冻土区管道面临的主要风险与设计方法

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：TE 832 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2015）07-1709-03

The Main Risks and Design Methods for Pipelines

in Permafrost Areas

DONG Cai-hong1，ZHANG Jie 2，YUAN Ren-tao2

（1. China National Petroleum Cooperation Beijing Oil & Gas Control Center， Beijing 100007， China；

2. China Petroleum Engineering Co.， LTD Beijing Company， Beijing 100085， China）

Abstract： China owns the third largest area of permafrost in the word. The safe operation of the oil and gas pipelines in permafrost areas has a great influence on the national energy security. Based on the reviews of the existed pipelines in permafrost areas and research results， frost heave and thaw settlement， thaw slumping， upheaval buckling are demonstrated as the three main threats for pipelines in permafrost areas. Design methods for these circumstances are concluded. At last， some engineering treatment measures are also suggested.

Key words： Permafrost areas； Pipeline； Risks； Engineering protection measures

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。给出了管道在冻土区上浮时土壤阻力的一种数值算法。

在冻土冻胀量的确定方面，帅健[5]总结了多年冻土区埋地管道土体冻胀量的计算方法。冻胀量由原位冻胀量和分凝势冻胀量求和得到。

在多场耦合分析计算方面，李勇浩[6]采用理论分析与数值模型相结合的方法，考虑温度对土壤特性的影响，对冻胀作用下管道进行了有限元分析，以中俄原油管道为例进行了分析计算，给出了壁厚的选择方法。

目前，差异性冻胀和融沉作用下管道的设计计算主要使用数值分析方法，由于其问题的多重复杂性，还需要进行大量的进一步研究。

1.2 边坡热融滑移

冻土区边坡在较高的温度下会由于融冻而产生泥流，这种泥流会产生类似于滑坡一样的作用，在管道内产生较大的拉压应变，对管道存在的巨大的危害。

Rajani， B. B.等人[7]建立了受到横向和纵向的土壤运动作用下管线应力应变的简化设计方法。该方法可以借鉴到热融滑移中来，但由于其给出了较多的简化所以存在一定的误差。王国丽等人[8]，建立了滑坡作用下管道应力应变计算的二维有限元模型，模型考虑了土壤参数，管道运行参数的影响。顾晓婷[3]基于非线性有限元方法，给出了三维的山体热融滑坡对管道作用的数值计算模型，模型能考虑滑坡在空间内对管道的作用，更贴合实际。

冻土区边坡的热融滑移与山体滑坡有一定的相似性，在研究方法上可以借鉴。而基于有限元方法的数值模型能够准确的得到管道的应力应变反应，适合工程使用。

1.3 局部冻胀引起的上浮屈曲

当埋地管道的输送介质或者工作温度大于施工温度时，管道将受轴向压应力作用而可能产生轴向失稳弯曲。由于土壤阻力的原因，该失稳屈曲往往是向上的，从而形成上浮屈曲。

国内外大量学者进行过一般管道的屈曲分析，但对于冻土区管道屈曲问题的研究相对较少。其中，Palmer等[9]定性讨论了管道有局部冻胀上浮位移时的屈曲机理，论述了冻土区管道屈曲变形的特点及与Eular失稳的不同。其建立了管道屈曲弯曲微分方程，讨论内压作用下，由于局部冻胀使管道弯曲而产生屈曲的临界曲率。Nixon等人[10]讨论了加拿大Norman Well冻土管线上浮屈曲现象，认为上浮屈曲是由于管道局部发生一定冻胀位移使得管道发生初始弯曲后在轴力作用下引起的，没有相应的分析计算。王丽等人[11]基于能量法建立了局部冻胀作用下管道的挠曲线方程，得到了管道临界温度载荷的求解方法，但其没有考虑管土作用的非线性，存在一定的缺陷。

由于冻土管道失稳屈曲问题计算分析的复杂性，目前还缺乏完善的模型和计算分析方法，大量研究都是在对模型大量简化的基础上进行分析，或采用有限元数值计算方法。还需要进行大量的研究。

2 穿越凍土区管道的设计方法

2.1 冻土区管道失效评定准则

由于冻土区管道复杂的失效形式，所以在不同情况下应该对其选用不同的失效准则。冻土区差异性冻胀和融沉，边坡的热融滑移都体现为以位移控制为主的载荷，在大位移作用下无法保证管道一直处于弹性状态，这种情况下管道应该采用基于应变的失效准则[12]。冻胀区的局部冻胀会引起管道的上浮屈曲，这种情况下管道的状态主要受温度导致的管道轴向力控制，所以需要保证管道的轴向力小于临界屈曲载荷，这时需要采用基于应力的失效准则。

2.2 冻土区管道防护的主要措施

国外如加拿大，美国等国家在冻土区建设输油管道已有几十年的历史[13，1]，在管道的设计、施工、运行管理、实施监控和应急处理上都积累了丰富的经验。而年来国内多家单位进行的冻土区管道工程也开展了大量的研究。其中针对冻土区管道的防护措施主要从以下几个方面考虑：

1）敷设方式的优化

根据阿拉斯加管道的建设经验，冻土区管道可实行三种敷设方式：埋地敷设、管堤敷设、架空敷设。

2）隔热措施

隔热措施包括两个方面，第一、通过增加保温层，隔热板等方法对管道与周围土壤的隔热，减少管道温度对冻土区的影响；第二、对易产生热融滑移的边坡，在土壤表面设置隔热材料预防其受热融化。

3）水工与土工措施

对冻胀融沉严重地区要增加排水装置，降低地下水位。在管沟回填时，要采用对冻胀和融沉不敏感的土壤或材料对原场地土进行替换。

4）提高管道的强度 （下转第1714页）