【摘要】：管道運輸是油氣資源所采用的最為常用的方式之一,我國有多條油氣管道位于多年凍土地區(qū)。因輸送介質(zhì)處于正溫狀態(tài),且管道多采用直埋形式,與凍土直接接觸,二者間相互熱力作用共生。凍土融沉、融土凍脹的不均勻性會造成管道局部變形,使其產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變,若超過一定限值,則會造成管道破壞。該現(xiàn)象是管道與土體間相互熱作用的結(jié)果,其中溫度為其首要耦合變量,即土體溫度對油氣管道的傳熱過程存在一定影響,與此同時,油氣管道的傳熱過程又反作用于管道周圍一定范圍內(nèi)土體的溫度分布。二者耦合作用于地溫場,最終造成土體的凍脹與融沉,影響油氣管道的應(yīng)變、應(yīng)力量值。土體凍結(jié)是一個復雜的過程,涉及溫度場、水分場、應(yīng)力場等多場耦合。水分場的不斷變化會造成土體含水率的不同,而土體含水率的時變性導致土體熱物理參數(shù),諸如容積比熱容、導熱系數(shù)等的劇烈變化。由于冰體導熱系數(shù)是液態(tài)水的4倍,其中尤以土體含冰量的影響最為重要,最終種種作用于土體,使得土體凍結(jié)、融化過程產(chǎn)生巨大變化。現(xiàn)針對西北青海某地島狀多年凍土區(qū)正溫管道展開以下研究:(1)對現(xiàn)場地溫進行長期觀測,從而得到凍土溫度場的實際狀態(tài)。對地溫的現(xiàn)場實測及數(shù)據(jù)分析表明,測量段土體上行、下行熱流量基本相等,屬于不穩(wěn)定凍土,在正溫輸氣管道的熱擾動下極易退化;土體融化期及凍結(jié)期分別為7個月、5個月。正溫輸氣管道水平影響范圍約1.5m;天然情況下多年凍土上限為1.5~2.0m,管道正下方最大融化深度約7.0m。(2)對島狀凍土地區(qū)融后現(xiàn)場土體進行室內(nèi)土工試驗。獲得了土粒比重、最大干密度、液塑限、滲透系數(shù)、壓縮模量、抗剪強度及c、φ值等土體物理力學參數(shù)。(3)對高海拔寒區(qū)正溫油氣管道不同介質(zhì)溫度情況下周圍土體溫度場及施加保溫層的效果進行研究。利用顯式熱容法,建立了考慮相變的非穩(wěn)態(tài)溫度場控制方程,運用Abaqus數(shù)值模擬了管道自運行初始及其后50a的土體溫度場。在此基礎(chǔ)上分析了不同介質(zhì)溫度時管道下土體融化速率、融化圈特征及融深限值,建立了三種介質(zhì)溫度下50a內(nèi)管下土體最大融深計算式。研究表明:無保溫管道下土體融化速率呈指數(shù)衰減,最大融深呈負指數(shù)冪增長,并均趨近于一定值;采取較低油溫及設(shè)置保溫層均可達到防治病害的目的,且后者效果優(yōu)于前者。(4)建立了考慮水分滲流、水分對流傳熱的非飽和土水熱耦合場偏微分控制方程,利用COMSOL Multiphysics中的PDE模塊進行了水熱耦合場的數(shù)值模擬,得到了未凍水分場及凍脹率場,并觀察到了未凍水的遷移現(xiàn)象。
【學位授予單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE832
【圖文】：

蘭州交通大學碩士學位論文殘余應(yīng)力等。其中 D/t（管徑/壁厚）值和內(nèi)壓是兩個主要影曲將顯著減小。呂宏慶等[33]認為，當內(nèi)壓值為零或較低時.1（a）所示，稱為菱形模型；對于高內(nèi)壓，典型的局部彎曲膨脹形模型。內(nèi)壓值對局部彎曲應(yīng)變的大小具有較大影響應(yīng)變也會相應(yīng)增加[33]。

基于水熱耦合效應(yīng)的島狀多年凍土區(qū)正溫輸氣管道病害機理分析及數(shù)值模擬失嚴重、管道懸空。姚志祥等[15]認為，對于處于斜坡地段的富冰凍土、冰量凍土，因暖季土體融化后其強度會產(chǎn)生較大折減，極易引發(fā)凍融滑季節(jié)融化層沿厚層地下冰頂面或多年凍土頂板下滑的現(xiàn)象，對埋設(shè)于斜生較大威脅。水毀會導致管道埋深減小，嚴重時甚至發(fā)生露管現(xiàn)象；若產(chǎn)生交叉，則管道有可能因出露土體二受河水及其所攜帶的浮冰、枯木，進而在管道局部產(chǎn)生較大應(yīng)力或?qū)艿勒w軸向穩(wěn)定性造成威脅。穿的管道，其部分地面閥室及供電系統(tǒng)也位于林區(qū)之中，易受森林火災影，埋深較小的管道也易于受火災影響而產(chǎn)生爆炸泄露等，反過來進一步災。

格拉線成品油管道烏麗附近凍脹丘融化后形成的管道翹曲變形[19]

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本文編號：2767494