多年凍土區(qū)輸油管道周圍融化圈發(fā)展過程的數(shù)值模擬計(jì)算方法

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

中俄原油管道二線工程（以下簡(jiǎn)稱“中俄二線”）管道經(jīng)過東北林區(qū)段約450 km，而中俄原油管道漠河—大慶段工程（以下簡(jiǎn)稱“漠大線”）建設(shè)時(shí)砍伐的20 m 寬的林帶采取異地恢復(fù)方式恢復(fù)，漠大線線位仍存在20 m 的管道走廊帶。故中俄二線每靠近在役管道1 m，可少砍伐約45 ha（1 ha=10 000 m2）的森林，大大減少建設(shè)對(duì)森林的破壞。因此考慮中俄二線基本與漠大線工程并行敷設(shè)。但并行間距僅為10 m 的兩管道所形成的熱場(chǎng)將有一定的交叉，這將對(duì)沿線多年凍土造成有別于漠大線的單一熱源的影響，導(dǎo)致相應(yīng)計(jì)算設(shè)計(jì)輸入不同。除上述影響外，兩管道的設(shè)計(jì)輸入條件仍存在來(lái)油溫度大幅升高、其他工程的建設(shè)造成凍土條件的變化等諸多差異。

中俄二線凍土融沉對(duì)管道的危害主要表現(xiàn)為差異性融沉。由于管道地基差異性融沉，在自重和外載荷的作用下，管道發(fā)生差異性的變形，當(dāng)附加的拉伸、壓縮應(yīng)力和內(nèi)壓、溫差行程的組合應(yīng)力超過管道承載極限后，管道會(huì)發(fā)生斷裂和屈曲。另一方面，如果在融沉作用下管道承載力未超過其承載極限，則可能在管道特殊部位形成應(yīng)力集中，如不及時(shí)監(jiān)控和消除，最終也會(huì)因應(yīng)力累積超限導(dǎo)致事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅管道完整性。

大興安嶺地區(qū)多年凍土年平均地溫較高，該種類型的凍土極易在施工或工程熱擾動(dòng)下產(chǎn)生衰退和融化，從而改變其物理性質(zhì)。因此，使用預(yù)測(cè)管道運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生的融沉變形的模擬計(jì)算方法，計(jì)算了沿線管道周圍凍土熱狀況的變化和可能產(chǎn)生的管道變形，為管道埋設(shè)方法、管壁厚度選取以及采取防護(hù)措施等提供了合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 計(jì)算模型

（1）計(jì)算軟件。熱學(xué)仿真計(jì)算模擬采用ANSYS有限元分析軟件[1]。

（2）橫斷面凍土融化分析。沿線典型位置橫斷面凍融過程分析采用二維有限元分析實(shí)現(xiàn)，計(jì)算模型中考慮兩條并行管線之間的熱影響。油溫邊界條件采用以實(shí)測(cè)油溫為依據(jù)，結(jié)合已有計(jì)算結(jié)果分析歸納的油溫分布規(guī)律[2]。

（3）工程技術(shù)措施。在沿線各類典型路段模擬計(jì)算中，分別按照無(wú)措施和擬采取設(shè)計(jì)措施（保溫層）開展計(jì)算，評(píng)估防融沉措施的效果[3]。

典型地區(qū)凍融圈和凍融深度變化過程研究采用的土層分布模型為大興安嶺地區(qū)常見的地質(zhì)模型[4]?；顒?dòng)層及模型第一層為亞砂土，第二層為粉質(zhì)黏土，第三層為全分化砂巖。跟據(jù)當(dāng)?shù)卮瓜蛲翆臃植?，建立雙管計(jì)算模型。

2 材料熱物理參數(shù)

模型的材料參數(shù)根據(jù)地層剖面和不同含水（冰）量變化，從原來(lái)測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取，如表1、表2和表3所示。

表1 各土層的熱物理參數(shù)Tab.1 Thermophysical parameters of each soil layer

表3 保溫材料熱物理參數(shù)Tab.3 Thermophysical parameters of insulation materials

3 條件設(shè)置

（1）初始條件。模型初始溫度場(chǎng)根據(jù)各地的上邊界條件（不考慮全球升溫）和4 ℃/100 m的地?zé)崃髯鳛檫吔鐥l件，逐時(shí)段求解，直到年變化層以下溫度場(chǎng)基本保持穩(wěn)定且年變化層以上相同位置的溫度值在同一時(shí)間逐年相同為止。

（2）邊界條件。為了計(jì)算不同凍土類型條件下的凍融過程和凍融圈變化過程，選取高溫凍土（年平均地溫在-0.27 ℃附近）、低溫凍土（年平均地溫在-1.35 ℃附近）[5]分別來(lái)研究管道周圍土體的凍融過程，以上各種地溫狀況可以根據(jù)一定的邊界條件經(jīng)長(zhǎng)期計(jì)算穩(wěn)定后的初始溫度場(chǎng)得到。

