冻融循环作用下埋地输油管道应变试验研究

滕振超,滕云超,赵誉翔,刘 宇,刘晓燕

(1.东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江 大庆 163318;2.黑龙江省高校防灾减灾与防护工程重点实验室,黑龙江 大庆 163318;3.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

随着全球对于石油资源的需求日益增加,各国将希望寄托在季节性冻土区和寒区。穿越永久冻土或季节性冻土区的长距离管道是输送石油和天然气最经济有效的方式之一。冻土区埋地管道输油事故频繁发生,如美国阿拉斯加输油管道,由于冻胀管道变形异常,破坏生态环境危害人类健康[1-2]。漠河-大庆输油管道为中俄两国石油传输做出卓越贡献,然而长期冻融循环下,管道周围水分场和温度场会产生周期性变化,土中水相变会对管道产生附加应力,应力场改变导致管道安全问题不可忽视[3-5]。

杨涛等[6]探索了冻融循环对冻土区管道工程实施的负面作用,即冻胀和融沉。郑平[7]考虑了管道与周围土壤之间多物理场,并从渗流力学、传热学等微观角度分析了冻土管道灾害。Yang[8]用电阻应变片测量了费尔班克斯地区天然气管道在冻结、融化阶段的应变,得出管道纵向和径向应变受弯曲作用影响最大,提出冻胀与管道应变的线性方程,为类似试验提供依据。Wang[9]提出冻胀和融沉引起的埋地管道失稳,是寒冷地区管道产生不利变形的主要原因。埋地管道与冻土之间的作用是动态复杂的。由于高温或高寒累积产生棘轮效应(管道在多次冻融循环后,会积累较大的位移)和高寒地区管道与冻土之间相互碰撞,会产生较大附加应力从而导致应力集中[10-11]。正确设计和预测管道在冻融循环下水热力三场耦合面临诸多挑战,国内外对单物理场研究较多,而将三场耦合的冻融循环试验少之又少[12]。

综上,利用1∶10缩尺模型试验,模拟10年冻融循环情况(根据实际情况认为一年一次冻融循环),监测管道在此条件下240 h的应变曲线。

1 试验方案

1.1 土体及埋地输油管道试验模型

模型以中俄输油管道穿越的大庆地区某地季节性冻土管道为研究对象,土样取自大庆地区常用工程的回填土,即在地面2 m深度处,这样能更真实地模拟管道途径土层。试验用土为粉质黏土,其物理性质见表1。按照漠大管道大庆段,由相似比1∶10设计试验箱体和管道埋深。试验用钢Q345物理参数、尺寸如表2所列。

表1 土样基本物理性质Table 1 Basic physical properties of soil samples

表2 试验管道物理参数Table 2 Physical parameters of test pipeline

管道总长2 400 mm,外径100 mm,内径98.5 mm。管道尺寸设计如图1所示。

图1 管道尺寸设计Fig.1 Design of pipe dimensions

1.2 冻融箱尺寸设计

此冻融循环试验,每天为一个日循环,温度范围为-23～20 ℃。试验箱体为Q345钢,下部有4个万向轮便于室内外移动,减少箱体扰动对应变趋势的影响。箱体四周和底部均设置保温苯板,目的是降低土体四周和底部的热通量。处于对实验室安全的考虑,管道内部充满水以代替油,通过设置管道内部温度加热带,保持管道油温(32±5) ℃。管道埋深-200 mm。应变片采用BE120-3CA型三轴应变花,进行10次冻融循环试验。

依据上述冻融循环试验原理,详细的试验箱体布置如图2所示,其中箱体四周及底部绝热,均有4 cm厚的苯板保温层。管道顶部埋深0.2 m,管道与管道之间用法兰连接,管道左侧设置有弯管,用于注水和应变测量导线的接出,管道右侧设有阀门用于排水,箱体底部有2个排水口。

图2 试验箱体详细布置 Fig.2 Detailed layout of the test box

(1) 温度测量布置 沿着管道所在方向布置4个康铜热电偶制成的温度探针,用于测量温度场,具体温度探针布置如图3所示。

图3 温度探针横截面布置Fig.3 Cross section layout of temperature probe

(2) 应变片粘贴 由于管道与土壤之间存在复杂的受力关系,所以无法确定管道顶部底部主应变方向,故采用BE120-3CA型三轴应变花的粘贴形式进行10次冻融循环试验,对管道四周应变进行检测,共分为3组,每组8个检测点,每组检测点均粘贴应变片,如图4、图5所示。

