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冻土区管道面临的主要风险与设计方法

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董彩虹张杰苑仁涛

摘要：我国是世界上第三大冻土国，冻土地区管道的安全运行对我国能源安全有着重要的意义。基于国内外主要冻土区管道的建设情况，分析了冻土区管道的主要危害：不同特性土壤的差异性冻胀与融沉、季节性土壤温度变化引起的边坡失稳滑坡、温差引起的上浮屈曲。讨论了国内外相关的主要研究成果，给出了的冻土区管道设计方法与工程防护措施。

关键词：冻土区；管道；风险；工程防护措施

中图分类号：TE832文献标识码：A文章编号：1671-0460（2015）07-1709-03

TheMainRisksandDesignMethodsforPipelines

inPermafrostAreas

DONGCai-hong1，ZHANGJie2，YUANRen-tao2

（1.ChinaNationalPetroleumCooperationBeijingOilGasControlCenter，Beijing100007，China；

2.ChinaPetroleumEngineeringCo.，LTDBeijingCompany，Beijing100085，China）

Abstract：Chinaownsthethirdlargestareaofpermafrostintheword.Thesafeoperationoftheoilandgaspipelinesinpermafrostareashasagreatinfluenceonthenationalenergysecurity.Basedonthereviewsoftheexistedpipelinesinpermafrostareasandresearchresults，frostheaveandthawsettlement，thawslumping，upheavalbucklingaredemonstratedasthethreemainthreatsforpipelinesinpermafrostareas.Designmethodsforthesecircumstancesareconcluded.Atlast，someengineeringtreatmentmeasuresarealsosuggested.

Keywords：Permafrostareas；Pipeline；Risks；Engineeringprotectionmeasures

我国是世界第三冻土大国，分布在东北、西北、青藏高原等地区的多年冻土面积占国土陆地面积的21.5%。中俄原油管道、西气东输天然气管道、格尔木-拉萨成品油管道等均穿越多年冻土地区。冻土区由于其多变的地质环境使得管道长期处于复杂的受力状态，易发生事故。格拉成品油管线自投运以来，冻土区管道发生穿孔泄漏事故30多起[1]。

本文基于国内外冻土区管道的研究成果，分析了冻土区管道建设与运行过程中面临的主要风险，讨论了国内外学者针对冻土区管道设计提出的一些方法，给出了冻土区管道设计施工时的一些建议措施，对保障冻土区管道的安全运行有一定的参考价值。

1冻土区管道面临的主要风险与研究方法

穿越冻土区管道的管体温度和季节性温度变化会影响管道周边冻土层的温度场分布，从而改变冻土的物理状态，使其发生冻结或融化。冻土的不同的状态会对管道造成不同的影响，根据管道的失效形式，冻土的主要危害主要体现在以下方面：冻土的凍胀会引起土体的膨胀而使得管道翘起而产生弯曲失效；局部冻土的冻胀与温度应力效应的综合作用会使得管道发生上浮屈曲；冻土的融沉会使得输油管道产生大跨度的漂浮导致管道拉断；处于边坡的管道容易因为冻土的受热融化而失稳产生拉伸或屈曲破坏。国内外学者针对冻土区管道的不同失效

1.1差异性冻胀及融沉

在外界温度的交替作用下，冻土区管道需要承受冻胀和融沉的双重作用的挑战。由于冻土性质的复杂性，使得差异性冻胀与融沉下管道的应力应变计算存在以下几个难点：管土作用方式的复杂性；冻土冻胀量求解的复杂性；多场相互作用的复杂性。

在管土作用方面，工程上经常使用的ASCE“埋地钢管的设计导则”[2]中提供的土弹簧计算方法对冻土不能适用，顾晓婷，张宏[3]通过实际管沟截面内的平面应变有限元分析给出了冻土区管道水平方向和垂直方向土弹簧的一种简化方法。该方法简化了管土作用方式，使得管道的应力应变分析简化。Liu，B.等人[4]进行了冻土管道上浮阻力的数值分析