凍土區埋地熱油管道凍融危害及防護措施研究

富元暉，馬貴陽，杜明俊，董靖宇，楊子寧

（1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院,遼寧撫順113001；2.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司,河北任丘062552）

凍土區埋地熱油管道凍融危害及防護措施研究

富元暉1，馬貴陽1，杜明俊2，董靖宇1，楊子寧2

（1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院,遼寧撫順113001；2.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司,河北任丘062552）

基于凍土工程的特殊性，結合國內外已建凍土管道運行過程的各類風險，系統闡述了凍土管道所必須面臨的5大凍害。并依據凍土管道工程的設計原則和經驗，詳細論證了各類凍害的防護措施。所得成果將為我國后續凍土管道工程的設計、施工及凍害防止奠定基礎。

凍土；埋地管道；凍脹融沉；防護措施

凍土含有地下冰，具有流變性，其長期強度遠低于瞬時強度的特性，導致凍土管道必須面臨兩大危害；凍脹和融沉[1]。隨著高寒地區油田的持續開發以及跨國輸油管道工程的不斷建設，大型管道必將引起人們的廣泛關注。對于凍土管道來說，最常見的安全問題就是凍融危害[2,3]。分析凍土埋地管道周圍土壤水熱力耦合作用機理，科學預測并防止凍害發生是當前乃至今后學者們研究的重點問題。

截止到目前，國內外已建的大型凍土管道主要有3條，分別為，中俄跨國輸油管道；加拿大NOMA NWELLS輸油管道和美國的TRANS-ALASKA輸油管道，這些管道均不同程度的穿越多年凍土區，且在實際輸送過程中，部分地段都出現了嚴重的季節性凍脹融沉、熱融滑坡、管溝積水等現象[4,5]，導致局部應力集中，嚴重影響了管道的安全運行。

基于凍土工程面臨的各種問題，國內外諸多學者對凍土管道的危害進行了相關研究[6,7]，并取得一定的成果。梁承姬等[8]對埋地管道周圍土體的凍結過程做了三場耦合計算，得出了管道周圍土壤溫度場和水分場的分布規律；杜明俊等[9]基于多孔介質的熱焓模型，建立了飽和含水凍土水熱力耦合控制方程，數值分析了管道周圍土壤溫度場，水分場和應力場的相互影響；張鑫等[10]對多年凍土區埋地管道運行后的融沉風險進行了預測，給出了地基沉降量的計算。筆者在分析了前人研究成果的基礎上，結合實際工程項目，分析了凍土管道周圍土壤凍害類型及成因，并給出了不同凍融危害的防護措施。

1 凍土管道凍害類型分析

1.1 凍脹

圖1 管道凍脹實例Fig.1 Example of pipeline frost heave

由于凍土中水分子是以薄膜水的形式存在，故當管道周圍土壤溫度發生變化時，會引起水分不斷從高溫區向低溫區遷移，在遷移過程中水份逐漸凍結，體積膨脹；土體的體積膨脹會推動管道偏離原來的鋪設路徑并向錨固力薄弱的地方移動（通常向上運行），從而產生彎曲變形。管道凍脹危害實例見圖1。凍脹對管道的破壞主要表現在以下2個方面：

1）由于凍結前緣凍土的不斷形成，導致管道被擠壓抬升，埋深變淺；

2）由于差異性凍脹導致管道局部抬升變形，達到一定程度后管道應力超標。

1.2 融沉

根據凍土的熱穩定性不同，通常分為2種類型：融化穩定型凍土和融化不穩定型凍土；當原油管道穿越凍土區時，土壤不斷吸收管道散發的熱量使自身逐漸融化，對于穩定型凍土來說，其土質仍然是穩定的；而對于非穩定凍土來說，當土壤吸熱融化后，土體將失去支撐力，并因融化范圍、土體粒徑及含冰量的不同，融化圈也有較大差異，特別是在穩定區和非穩定區的過渡帶[11]，熱油管道將受到較大應變，增加了管道屈服破壞的風險。凍土融沉的原因主要有：融化沉陷，高含水融土固結變形及高溫凍土蠕變變形；其主導因素為凍土的融化沉陷。融沉對管道的破壞主要表現在以下2個方面：1）融化圈形成后管道周圍土壤水土流失，管道部分裸露；

