长输埋地管道是运输石油类能源最为重要的一种方式。对于埋地管线来说，由地震断层引起的走滑断层位移是影响管道完整性及安全运行的主要威胁之一。本文通过有限元软件ABAQUS制作模型，使用收集到的各项数据，对季节性冻土区土体的温度场进行模拟，分析埋深与运营时间变化对季节性冻土区温度场的影响，通过进行分析获得温度云图，表明运营时间对土体温度影响显著，管道埋深对土体温度场影响稍小。
季节性冻土区埋地输气管道在断层作用下的安全性受到诸多因素影响，为研究管道内天然气温度、管道埋置深度、管道内压、管道壁厚对埋地输气管道安全性的影响，借助有限元软件ABAQUS建立管土非线性相互接触模型模拟断层错动。分析可得，在研究的数据范围内：埋地输气管道在断层作用下的最大应力出现在断层附近的管道上，虽然断层两侧管道均有应力集中，但是两侧应力集中分布范围与峰值大小并不相同；提高管道内天然气温度可以降低埋地输气管道在断层错动下的应力，降低埋地输气管道破坏的可能性；浅埋管道能够减小断层作用下埋地输气管道应力，降低埋地输气管道被破坏的可能性；埋地输气管道内压越高，管道应力随断层错动增长的越迅速，发生破坏的可能性越大；埋地输气管道壁越厚，管道应力随断层错动增长的越缓慢，发生破坏的可能性越小。
以北极规划输气管道工程为依托,建立埋地管道与冻土热交换相互作用数值计算模型,探究了埋地管道在连续多年冻土区、非连续多年冻土区和季节冻土区内,按照不同操作温度(5、-1和-5℃)运行情况下管道周围冻土温度演化过程。计算结果表明:同一区域不同管温对冻土上限值影响差异较大,尤其是在非连续多年冻土区,无论管道是正温输送还是负温输送,由于管道的运营,极大地影响了冻土上限值。5℃正温管道将导致冻土上限下降1～3倍管径;-1℃和-5℃负温管道将有助于提高冻土人为上限。建议在连续多年冻土区管道采用-1℃输送温度;在非连续多年冻土区冬季采用-1℃输送温度,夏季可以是正温,接近环境大气温度,但全年输气平均温度要小于0℃;在季节冻土区,若按照负温输送,反而容易引起管基土冻胀,建议输气温度不作特别控制,与温带地区管道类似,正温输送。希望能够为北极多年冻土区天然气管道建设提供新的思路。
多年冻土区油气管道工程在许多方面都有别于常温地区的油气管道工程,如偏僻的地理位置和敏感脆弱的环境,更重要是其特殊的气候、水文地质和工程地质条件以及冻融岩土灾害等条件。这使得管道设计、建设、运营、维抢和管道系统安全以及完整性管理等方面面临一系列的特殊难题。不同于已建成并运营至今的美国阿拉斯加(Alyeska)原油管道、加拿大罗曼井(Norman Wells)原油管道、中俄原油管道(漠河—大庆段)和格尔木—拉萨成品油管道,多年冻土区的天然气管道在输运介质、输送温度、环保要求等方面和输油管道有很大差异,将面临一系列新问题和新挑战。通过对多年冻土区天然气管道冷却输送工艺,管道—冻土水、热、力耦合计算,压气站失效后下游管道最低金属温度超限,基于应力设计局限、敷设方式单一、管道运营期监测系统可靠性等冻土区天然气管道特有的技术难题探讨,初步给出相应的解决方案构想,希望能够为冻土区天然气管道建设提供新的思路。
我国有多条油气管道位于多年冻土地区,工程问题层出不穷。因输送介质处于正温状态,其所释放热量对管道周围冻土冻融过程有极大影响。为阐明正温管道对多年冻土温度场及冻融特征的影响,基于西部某多年冻土区正温输气管道现场实验,对管道地基温度场进行了为期1年的现场实测。数据分析表明,多年冻土天然上限为1.5～2.0m;土体融化期及冻结期分别为6—10月、11—次年5月;监测段多年冻土热量收支基本平衡,属于不稳定冻土,在外界热扰动下极易退化;正温输气管道的存在引起了多年冻土的退化且对其温度场有很大影响,水平方向影响范围约1.5m,管下最大融深可达7.0m。同时指出了针对处于临界状态的多年冻土,在基于对其全面、深入了解的基础上,越早考虑相关工程建设带来的热扰动对多年冻土的不利影响,则处置难度越低且损失越小。
管道作为油气资源的最为常用的运输方式之一,穿越不同地质情况的区域,所面临的工程问题各有不同。本文对青海省某冻土区输气管道进行调研,针对出现的管沟融陷、工程构筑物冻胀变形等病害问题,选取典型断面,钻孔埋设温度传感器和沉降磁环测试元器件,对暖季和寒季管道周围土体温度和位移进行监测,研究输气管道周围地温变化及冻胀融沉规律,为冻土区输油气管道的设计、施工、运营、病害治理提供借鉴。研究表明:该冻土区寒暖季地表地温随气温波动较大,越靠近管道,地温年振幅越大;该区域冻土地温范围为-2-1℃,地温带类型属基本稳定带,正温输气的热扰动,导致周围土体融沉;管道正上方受管道放热影响,地温均为正温,影响范围约1.5 m;在近管道处,深度1～4 m,地温受多重因素影响,深度4 m以下,地温年较差较小,均为负温;冻胀由深处向上发生,时间上有滞后性;10月和11月为冻融剧烈时间段,应及时监测预警。
冻害问题一直是寒区输气管道工程建设的重大难题。目前,我国多年冻土区管道工程建设实践和相关的设计施工经验还很缺乏,相关的研究更是少之更少。本文使用简化的冻胀模型对管土相互作用进行分析,解决了管-土相互作用的难题,为冻土地区输气管道设计提供了理论支持。