图4 应变片粘贴Fig.4 Strain gauge paste

图5 应变片粘贴设计Fig.5 Design drawing of strain gauge pasted

(3) 数据收集 布置在管道顶部底部的电阻应变片,通过导线与静态电阻应变仪DH3818Y相连,实时测量管道在融化冻结过程中的内外应变变化。

2 试验结果

2.1 冻融循环下土体温度场规律

测量土表温度及沿管道位置土体深度分别为-0.125 m、-0.250 m、-0.375 m处温度随时间的变化情况如图6所示。

由图6可知,最低温度和最高温度分别为-22.55 ℃、20.44 ℃。不同土层温度与土表温度变化趋势一致,符合温度正弦变化规律。沿着管道所在位置,不同深度处温度受管道影响很大,距离管道位置越近,相应位置土壤受管道温度辐射越大,温度变化峰值滞后现象越不明显。随着冻融循环的进行温度变化幅值减小,且温度呈递减趋势,这是由于冻融循环过程改变了管道附近土壤水热特性,导致土中水相变过程缓慢。经过分析,在每次冻融循环中,平均正温出现在9 h,平均负温出现在15 h,这与冻土区的温度变化相一致。

图6 土体中不同埋深温度随时间变化曲线Fig.6 Curves of different buried depths and atmospheric temperature in soil with time changing

2.2 冻融循环对管道应变的影响

试验测得冻融循环作用下管道顶部和底部的应变值,三轴应变花240 h内的应变变化趋势如图7所示。

图7 试验测量应变Fig.7 Strain measured by test

由图7可知,随着冻融循环的进行,管道底部在第2～4次冻融循环过程应变出现正值,为正应变,即平面内拉应变,这是由于管道顶部与土壤连接紧密,在相邻冻融循环土中水相变过程对管道不均匀挤压造成的。随着冻融循环的继续进行,管道顶部底部均为压应变,从冻融循环初期到第8次冻融循环,管道顶部底部压应变曲线有着明显的递减趋势,第8次冻融循环之后应变趋于平稳。

为测得埋地输油管道顶部底部的主应变值(第一主应变),对管道顶部和底部分别进行了第一主应变和第二主应变在240 h内的变化趋势的研究,如图8所示。

由图8可以看出,管道顶部主应变为负值,即管道顶部始终受压,管道底部应变从冻融循环开始到第3次循环为正值,然后为负值,即管道底部先受拉后受压。管道顶部底部主应变都随着冻融循环作用次数增加而降低,第9次、第10次有回升趋势,这是由于大气温度上升造成的。

图8 管道顶部和底部主应变值Fig.8 Principal strain values at top and bottom of pipeline

为了更清楚地了解冻融循环下管道应变增大的原因,利用软件comsol模拟了冻胀力在360 h内变化趋势,模型考虑温度场、水分场和应变场,提取出冻胀力360 h的分布(忽略重力),如图9所示。

图9 数值模拟土壤冻胀力的分布Fig.9 Numerical simulation of soil frost heaving force distribution

根据实际试验箱体尺寸、管道埋深、温度场、水分场,利用软件comsol建立三维管土模型,探究冻融循环过程应变趋于稳定原因。用压力盒测量管道周围土体冻胀变化规律,如图10所示。

由图10可以看出,随着冻融循环作用次数的增加,管道上部冻胀力明显大于管道下部冻胀力,且压力盒顶部冻胀力在升温降温过程中变化幅值大于底部,这是由于顶部含水率小于底部,也与实际(见图10(b))符合。软件模拟冻胀力(见图9)和试验测得冻胀力(见图10(b))规律一致,随着冻融循环次数增加,冻胀力周期性增加。

图10 试验测得的土壤冻胀力的分布Fig.10 Distribution of soil frost heave force measured in the experiment

综上可知,管道重力、冻胀力、冻融循环都会改变管道应变变化特征,这与棘轮效应[10]一致,即管道应变趋于平稳。管土相互作用还与水热条件密切相关,为后续对比试验设计提供了参考。

3 结论

以中俄输油管线大庆段为背景,分析了冻融循环作用下管道应变特性的一般规律,得出以下结论:

(1) 不同土层温度与土表温度变化趋势一致,符合温度正弦变化规律。沿着管道所在位置,土体不同深度的温度受管道影响很大,距离管道位置越近,相应位置土壤受管道温度辐射越大,温度变化峰值滞后现象越不明显。随着冻融循环的进行,温度变化幅值减小。

(2) 当冻融循环达到5次,管道顶部底部均为压应变,从冻融循环初期到第8次冻融循环,管道顶部底部应变曲线有明显的递减趋势,第8次冻融循环之后应变趋于平稳,与管土相互作用的棘轮效应一致,在冻融循环作用下管道受力性能随冻融次数的叠加,应变也会叠加,但当这种反复作用达到一定的量时,这种应变也将趋于稳定。在此基础上完善试验,研究冻融循环作用与此稳定趋势的确切关系,由此来完善工程设计中关于此类地下工程结构的设计标准。

(3) 数值模拟管道周围土体冻胀力与实际测得的冻胀力变化规律一致。随着冻融循环作用次数的增加,压力盒上部冻胀力大于下部冻胀力,且上部冻胀力在升温和降温过程中变化幅值大于下部。