多年冻土区输油管道-管周冻土热力相互作用研究进展

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0032

冰川冻土 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (1): 217-228.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0032

多年冻土区输油管道-管周冻土热力相互作用研究进展

王飞¹^,²(), 李国玉²^,³(), 马巍²()

^1.江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江 212013
^2.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 730000
^3.中国科学院西北生态环境资源研究院大兴安岭冻土工程与环境观测研究站，黑龙江加格达奇 165000

收稿日期:2020-02-02 修回日期:2020-08-31 出版日期:2022-02-28 发布日期:2022-03-28
通讯作者: 李国玉,马巍 E-mail:wangfei9107@126.com;guoyuli@lzb.ac.cn;mawei@lzb.ac.cn
作者简介:王飞，讲师，主要从事冻土与寒区管道工程研究. E-mail： wangfei9107@126.com
基金资助:
中国科学院A类战略性先导科技专项(XDA2003020102);国家自然科学基金项目(42101121);冻土工程国家重点实验室开放基金项目(SKLFSE202010)

Progress in the research on the thermo-mechanical interaction between oil pipeline and permafrost in cold regions

Fei WANG¹^,²(), Guoyu LI²^,³(), Wei MA²()

^1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China
^2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
^3.Da Xing’anling Observation and Research Station of Frozen-Ground Engineering and Environment，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Jiagedaqi 165000，Heilongjiang，China

Received:2020-02-02 Revised:2020-08-31 Online:2022-02-28 Published:2022-03-28
Contact: Guoyu LI, Wei MA E-mail:wangfei9107@126.com;guoyuli@lzb.ac.cn;mawei@lzb.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

冻土区管道工程建设面临冻土工程特性及相关地质问题的严重挑战，开展管道-冻土相互作用研究对于解决管道稳定性问题具有重要的实际指导意义。综述国内外输油管道-冻土热力相互作用研究进展发现，目前研究集中在特定（定值或周期变化）油温下管周土温度场的定量描述以及差异冻胀/融沉下交界面处管道力学响应规律的解耦分析，缺乏完整时空序列的现场综合观测与管土界面特性及其动态演化研究。对管道防融沉措施进行归纳总结发现，各措施应用效果缺乏管道应力与变形数据的有效支持。应加强管道本身与管道沿线次生冻融灾害监测及相关数据获取，以此为校验开展管土界面特性及演化规律的系统研究，以便构建更为合理的管土接触面单元模型，将其和具有普适性的冻土模型相结合，植入有限元软件提高管土相互作用模型计算可靠性，并建议立足管道变形角度对防融沉措施的工程应用效果予以综合评价。

关键词: 输油管道, 冻土, 相互作用, 融沉, 冻胀

Abstract:

The engineering characteristics of permafrost and its coherent geological problems are the huge challenge during the construction of pipelines in permafrost regions. Research on the pipeline-permafrost interaction is important for solving the stability problems of pipeline. In this paper， thermal and mechanical interaction of pipeline with permafrost is reviewed and discussed. It is found that previous researches focus on the quantitative description of temperature fields around the pipeline under a given or cyclic oil temperature， and the decoupling analysis of mechanical response of pipeline under differential deformation induced by frost heave or thaw settlement of pipeline foundation soil. The comprehensive in-situ monitoring data can barely be found， and systematic research on the interface characteristic between pipeline and permafrost is lack. Meanwhile， the existing anti-thaw settlement measures are classified and assessed， indicating that the application and evaluation of these mitigative measures is not supported by pipeline deformation data. Finally， the prospect of research on pipeline-permafrost interaction is presented， including strengthening the monitoring of stress and deformation for buried pipeline and secondary freezing-thawing hazards along the pipeline route， studying the interface property of pipeline-permafrost and its evolution process to establish a more reasonable contact element model， embedding interface model and permafrost model with general applicability to the finite element software to improve the reliability of pipeline-permafrost model， and evaluating performance of mitigative measures from the viewpoint of the deformation stability of pipeline.

Key words: oil pipeline, permafrost, interaction, thaw settlement, frost heave

中图分类号:

P642.14

王飞, 李国玉, 马巍. 多年冻土区输油管道-管周冻土热力相互作用研究进展[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 217-228.

Fei WANG, Guoyu LI, Wei MA. Progress in the research on the thermo-mechanical interaction between oil pipeline and permafrost in cold regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(1): 217-228.

