多年冻土区管道的若干关键技术

《多年冻土区管道的若干关键技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、万方数据第27卷第6期2009年12月天然气与石油NaturalGasAndOilV01．27．No．6Dec．2009萋年冻土区管道的若干关键技市吕宏庆，李均峰，汤永亮(后勤工程学院军事供油工程系，重庆401311)摘要：随着高寒和多年冻土区油气资源开发的步伐逐步加快，建设与运营多年冻土区管道是必然的选择，但多年冻土区管道不同于温暖地区的管道，其特殊的环境引发了管道选线、敷设方法、冻土层保护、边坡设计等一系列问题。在吸取国内外多年冻土区修建油气管道的成功经验基础上，以减少或消除冻胀和融沉对管道的影响为目标，综合归纳出了多年冻土区管道的四项关键技术，即管一

2、土作用、管一土热扰动、监控技术和设计技术。关键词：多年冻土区管道；关键技术；冻胀；融沉文章编号：1006-5539(2009)064)001-04文献标识码：A0引言作为一种不可再生的能源形式，油气资源在当今世界扮演着举足轻重的角色，但随着温暖地区油气资源的日益枯竭，多年冻土地带，如北美洲北极大陆架、西伯利亚等地区的油气资源受到了普遍的关注，一股开发和利用高寒和冻土地区油气田的热潮已经兴起，多年冻土区管道建设得到了广泛重视，相应的研究工作也获得了迅速进展。尤其是加拿大、美国和前苏联，在多年冻土研究方面做了大量工作，取得了丰富资料，并在加拿大北极地区、阿拉斯

3、加和西伯利亚等地铺设了多条油气管道。其中最为典型的是加拿大的NormanWells输油管道⋯、美国的纵贯阿拉斯加管道(Trans—AlaskaPipeline)旧一1和我国的格拉管线”J，这些管道在建设和运营过程中，针对冻土这种特殊环境，特别是冻胀和融沉采取了积极的措施，有效地保证了管道的正常运营，纵观多年冻土区的油气管道建设，主要涉及以下关键技术问题。1管一土作用多年冻土区油气管道的运营安全性主要取决于其所处的冻土环境，最大的挑战来自于冻土的冻胀和融沉，由于管道与冻土直接接触，不可避免地会发生管一土之间的相互作用，冻土融化时会使管道产生向下的挠曲，而融土

4、冻结时又会使局部管道可能出现上拱现象，从而改变管道的原始形状，使其产生应力和应变，当超过极限状态时，就造成管道的失效。1．1冻胀冻胀是在冻结过程中水分在温度梯度下发生迁移而使土体发生膨胀的现象，水分子以薄膜水的形式从相对温暖区域向相对寒冷区域迁移，而迁移水冻结所产生的体积增大是非常明显的，土体的体积膨胀推动管道向上运动，引起翘曲，甚至拱出地面，使管道偏离原来的铺设路径怕1。图1为NormanWells管道的上拱情况实景图。影响土壤冻胀量的参数包括冻结深度、含水量、土壤颗粒大小、温度梯度和土壤压力等，由于管道沿收稿日期：2009-05-14基金项目：中国人民

5、解放军总后勤部资助项目(油20050211)作者简介：吕宏庆(1972一)，男，浙江新昌人，博士，副教授，主要从事油气管道安全性工程的教学和研究工作。电话：(023)86731143。万方数据标准分享网www.bzfxw.com免费下载2天然气与石油2009生图1NormanWells管道于1997年9月翘曲情况‘71线各参数的差异会引起土壤冻胀量的不同，某些管段的上拱高度会比另外管段的上拱高度高，即使管道的结构剖面是平直的，冻胀后的管道剖面也将是不规则的，在某些管段将会产生过度弯曲，而管道的过度弯曲又会引起进一步的变形，严重时会造成管道的破坏。1．2融沉

6、融沉是由于冻土中的冰融化所引起的。在冻土地区，一般有两种不同性质的冻土带，一种是融化稳定区，当有外界热量输入而引起冻土融化后，其土质仍是稳定的；另一种是融化不稳定区，当有外界热量输入而融化后，土质就失去了支撑能力，而且，在融化不稳定区，由于融化深度、含冰量和土体颗粒大小等的不同，融沉量也是有差异的，从而会引起管道的弯曲，特别是在融化稳定区和不稳定区的过渡带，埋设于其中的管道将会出现较大的应变，可能造成管道屈服破坏。图2是NormanWells管道FortSimp—son以南地泥炭高原施工12年后融化深度增加及其所产生的地表和管道沉降示意图。图2Norman

7、Wells管道某个监测点地表和管道的沉降示意图‘7】冻胀和融沉是在多年冻土区进行工程施工的最大威胁，特别是北半球国家一直为此困扰，上世纪50年代以来，在道路和建筑物的工程处理上对此已有较多的研究，对于冻胀和融沉量大小的精确测定和预测，以及相应的设计和施工方法得到了大量的理论和试验研究，但令人遗憾的是，目前仍无法准确测定、计算和预测油气管道围岩土的冻胀和融沉变形量。管一土热扰动对于多年冻土区管道，最基本和现实的问题是热管道会融化下伏冻土，从而造成冻土的融沉，如对80。c的输油管道，除非采取特殊制冷，管道在数年内将形成一个6～10m直径的圆柱状融区，20年后融

8、化深度将达到13～17m，在30年内融化将无法达到平衡状态，但融化