冻胀融沉对冻土区输油管道建设影响的研究.pdf
《冻胀融沉对冻土区输油管道建设影响的研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《冻胀融沉对冻土区输油管道建设影响的研究.pdf(4页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、2 0 0 9 正 第4 期管道技术P i p e l i n eT e c h n i q u e5 a n d设各E q u i p m e n t2 0 0 9N o 4冻胀融沉对冻土区输油管道建设影响的研究杨涛,马贵阳,胡延成( 辽宁石油化工大学储运与建筑工程学院,辽宁抚顺1 1 3 0 0 1 )摘要:冻胀和融沉是冻土区埋地管道周围土体经常发生的两种现象,这将极大地影响管道的建设,产生对工程的冻害问题。为解决此问题,了解了冻土冻胀融沉的研究进展,论述了冻土冻胀、融沉研究的现状,总结了当前冻胀融沉机理、数值预报模型和防冻害措施的研究成果,探讨了目前冻土冻胀、融沉研究存在的不足,并对今后
2、的研究方向进行了展望。需要建立更合理有效的冻胀、融沉预报模型,开发预报冻胀、融沉的软件,加强实验和工程验证,采用一系列创新设计来保护( 或预先融化) 冻土,抑制融沉。关键词:冻胀;融沉;输油管道;冻土区中图分类号:T E 8 3 2文献标识码:A文章编号:1 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 0 4 0 0 4T h eE f f e c to ft h eF r o s tH e a v ea n dT h a w i n gS e t t l e m e n to nO i lP i p e l i n ei nF r o z e nS o i lR e g
3、i o nY A N GT a o ,M AG u i y a n g ,H UY a n c h e n g( 1 D e p a r t m e n to fO i l & G a sS t o r a g ea n dT r a n s p o r t a t i o n L i a o n i n gU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m & C h e m i c a lT e c h n o l o g y ,F u s h u n1 1 3 0 0 1 ,C h i n a )A b s t r a c t :T h ef r o s th
4、 e a v ea n dt h a w i n gs e t t l e m e n ta r et w ok i n d so fp h e n o m e n at h a to c c u rf r e q u e n t l ya r o u n db u r i e dp i p e si nt h ef r o z e ne a r t ha r e a T h i sa f f e c t sp i p e l i n ec o n s t r u c t i o nv e r ym u c ha n dc a u s e sf r o s td a m a g et ot h
5、 ep r o j e c t I no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ,w em u s tg a i na nu n d e r s t a n d i n go ff r o s th e a v ea n dt h a w i n gs e t t l e m e n ti nf r o z e ns o i l H e r ei sd i s c u s s e dt h er e s e a r c hO f ft h i sp r o b l e m ,a n ds u m m a r i z e da sf o l l o w
6、sa r et h ec u r r e n tr e s e a r c h e so nt h em e c h a n i s mo ff r e e z i n g ,h e a v e ,t h a w i n gs e t t l e m e n t ,n u m e r i c a lp r e d i c t i o nm o d e l s ,f o rp r e v e n t i o n so fs u c hh a r m sa n dt h ei n s u f f i c i e n c yo fc u r r e n ts t u d i e so fs u c
7、hp r o b l e m s Af o r e c a s to ft h ef u t u r es t u d yi si sm a d eS Oa st oe s t a b l i s ham o r er e a s o n a b l ea n df r u i t f u lp r e d i c t i o nm o d e l so ff r e e z i n ga n dt h a w i n ga c t i o n s T h es o f t w a r es y s t e mf o rp r e d i c t i n gt h ef r e e z i n
8、 ga n dt h a w i n ge f f e c t ss h o u l db ed e v e l o p e da n dt h ee x p e r i m e n t a la n de n g i n e e r i n gv e r i f i c a -t i o ns h o u l db es t r e n 甜h e n e d As e r i e so fi n n o v a t i v ed e s i g nm e a s u r e sa r ea d o p t e dt op r o t e c t ( o rm e l t i n gi na
