冻土区管道的设计方法与防治措施浅析

2019-10-21于爱新

中国化工贸易·下旬刊 2019年6期

摘要：本文介绍了冻土区管道的设计方法及防治措施。由于冻胀和融沉的因素，冻土区管道设计是涉及多学科、多专业的复杂科学。应采取各种措施，减少管道与相壤的相互作用，实现管道安全运行与环境保护的有机结合。

关键词：冻土区;管道;设计方法;防治措施;浅析

1 前言

随着油气管道建设的发展，越来越多的管道在冻土区建设，如中俄东线（黑河--长岭段）天然气管道、漠大原油管道，均有大量的管道敷设在多年冻土区或岛状多年冻土区，这就提出了冻土地区管道敷设的现实问题。

冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。冻土的分类很多，常见分类为：按照冻结的持续时间可分为：暂时性冻土，即受天气变化影响，暂时冻结，不久便融化的土壤或疏松岩石层;季节性冻土，指冬季冻结、春季融化的土壤或疏松岩石层。其冻土层深度由自然地理条件和土壤物理特性等因素决定;多年冻土，又称“永久冻土”，指多年连续保持冻结的土壤和疏松岩石;按空间分布可分为连续冻土和不连续冻土。永冻层的深度自10余米至200余米不等，其上部冬冻夏融，称之“活动层”。活动层的厚度随土质而异。地球上多年冻土的面积约占陆地总面积的20-25%，主要分布在俄罗斯和加拿大。中国多年冻土面积占全国面积的22.3%，主要分布在东北北部山区、西部高山与青藏高原。

2 冻胀机理

冻土区别于其他土壤的的最大特点是具有冻结作用。冻结效应产生冻胀和融化减弱两种现象。冻土中的水在冬季结冰，地面因冰透镜体的积聚而上升，这种现象叫做冻胀。当春天的温度升高时，冻结过程产生的积冰开始融化。如果融化的水不能迅速消散，土壤就会变湿，强度的降低和地表的沉降称为融化减弱。由融化减弱引起的土壤下沉称为融沉。

冻胀可归因于冰透镜聚集的过程。当温度降到水的冰点以下时，土壤孔隙中的水开始变成冰。在冷吸力作用下，周围毛孔或未冻结水中的游离水形成冰透镜，只要不中断供水，冰透镜就会继续生长。如果冰透镜的生长导致足够大的膨胀压力使土壤颗粒向上移動，则会观察到表面的膨胀。冰透镜体垂直于热流方向，由原位冻胀土周期性地形成和分离。

人们已经提出了各个冻胀模型，包括表面张力模型、刚性冰模型、半经验模型、水动力模型和热力模型。这些模型在研究冻土的本质中发挥了重要作用。工程中一个著名模型叫做分凝势模型，它是一种半经验模型。分凝势的概念是由Konrad和Morgenstern在1981年提出的。在忽略积土压力的情况下，他们研究了正冻土柱中的准稳定条件，得到了冻结缘中的液体入流速度与估算的温度梯度之间成正比例关系，其比例系数称作分凝势，即[1]：

式中，V0为入流速度，SP0为分凝势。

差异冻胀和融沉是寒冷地区建筑破坏的主要原因，是横向不均匀膨胀或沉降。当冻土为冻敏土时，其毛细孔隙具有较高的渗透性，更有利于水分迁移和冰透镜体的形成，导致较大的冻胀。此时，冻土区的道路、铁路和长输管道更容易受到损坏。

3 冻土区管道的设计方法

冻土区管道的设计不同于其他地区管道的设计，需要特别考虑输送温度、冻胀和融沉、工程对冻土的扰动、管道施工、管道维护等。它是一个包括冻土学、传热学、油气储运和材料力学等多学科为一体的复杂系统。从以下几个方面进行说明，图1对其进行了归纳。

3.1 基础数据采集

这部分包括：①研究冻土区的分布，尤其是冻土土质发生变化的区域;②获取沿线气象数据，四季气温的变化、极端气温等;③管道作业带测量，可以采用现场测量或航拍;④地质分析，对冻土区管道设计是最基础和重要的一环，需要进行现场钻孔取样。

3.2 工艺系统分析

工艺分析系统是管道设计的基础，包括输送工艺、设计压力、设计温度和管道材质的确定。输油管道可以考虑保温管道输送，输气管道可以常温输送。通过设计压力和设计输量等进管材进行经济比选。敷设方式要结合地质情况具体问题具体分析。

3.3 冻土工程分析

对管道周围温度场进行分析，该部分是分析管道受力的基础。管道周围稳定温度场的形成是一个逐步发展的过程，应考虑周期性气温变化的影响。

3.4 应力分析（结构）

通过ANSYS等有限元软件进行建模分析，确定管道的受力、管道的应变，提出管道应变指标。管材的应变能力是必须考虑的内容。目前，基于应变的管道设在管道设设中已经采用，其适合大应变管道的设计。