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。
冻土在冻融过程中不论是融土区、过渡区还是冻土区都涉及应力场问题,而且应力场对土体的冻胀、压密变形过程及冷凝冰的形成起着重要作用。冻土区埋地输油管道周围土壤受管道油流及大气环境的影响,易产生不同特点的应力变化,发生融沉和冻胀变形,对输油管道造成破坏。以多年冻土区A管道的监测资料建立冻土区埋地输油管道应力分析模型,为与其并行敷设的B管段提供参考依据。分析发现:油压很大程度上制约了最大允许沉降变形;增加壁厚可以有效提升允许沉降变形,且油压越高,增加壁厚的作用越显著;当油压较高、差异性变形超过0.8 m时,采取增加管壁厚度的结构措施的效率是降低的,因此,在这些路段还应该采取一些其他措施,如合理改进融沉/非融沉过渡,降低融沉过程中管道的弯曲应力。
重点介绍了俄罗斯标准在管道清管、试压、投产交接和试运行监控等方面的先进理念,主要表现在一是应用凝胶清管器保障新建管道清管质量;二是高寒冻土区的管道试验技术,包括高强度水压试验、零度以下试压技术、管道延迟投产重复试压等;三是管道投产需要具备的条件;四是管道投产需要重视的关键设备试验;五是管道延迟投产运行管理的要求,研究成果对保障中俄输油管道安全运行具有指导意义。
冻胀、融沉灾害是多年冻土区对管道工程产生不良影响的主要因素,对埋地常温输油管道的安全运行造成一定的危害,因此在设计施工中要引起足够重视。通过对冻融形成的原因及冻融灾害对输油管道产生的危害进行分析,结合中俄漠大线和漠大二线两条输油管道经过多年冻土区的实践经验,以及随着管道输油温度的提升,面临高油温、并行敷设新工况对管道带来的影响,提出了行之有效的冻融防治措施。对于冻胀防治采取截流、排导、增加管道埋深以及管沟开挖换填土措施,融沉防治采取增加管道壁厚、保温敷设、热棒、混凝土桩连系梁支撑架空、木屑或生态袋护坡措施,同时对多年冻土区管道融沉情况进行实时监测,以保证输油管道安全稳定运行。
埋地输油管道的建设和运行势必会破坏多年冻土的稳定性,容易引发冻胀、融沉、崩塌、热融滑坡,从而导致管道弯曲、翘曲等灾害。由于多年冻土对温度具有极敏感性及其破坏的不可逆性,因此,需要对多年冻土区埋地输油管道周围温度场的监测开展研究。以漠大管道为例,选取典型管段,设计了适用于漠大管道周围温度场监测的测温系统。结果表明:管道设置合理的保温措施可有效阻隔输油管道向土壤的放热,减小管道周围土壤的融化范围,缓解管道融沉,为管道冻土灾害综合整治提供决策依据。
为了研究漠河到大庆输油管沿线冻土的变化情况,根据东北地区及周边117个气象站50 a(1965—2014年)的观测资料,从中选取47个具有地温观测项的站分析气温与地温间的关系。建立气温模型、地—气关系模型,结合有限元数值计算方法,得出了目前、10 a后和30 a后漠大输油管沿线冻土的分布情况。研究结果表明,目前年平均地表温度在1.5℃的地区可能存在有多年冻土(1.5 m);当气温以0.048℃/a的速率递增,10 a后,现在年平均地表温度在0.5℃的地区可能存在有多年冻土(11.5 m);30 a后,现在年平均地表温度低于0.5℃的地区将残留大量的多年冻土。
我国作为世界第三大冻土国,输油管道的建设应充分考虑冻土对管道造成的冻胀和融沉危害的影响,而大地温度场得研究就是其中非常重要的内容。广泛调研国内相关分析方法,总结各种方法的应用现状和发展方向,对于指导相关设计研究工作,具有一定的指导意义。
以冻土区埋地输油管道泄漏污染物为研究对象,考虑冻土环境对泄漏污染物在土壤中迁移的影响,建立了埋地输油管道泄漏污染物多相传热传质过程的迁移数理模型,采用有限体积法对该模型进行离散和求解,分析了冻土对其迁移过程的影响。研究结果表明:冻土对温度场的影响(分流头区域、发展区域、稳定区域三个阶段);冻土对多相流分布的影响。
考虑大气温度以及管内流动介质温度的影响,建立由多个土层构成的岛状冻土物理模型,研究塔河地区埋地输油管道周围热-水-应力(T-H-M)耦合作用,分析水-热-应力耦合作用下管道的受力情况并进行管道强度验算。采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟,计算在T-H-M三场耦合及非耦合两种工况下岛状多年冻土管道周围应力和沉降曲线等。分析比较表明,岛状多年冻土区的温度,冰水相变以及水分迁移对应力场存在较大的影响;水分场、温度场以及应力场三者之间耦合作用明显;岛状冻土随季节呈周期性冻融,管道周围出现较大应力集中和沉降现象,会对管道安全产生一定影响。