9、d v a n c e ) p i p e l i n ei nt h ef r o z e ne a r t ha n dc u r bt h et h a w i n gs e t t l e m e n t 。K e yw o r d s :f r o s th e a v e ;t h a w i n gs e t t l e m e n t ;o i lp i p e l i n e ;f r o z e ne a r t ha r e a0引言在多年冻土地区修建管道,必须考虑冻土的冻胀、融沉问题对管道建设的影响。冻土区虽然蕴藏着巨大的油气资源,但多年冻土的温度状态和含冰量对其岩土工
10、程性质影响很大,从而影响输油管道工程的设计与施工,因为冻土融化后其承载力下降很多。许多寒区管道工程问题主要与岩土的冻结融化有关,局部排水、土壤条件及地质条件都需要考虑。若冻胀敏感性土、冻结条件及水分条件同时存在,水分迁移会导致显著冻胀和融沉破坏。此外,环境对管道工程也会产生直接影响,存在管道一环境相互作用问题,其收稿日期:2 0 0 8 0 8 0 8收修改稿日期:2 0 0 9 0 3 0 5次,主要工程设施的施工需要克服各种自然地形困难和防止灾害。最后,技术和环境保护问题的妥善处理是投资获得适当收益的基本保证。由于经济不断发展,中国从俄罗斯、哈萨克斯坦进口的原油正在加速增长。西伯利亚北极海
11、大陆架不仅离中国最近,而且拥有可出口的巨大石油资源。因此,它将成为国内长期能源战略最佳选择之一。在这种特定情况下,原油最经济的输送方式是管道工程,且必须穿越冻区,目前,冻土区已有许多已建、在建和拟建输油管道工程。但是,寒区油气管道工程是全球性工程难题。国内目前在冻土区建设油气管道的工程实践经验却很有限,该研究多局限于理论计算,难以保证寒区和低温条件下油气管道工程的设计、施工和运行安全。万方数据第4 期杨涛等:冻胀融沉对冻土区输油管道建设影响的研究4 1无论是( 差异性) 冻胀还是融沉,都是输油管道工程设计和运行中遇到的最重要问题。多年来对冻土冻害认识不足,而造成工程不能运营或发生事故的管道事件
12、很多。例如,1 9 4 3 年美国建成的C a n o l 管道( 长约20 0 0k m ) ,由于当时未充分认识到冻土地区建设输油管道工程所面临的工程问题,直接将直径1 0c m 及1 5c m 的管道敷设在地面上,次年冻土融沉导致管道废弃;2 0 0 2 年,国内格尔木一拉萨输油管道由于移动冰丘作用导致1 5I n 的地下输油管道( 乌丽8 6 道班附近) 发生约2m 高的拱曲变形,管道呈弧形暴露于地表。在多年冻土地区建成并安全运营的管道有:北美1 9 6 9 1 9 7 7 年期间建成的A l y e s k a 输油管道( 直径1 2 2m ,长13 0 0k m ,原油温度7 0
13、8 0 ) ,约有7 0I T I的地段通过多年冻土地区;苏联1 9 7 0 年之前建成的多年冻土地区第一条天然气管道( T a sT u m u s Y a k u ts k ) ,约有6 8i n 的地段通过多年冻土地区;1 9 7 1 1 9 7 3 年在俄罗斯北部建成的M e s s o v a k h a N o r i l s k 天然气管道,全长3 0 0k m ,直径为7 2c m ,在管道下面每隔1I T I 敷设圆木、混凝土或钢材。在多年冻土地区成功建设和运营油气管道的成功经验,对国内多年冻土地区管道工程建设,尤其对拟建的中俄原油管道工程建设具有借鉴意义。I 冻胀融沉机理及
14、试验研究现状早在1 7 世纪后期,人们就已经注意到冻胀现象,但是直到2 0 世纪,人们才逐渐认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源。E v e r e t t 首先提出了第一冻胀理论即毛细理论。然而,毛细理论却不能解释不连续冰透镜是如何形成的,并且该理论低估了细颗粒土中的冻胀压力。认识到毛细理论的不足之处,M i l l e r 提出在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带,称为冻结缘。冻结缘理论克服了毛细理论的不足,称为第二冻胀理论。A k a g a w a 提出了静态冻胀控制理论并通过试验予以验证;美国学者V i 皤1J L u n a r d i n i 研
15、究了地面温度线性增高情况下冻土融化,牛曼解使用了当量地面温度,对总的冻结、融化深度给出可信结果,但对中间过程预报误差较大;中国的徐学祖提出了分析解,并与牛曼解预报结果作了对比,指出当斯蒂芬数增大时,融化带随时间的变化呈非线性增大;日本学者O n oT设计研制了一套采用激光传感器监测侧向变形的三轴冻融试验装置,可附加不同的侧限应力条件,并在此基础上研究了不同应力条件下冻结过程中的胀缩变形,观测到瞬间变形的过程;日本学者Y o s h i k iM i y a -t a 基于水分迁移、热量输运和机械能平衡方程,提出了宏观冻胀理论;I s h i z a k iT 开展了冻融作用对文物破坏的研究,采
16、用摄像系统对冰分凝及破坏过程进行动态监测,提出了简化的冻结缘未冻水流模式。周国庆在试验研究的基础上,探讨了饱水砂层的竖向冻结及融化过程土中结构切向受力的变化。结果表明,冻结饱和砂土融化过程可分为负温升温、相变和自由水升温3 个阶段;与此对应,融化沉降过程可分为开始、急降和缓降3 个阶段;而模型结构切向应力则经历了上升、陡降和缓降3 个过程,这3 个阶段的时间比约为1 :2 :2 ;最终模型受有切向融沉压缩附加应力影响旧J 。J e s s b e r g e r 做了人工冻土工程( 冻结凿井中冻结壁) 方面的离心机模拟试验,模拟了冻结凿井中冻结壁温度场及蠕变的位移场,得出了深冻结井冻结壁温度场
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 冻胀 冻土 输油管道 建设 影响 研究
限制150内