2）由于差異性融沉導致管道局部沉降變形明顯，管道失去支撐力，一定程度后會引起管道應力超標。

1.3 冰錐、凍脹丘

冰錐和凍脹丘屬典型不良凍脹形式[11]，其生成條件與土壤中水分有著密切關系。土體凍結過程中，地下水在驅動力作用下不斷涌出地表凍結而成的錐狀冰體就是所謂的冰錐。凍脹丘的形成條件與冰錐相同，其實質為冰錐的另一種形式。按水源補給形式可分為地下水補給和地上水補給兩種形式。冰錐（凍脹丘）段管道地貌見圖2。

圖2 冰錐（凍脹丘）段管道地貌Fig.2 Landforms of ice cone（frost heave mound）segment pipeline

冰錐、凍脹丘對管道的破壞主要表現為：冰的生長會抬升和擠壓管道附近凍土，造成對管道的擠壓和破壞，這是一種比凍脹更為迅速的變化過程，凍脹丘可能在一兩天甚至一夜之間產生，且尺寸尖銳，易造成管道短時間內應力集中甚至破裂。

1.4 熱融滑坡

若管道敷設在凍土區斜坡地段，由于施工過程造成的植被破壞及投產后管道運行過程的熱量傳遞，破壞了凍土熱平衡，使融土在重力作用下沿凍融界面向下移動，導致滑塌[11]。熱融滑坡是凍土管道所面臨的嚴重地質災害，對于一些含冰區，特別是沼澤發育的富冰區域來說，其斜坡更易引發熱融滑坡災害的產生。管道周圍熱融滑坡段地貌見圖3。

圖3 管道周圍熱融滑坡段地貌Fig.3 The landform of the hot melt landslide section around the pipeline

熱融滑坡對管道的破壞形式與普通地質滑坡相同，主要表現為以下2個方面：

1）在橫向滑坡作用下管道主要表現為拉伸和屈曲破壞；

2）在縱向滑坡作用下主要表現為拉伸破壞。

1.5 河冰刨蝕

對于季節性凍土區，當冬季河流解凍時，河面浮冰會逐漸聚集，形成大塊浮冰，這些浮冰沿河流時，會刨蝕河床，帶走土壤。對于穿越河流的管道來說，若河床周邊埋深較淺，則易受到浮冰的刨蝕，沖刷管道，造成防腐層損壞甚至管體產生位移和形變。管道周圍冰河刨蝕段地貌見圖4。

圖4 冰河刨蝕段地貌Fig.4 Landforms of glacial erosion segment

河冰刨蝕對管道的破壞主要表現為以下2個方面：

1）在冰凌刮擦和水流沖刷作用下管道埋深變淺；

2）防腐層被刮擦破壞，嚴重時會造成管道變形。

2 凍土管道防護措施研究

2.1 凍脹融沉防護措施

凍脹融沉是凍土區管道面臨的最基本凍害，凍融趨勢的變化主要與管道周圍凍融圈的形成有關，設計時通常采取保護凍土的原則，來有效防止凍脹融沉的產生。根據不同的凍土級別，制定的防護措施見表1。

表1 不同級別凍土的凍脹融沉防護措施Table1 Different levels of frost thawing permafrost protection measures

2.1.1 保溫層

保溫層可隔絕管道與凍土直接接觸，一定程度上降低了管道對周圍凍土溫度場的影響，從而減少對凍土的破壞。通過模擬不同保溫層厚度對管道周圍土壤凍融圈的影響可知：有無保溫層對多年凍土區溫度場的分布影響很大，且保溫層越厚對凍土的影響越小。相同條件下裸管和不同保溫厚度下的凍土管道周圍土壤融化圈見圖5。

圖5 凍土管道周圍土壤溫度場Fig.5 Soil temperature field around the frozen soil pipeline

2.1.2 熱管

基于凍土路基工程熱管換熱的相關經驗，目前凍土管道也采用熱管進行制冷。熱管是一種無需外加動力的制冷裝置，可調節管道周圍凍土的溫度，其原理是利用工質氣液相變循環轉換實現熱量的自動傳遞；熱管上部為冷凝段，中部為絕熱段，下部為蒸發段；當上下兩部分之間存在溫差時[12]，蒸發段中的工質吸熱氣化，在驅動壓差作用下，沿管腔上升至冷凝器，與較冷的冷凝器管壁接觸，釋放汽化潛熱，凝結成液體，附于管壁上，在重力作用下，工質沿管壁流回蒸發段；如此往復循環，不斷將地層中的熱量帶出，從而保證了凍土的穩定性。凍土熱套應用實例見圖6。

