设大于8cm的保温层或者采用其它降温措施来保护冻土。
　　5.管道顶部埋深对多年冻土温度场影响极大，埋深越大，管底下最大融化深度越大，多年冻土稳定性越差，仅从温度场的角度来说低温冻土区的埋深可选择在0.8～1.5m范围内。
　　6.平均输油温度对多年冻土温度场的分布规律有很大的影响，随着平均油温的增加，冻土的最大融化深度逐渐加大，工程中应控制油温过高。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外冻土区输油管道工程建设现状

1．2．2 冻土区输油管道周围土体温度场的研究现状

1．3 本文研究内容及技术路线

1．3．1 本文研究内容

1．3．2 本文技术路线

2 中俄原油管道漠河至大庆段工程地质概况

2．1 工程概述

2．2 漠河至大庆段的气温变化

2．3 漠河至大庆段沿线多年冻土特征

2．4 漠河至大庆段沿线工程地质条件

2．5 本章小结

3 管道周围土体温度场的数值模拟

3．1 相变非稳态温度场的理论基础

3．1．1 非稳态温度场基本方程

3．1．2 考虑相变的非稳态温度场

3．1．3 基于焓模型的有限元公式

3．2 数值分析模型的建立

3．2．1 基本假设

3．2．2 模型计算区域

3．2．3 模型边界条件及初始条件

3．2．4 保温材料和土层的特性参数

3．2．5 模型网格划分及求解控制

3．3 温度场数值模拟的可行性分析

3．4 本章小结

4 计算结果及分析

4．1 输油管道敷设后多年冻土温度场的变化规律

4．1．1 输油管道周围温度场的年际分布规律

4．1．2 深度方向上温度随时间的变化规律

4．2 输油管道对不同类型多年冻土的影响分析

4．2．1 管道周围温度场等值线图对比分析

4．2．2 管道底下最大融化深度的对比分析

4．2．3 减小管道对多年冻土扰动的措施分析’

4．3 铺设保温材料对多年冻土温度场的影响分析

4．3．1 保温层厚度不同时温度场等温线图对比分析

4．3．2 多年冻土的最大融化深度对比分析

4．4 管道顶部埋深对多年冻土温度场的影响分析

4．4．1 不同埋深情况下温度场等值线图对比分析

4．4．2 最大融化深度随时间的变化分析

4．5 平均输油温度对多年冻土温度场的影响分析

4．5．1 不同输油温度情况下温度场等值线图对比分析

4．5．2 管底下最大融化深度对比分析

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简历

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