（3）油溫條件。計(jì)算油溫采用俄油來(lái)油溫度22～29 ℃作為邊界條件，分析計(jì)算管道運(yùn)行50 年中周圍土體的凍融圈及凍融深度狀況。

（4）含冰率。不同的含冰率土體由于相變的原因?qū)鋈谌σ约皟鋈谏疃鹊挠绊戄^大。本次計(jì)算選取含冰率為20%、25%、35%和55%的土體研究管道周圍土體融化的深度。由于沿線主要以含冰率為35%的凍土為主，因此主要選取含水率為35%的土體來(lái)分別研究高溫和低溫凍土的單、雙輸油管逐年融化深度的變化情況。

（5）保溫層。將輸油管圓周0.08 m厚的土體設(shè)置成保溫層。以含冰率為35%的凍土為例，在第一類油溫下給出兩種多年凍土地溫（-0.27 ℃的高溫凍土和-1.35 ℃的低溫凍土）在設(shè)置保溫層條件下管底多年凍土融化深度變化過程[6]。

4 計(jì)算結(jié)果

僅針對(duì)中俄二線工程雙管間距10 m 的高溫、低溫多年凍土，在保溫條件情況進(jìn)行計(jì)算分析[7]。

從圖1及圖2對(duì)比可知，高溫凍土10年內(nèi)各管道兩側(cè)凍土呈現(xiàn)對(duì)稱融化模式，20 年開始逐步呈現(xiàn)管道中間凍土熱和管側(cè)土體融化，50 年時(shí)管道中間土體已全部融化，形成貫通融化圈的形式，且中間的融化深度大于各管底的融化深度。低溫凍土?xí)r，30 年內(nèi)管道左右兩側(cè)融化圈均呈現(xiàn)對(duì)稱發(fā)展的模式，管底的融化深度始終保持最大，中間土體幾乎不受擾動(dòng)，50 年最大融化深度約為6.4 m，較高溫情景下減小5.6 m。因此低溫凍土下管道運(yùn)營(yíng)對(duì)周圍土體的熱影響為減弱的作用[8]。

圖1 雙管間距10 m管道高溫保溫多年凍土融化圈發(fā)展Fig.1 Development of high temperature insulation permafrost thawing circle with double pipe spacing of 10 meters

圖2 雙管間距10 m管道低溫保溫多年凍土融化圈發(fā)展Fig.2 Development of low temperature insulation permafrost thawing circle with double pipe spacing of 10 meters

雙管運(yùn)營(yíng)的情況下，對(duì)比同等條件的單管情形，可得到圖3 所示的管底凍土融化深度變化圖。從圖3可見，雙管較相同條件的單管管底最大融深都有相應(yīng)增大。低溫保溫條件下，融深開始增大的趨勢(shì)明顯，30 年后逐漸減?。桓邷乇貤l件下，開始20 年內(nèi)呈現(xiàn)管底最大融化深度重合的趨勢(shì)，20 年后融深增大顯著，50 年最大可加大融深1.7 m左右。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可確定管道在不同類型凍土區(qū)應(yīng)采取的防護(hù)措施，如增加壁厚、保溫、換填弱凍脹土及增加地下支撐等[9]。具體工程措施的采取應(yīng)根據(jù)熱力、應(yīng)力分析及工程地質(zhì)條件等情況，結(jié)合經(jīng)濟(jì)等指標(biāo)綜合比選后確定[10]。

圖3 單雙管高低溫凍土保溫對(duì)管道底部多年凍土最大融化深度的影響Fig.3 Maximum melting depth of permafrost at the bottom of the pipe is affected by the high and low temperature insulation of permafrost in single and double pipes

5 結(jié)論和建議

（1）并行管道相互之間有熱影響，間距越近，則影響越大。當(dāng)管道按照未來(lái)高油溫條件運(yùn)行時(shí)，10 m 間距以內(nèi)的并行管道即使設(shè)置保溫層也會(huì)在管間形成貫穿融區(qū)。

（2）油溫是制約管底多年凍土融化的關(guān)鍵因素。未來(lái)管道可能在高油溫運(yùn)行條件下，管道下部多年凍土將出現(xiàn)持續(xù)的融化，因此，管道的凍融變形問題主要表現(xiàn)為多年凍土的差異性沉降變形引起的問題。

（3）應(yīng)根據(jù)輸送介質(zhì)特性、擬采取的工程措施，以及凍土含冰率、凍土地溫、環(huán)境溫度等情況，對(duì)多年凍土地區(qū)油氣輸送管道進(jìn)行熱力學(xué)分析，綜合判斷和預(yù)測(cè)運(yùn)營(yíng)期間管道的融沉、凍脹情況。