圖6 凍土熱管散熱應用Fig.6 Application of heat pipe in Permafrost

2.1.3 提高壁厚

對于飽冰或沼澤發育凍土，管道產生差異性凍脹融沉的位移量較大，除采用保溫、熱管措施外，為進一步提高管道安全性，可采用提高壁厚的方式來增加管道的抗變形能力。

2.2 凍脹丘防護措施

凍脹丘（冰錐）的防護措施主要從產生機理入手，以截水、排水方式為主來預防凍脹丘的產生。其具有方式措施主要有：

1）設截水墻、截水溝、盲溝等；2）鉆孔泄壓放水；

3）建立凍土災害檢測系統。

2.3 熱融滑坡防護措施

對于熱融滑坡的防護，主要依據保護凍土原則及常規滑坡治理方案，具體防護措施有：

1）采用“木屑護坡”的方式進行隔熱保溫，防止凍土融化；

2）保護坡腳凍土；

3）完善坡面排水系統；

4）修筑擋土墻；

5）設置抗滑樁；

6）增加管道保溫層厚度，較少散熱量；

7）建立溫度和斜坡位移檢測系統。

2.4 冰河刨蝕防護措施

河冰刨蝕刮擦防護措施主要有：

1）增加管道埋設深度；

2）河床砼澆筑；

3）定期破冰；

4）鋼絲網塊石鋪墊河床。

3 凍土管道防護措施研究

隨著，全球氣溫的不斷升高，多年凍土區正逐漸消融，加之寒區石油和天然氣工業的迅猛發展，原始凍土將進一步被破壞，積極保護凍土資源，防止凍土危害對于工程設計來說，至關重要。筆者基于國內外凍土管道工程的先進經驗，論述了凍土區埋地管道所必須面臨的5大風險，并給出了相應的保護措施，所得成果可為今后深入研究凍害防止奠定基礎。

［1］吳彥東.寒區埋地熱油管道周圍土壤凍脹融沉數值[J].當代化工，2011，40(2)：157-160.

［2］鄭平，馬貴陽．凍土區埋地輸油管道溫度場數值模擬的研究[J].油氣儲運，2006，25(8)：25-28.

［3］孫楠，馬貴陽，申路飛,等．輸油管道土壤溫度場變化的影響因素分析[J].重慶科技學院學報,2007，9（1）:16-17.

［4］陳繼，李昆，盛煜,等.季節凍土區埋地管道水溫的變化規律及其影響因素分析[J].冰川凍土，2014，36（4）；836-844.

［5］王寶群，林燕紅，焦中良.中俄原油管道項目特點與經驗啟示[J].油氣儲運，2014,33（6）:54-57.

［6］趙樹炳，趙振興，張志強,等.多年凍土區埋地管道保溫方案的設計與有限元分析[J].油氣儲運，2015,34（1）:86-88.

［7］蔡永軍,王凱濛,張世斌,等.高寒凍土區管道露管原因分析及治理[J].油氣儲運，2013,33（5）:483-487.

［8］梁承姬，李洪生.輸冷管道附近土體凍結過程的水熱力耦合數值模擬[J].上海海運學院學報，2001,21(4):85-91．

［9］杜明俊.凍土區埋地管道周圍土壤水熱力耦合數值計算[D].撫順：遼寧石油化工大學碩士學位論文，2011-06.

［10］張鑫，馮少廣，陳朋超,等.多年凍土區管道投產運行后的融沉風險[J]油氣儲運，2013,32（4）：364-368.

［11］陳朋超.漠大線多年凍土災害風險分析及管理措施探討[J].管道技術與設備，2012,19（1）：1-5.

［12］簡斌，薛剛.凍土對公路工程的危害及應對措施[J].四川建筑，2005,34（6）：12-16．

Research on Freeze-thaw Hazards and Protective Measures of Buried Hot Oil Pipeline in Permafrost Regions

FU Yuan-hu i1,MA Gui-yang1,DU Ming-jun2,DONG Jing-yu1,YANG Zi-ning2
（1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University,Liaoning Fushun 113001,China；2.China Petroleum Engineering Co.,Ltd.North China Company,Hebei Renqiu 062552,China）

Based on the particularity of frozen soil engineering,combined with all kinds of risks in domestic and foreign existing permafrost pipeline operation process,5 main hazards to the permafrost pipeline were introduced. According to the design principle and experiences of permafrost pipeline engineering,protection measures for all kinds of hazards were discussed.

Frozen soil;Buried pipelines;Freezing thawing settlement;Protective measures

TE 88

A

1671-0460（2017）03-0493-03

2016-10-15

富元暉（1990-），男，遼寧錦州人，碩士研究生，現就讀于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業：研究方向：長輸管道輸送技術。E-mail：121813561@qq.com。

馬貴陽（1965-），男，教授，博士，研究方向。E-mail：guiyangma1@163.com。