图/表 2

表1

冻土区典型输油管道工程"

管道名称	国家	路线	建设年份	长度/km	管径/mm	埋设方式/ 埋深/m	油温/℃	日输量/m³	主要冻害及防治措施
Canol	加拿大	诺曼井— 怀特霍斯	1943—1944年	960	100	地表敷设	—	175	季节冻融，多次出现管道破裂和原油泄漏；无防治措施
Norman Wells	加拿大	诺曼井— 咱马湖	1980—1985年	869	328	沟埋敷设/ 1.1~1.2	-1~6	5 000	冻胀、融沉、管沟积水、坡面侵蚀、水土流失等；冬季施工、环境油温、斜坡木屑保温、增加壁厚等
Trans Alaska	美国	普拉德霍湾—瓦尔迪斯	1974—1977年	1 287	1 220	地表架空沟埋敷设/ 0.4~4.0	38~63	1.1×10⁵ ~ 3.3×10⁵	埋地管段显著融沉，出现管道破裂和原油泄漏；热管+桩基组合的地表架空方式穿越融化不稳定多年冻土区，Z形敷设、管道保温、重铺等
格拉	中国	格尔木—拉萨	1972—1977年	1 076	159	沟埋敷设/ 1.2~1.4	-5~9	850	冻胀、融沉、冰堵、冻胀丘、冰椎等，造成至少30次泄漏及4次破裂； 337 km左右的管段进行改线重铺
ESPO	俄罗斯	泰舍特— 科沃罗季诺—科济米诺	2006—2009年（一期） 2010—2012年（二期）	4 756	1 067 1 220	沟埋敷设/ 2.0 m左右	15~32^*	1.0×10⁵ （一期） 1.7×10⁵ （二期）	融沉、管沟积水、热喀斯特，导致管道直接漂浮于地表，进一步遭受季节冻融的强烈影响；铺设保温层、安装埋地管道悬挂系统及土体地温冷却装置（热管等）、开挖重铺、加载混凝土块等
CRCOP	中国	斯科沃罗季诺—大庆	2009—2010年（I线） 2016—2017年（II线）	1 030	813	沟埋敷设/（1.6~2.0 m，局部地段高达4.0 m）	0.4~24.6	5.0×10⁵ （一期） 5.0×10⁵ （二期）	高温高含冰量管段显著融沉，管沟地表沉降显著且伴有纵向裂缝、管沟上方大量积水，水土流失造成警示带，甚至管道出露地表；其他冻害如冻胀丘、冰椎等在管道沿线广泛分布；冻胀非敏感性土换填、管道保温、热管、通风管等技术

表1

表2

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参考文献	类型	尺度	管道信息/m			温度/℃		研究内容
参考文献	类型	尺度	长度	管径	埋深	管道	管周土	研究内容
［65］	现场	足尺	12	1.2	0.75	-10	粉土（+）	管道冻胀、冻胀防治措施效果评估涉及6种工况（不同埋深、砂砾换填、有/无保温）
［67］		大比例	18	0.273	0.33	-10	砂土/粉土（+）	管道差异性冻胀（粉土/砂土交界面处）空气温度为-0.75 ℃，4次循环
［63］		足尺	105	0.9	1.8	-15~-10	-0.08~-0.25	管道差异性冻胀（冻土/融土交界面处） X65钢，壁厚8.5 mm，空气温度-35~24 ℃
［61］		足尺	27.4	0.61	0.9	71	粉土（-）不同含冰量	管基土融沉及管道沉降问题地温、沉降及孔压变化规律
［70］	室内	小比例	1.64	0.0381 0.0508	0.04 0.06	-3	多晶冰	管道冻胀问题 304钢，管道应力及变形
［71］		小比例	0.9	0.14	0.26	-5	—	管道差异性冻胀问题回填土类型、位移速率及地温敏感性分析
［64］		中等	7.8	0.108	0.25	-15，0，10，20，25	粉质黏土不同黏粒含量	管道冻胀、融沉问题环境温度-20 ℃或20~30 ℃，保温措施效果验证
［72］		小比例	0.395	0.071	0.2	-13.7~10.5	砂土/掺橡胶颗粒砂土	管道冻胀问题环境温度-15 ℃，管周土对管道冻胀变形的影响
［73］	离心机	小比例	0.7	0.0413	0.025	-10	粉土（+）	基于离心机技术模拟加拿大Calgary管道冻胀试验

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多年冻土区输油管道-管周冻土热力相互作用研究进展

Progress in the research on the thermo-mechanical interaction between oil pipeline and permafrost in cold regions

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