冻土区埋地热油管道土壤融化圈特征数值分析

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1、第27卷第1期油气储运21冻土区埋地热油管道土壤融化圈特征数值分析‘何树生“’金会军喻文兵张淑娟(中国石油天然气管道工程有限公司)(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室)何树生金会军等:冻土区埋地热油管道土壤融化圈特征数值分析，油气储运，2008,270)21一25。摘要根据相变瞬态温度场的控制微分方程，应用Galerkin法推导出计算温度场的二维有限元公式，对中国东北多年冻土区运行30年的加热输油管道土壤温度场(融化圈)进行了计算分析和比较。计算结果表明，对于15℃的油温，管顶之上的土壤在管道运行的第1年就达到热平衡状态，

2、同时土壤融化速率在第1年达到最大，随后4年时间里迅速减小，第5年后融化速率变化趋于稳定;管道运行一定时间后，管道周围的融化圈在土壤中随冷暖季节的变化呈交替式的扩展;在管道运行30年后，管底下融深可达到10m以上，这将引起基础融沉、管道变形及多年冻土环境破坏等问题，需引起工程部门的高度重视。主题词热油管道多年冻土区融化圈温度场数值分析有关的二维瞬时偏微分方程;以色列的Leonid、卜口‘日‘一、前「1Bronfenbre-ner等人〔s〕提出了一个基于准稳态法的近似二维理论模型来分析水平埋设在半无限冻土层地球上多年冻土面积约占陆地面积的250o，

3、我中的隔热管道周围的相变过程;Lunardinics〕对带保国多年冻土主要分布在大、小兴安岭、青藏高原、松温材料的埋地管道周围土壤的相变问题，进行了准嫩平原北部和西部高山，约占国土面积的22.40oc"o稳态求解。但这些研究结果都是在假定冻土温度为即将动工修建的中俄原油管道中国境内管道总长一恒定值的条件下得到的，并没有考虑到地热和地965km，其中穿越连续、不连续多年冻土地带约445表土壤的温度随大气周期性变化等因素的影响。在km，岛状多年冻土长约85km。埋地热油管道运行国内，李长俊等〔7〕根据半无限大土壤不稳定传热模期间对周围土壤的加热，将

4、使冻土融化，导致土壤和型，推导出了土壤温度场随管内介质和气候条件变管道产生不均匀下沉，从而破坏管道运行的稳定性，化的解析解;庞丽萍等人〔8〕根据大气温度季节性变影响原油的正常输送。因此，冻土问题将是修建中化及大地本身恒温层对输送热介质管道的影响，建俄原油管道并保证管道竣工后稳定运行所要面临的立了传热数学模型，并用数值计算方法求解出季节主要难题，对多年冻土区管道周围土壤温度场的研性温度变化影响下的输送热介质管道周围温度;李究十分必要。南生等人〔9〕从二维相变热传导方程出发，应用保角国内外对多年冻土区埋地热油管道周围土壤温变换导出了冬季冻结期输油管

5、道拟稳态温度公式;度场的研究成果已有很多。在国外，Bonacina等吴明等人〔‘的利用非稳态传热方程和差分法计算了人〔z〕提出了相变热传导温度场的数值求解方法;一般地区输油管道周围土体的温度场;陈友昌等Comini等人〔3〕对相变热传导温度场的非线性问题人〔“〕以集输管道的分离式保温形式建立了计算温进行了有限元分析;Hastaoglu等人〔4〕用线形分割度场的模型，并采用有限差分法对冻土区管道周围边界和隐式有限差分方法来求解与管一土间热传导土壤的二维非稳态相变温度场进行了计算;金会军*国家自然科学基金项目((40401010);中国科学院百人计

6、划项目“气候变化条件下温暖多年冻土区线性工程稳定性”(2004407)资助。**065000，河北省廊坊市金光道22号;电话:(0316)2074286,万方数据22油气储运2008年等人〔12,13〕分析论述了多年冻土区输油管道工程中作为隔水层考虑，无地下水补给，并认为无其它边界的差异性融沉和冻胀问题，同时还吸取了阿拉斯加的水分补给和排泄作用;并假定输油管道在设计寿北极地区管道工程的设计、施工经验和教训。但是命期内正常运行。到目前为止，国内还没有人运用有限元理论对多年2、控制微分方程及其有限元公式冻土区输油管道周围土壤的温度场进行研究。因在冻

7、土区，天然条件下的浅层土壤每年均要发此，根据带相变瞬态温度场问题的热量平衡控制微生冻结和融化，同时埋地热油管道向周围土壤的放分方程，应用Galerkin法推导出了二维温度场的有热将导致冻结状态的土体融化，所以本问题为具有限元计算公式，基于我国东北多年冻土区漠河地区相变的传热问题。带相变瞬态温度场问题的热量平的实测大气温度及可能采用的中俄原油管道输送油衡控制微分方程为:温，计算预报了埋地热油管道运行30年后的周围土在d2f内:壤温度场(融化圈)的变化特征。_dT，七f—(1)dt一_d(/dx}f0Tdx)+d/ffdy}'dy)dTf二、管道

8、模型的建立在几。内:。dT”七，一(2)1、基本假设及模型计算区域dt一dx}ux+dy(}0dy)在实际工程中，输油管道轴向可认为是无限长式中.f