东北多年冻土区埋地输油管道周围温度场特征非线性分析.pdfVIP

第3O卷 第 2期 冰 川I 冻 土 V0l_3O No．2 2 0 0 8年 4月 JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY Apr．2 0 0 8 文章编号：1000—0240(2008)02—0287—09 东北多年冻土区埋地输油管道周围 温度场特征非线性分析 何树生 ， 喻文兵 ， 陈文国 ， 余志峰 ， 金会军 (1．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室。甘肃 兰州 730000 2．中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000) 摘 要：为解决冻土区输油管道周围土壤的温度计算问题，根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程， 应用Galerkin法推导出了二维温度场的有限．元计算公式．以东北多年冻土区中俄原油管道工程为背 景，根据该工程区的冻土条件和气候条件，应用该方法对温热型输油管道土壤温度场进行了计算预报 与对比分析．结果表明：对于输送油温为15℃、直径为0．914 m以及管顶埋深为2．0 m的管道，在没 有铺设保温材料情况下，管顶之上的土壤在管道运行的第 1年就达到热平衡状态，同时土壤融化速率 在第 1年达到最大，随后 4 a时间里迅速减小，第 5年后融化速率变化趋于稳定；管道运行一段时间 后，管道周围的融化圈随冷暖季节的变化呈交替式的扩展；在管道运行 30 a后，融深10 m，即管底 下的融化层厚7 m，而在铺设 5～8 cm的聚氨酯保温材料后，融深控制在3．O8～3．88 m，即管底下融 化层厚为0．2～1．0 m．因此，合理使用保温方法能有效防止冻土区管道冻害的发生，同时达到保护冻 土环境的目的． 关键词：多年冻土；输油管道；温度场；保温材料；融化圈；数值分析 中图分类号：P642．14 文献标识码：A 变热传导温度场的数值求解方法；Comini等 对 0 引言 相变热传导温度场的非线性问题进行了有限元分 即将动工修建的中俄原油管道中国境内段总长 析；Hastaoglu等[3 用线形分割边界和隐式有限 965 km，其中穿越连续、不连续多年冻土长达约 差分方法来求解与管一土间热传导有关的二维瞬时 445 km，岛状多年冻土长约85 km．从大兴安岭林 偏微分方程；以色列的Bronfenbrener等H 提出了 区的防火和管道安全的角度考虑，输油管道宜采用 一 个基于准稳态法的近似二维理论模型来分析水平 埋地方式敷设，而埋地式温热油管运行期间对周围 埋设在半无限冻土层中的隔热管道周围的相变过 土壤加热，将使冻土融化，进而导致土壤和管道产 程；Lunardini[5 对带保温材料的埋地管道周围土壤 生不均匀下沉，破坏管道的稳定性，影响原油的正 的相变问题，在没有考虑冻结过程的情况下进行了 常输送．因此，冻土问题将是修建中俄原油管道并 准稳态求解；Zarling等 ]采用有限元分析方法，对 保证管道竣工后稳定运行所面临的主要难题．而由 铺设不同几何形状保温层的管道的热损失进行了稳 于冻土对温度具有极敏感性及其破坏的不可逆性， 态分析．但这些研究结果一般都是在假定冻土温度 故对多年冻土区管道周围土壤温度场的研究显得尤 为一恒定值的条件下得到的，并且没有考虑到地热 为必要．目前，对多年冻土区埋地输油管道周围土 和地表土壤的温度随大气周期性变化等条件的影 壤温度场的研究已有不少．Bonacina等口 提出了相 响，没有涉及到地表活动层的情