冻土区埋地热油管道冻融危害及防护措施研究

富元晖，马贵阳，杜明俊，董靖宇，杨子宁

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001；2.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北任丘062552）

冻土区埋地热油管道冻融危害及防护措施研究

富元晖1，马贵阳1，杜明俊2，董靖宇1，杨子宁2

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001；2.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北任丘062552）

基于冻土工程的特殊性，结合国内外已建冻土管道运行过程的各类风险，系统阐述了冻土管道所必须面临的5大冻害。并依据冻土管道工程的设计原则和经验，详细论证了各类冻害的防护措施。所得成果将为我国后续冻土管道工程的设计、施工及冻害防止奠定基础。

冻土；埋地管道；冻胀融沉；防护措施

冻土含有地下冰，具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度的特性，导致冻土管道必须面临两大危害；冻胀和融沉[1]。随着高寒地区油田的持续开发以及跨国输油管道工程的不断建设，大型管道必将引起人们的广泛关注。对于冻土管道来说，最常见的安全问题就是冻融危害[2,3]。分析冻土埋地管道周围土壤水热力耦合作用机理，科学预测并防止冻害发生是当前乃至今后学者们研究的重点问题。

截止到目前，国内外已建的大型冻土管道主要有3条，分别为，中俄跨国输油管道；加拿大NOMA NWELLS输油管道和美国的TRANS-ALASKA输油管道，这些管道均不同程度的穿越多年冻土区，且在实际输送过程中，部分地段都出现了严重的季节性冻胀融沉、热融滑坡、管沟积水等现象[4,5]，导致局部应力集中，严重影响了管道的安全运行。

基于冻土工程面临的各种问题，国内外诸多学者对冻土管道的危害进行了相关研究[6,7]，并取得一定的成果。梁承姬等[8]对埋地管道周围土体的冻结过程做了三场耦合计算，得出了管道周围土壤温度场和水分场的分布规律；杜明俊等[9]基于多孔介质的热焓模型，建立了饱和含水冻土水热力耦合控制方程，数值分析了管道周围土壤温度场，水分场和应力场的相互影响；张鑫等[10]对多年冻土区埋地管道运行后的融沉风险进行了预测，给出了地基沉降量的计算。笔者在分析了前人研究成果的基础上，结合实际工程项目，分析了冻土管道周围土壤冻害类型及成因，并给出了不同冻融危害的防护措施。

1 冻土管道冻害类型分析

1.1 冻胀

图1 管道冻胀实例Fig.1 Example of pipeline frost heave

由于冻土中水分子是以薄膜水的形式存在，故当管道周围土壤温度发生变化时，会引起水分不断从高温区向低温区迁移，在迁移过程中水份逐渐冻结，体积膨胀；土体的体积膨胀会推动管道偏离原来的铺设路径并向锚固力薄弱的地方移动（通常向上运行），从而产生弯曲变形。管道冻胀危害实例见图1。冻胀对管道的破坏主要表现在以下2个方面：

1）由于冻结前缘冻土的不断形成，导致管道被挤压抬升，埋深变浅；

2）由于差异性冻胀导致管道局部抬升变形，达到一定程度后管道应力超标。

1.2 融沉

根据冻土的热稳定性不同，通常分为2种类型：融化稳定型冻土和融化不稳定型冻土；当原油管道穿越冻土区时，土壤不断吸收管道散发的热量使自身逐渐融化，对于稳定型冻土来说，其土质仍然是稳定的；而对于非稳定冻土来说，当土壤吸热融化后，土体将失去支撑力，并因融化范围、土体粒径及含冰量的不同，融化圈也有较大差异，特别是在稳定区和非稳定区的过渡带[11]，热油管道将受到较大应变，增加了管道屈服破坏的风险。冻土融沉的原因主要有：融化沉陷，高含水融土固结变形及高温冻土蠕变变形；其主导因素为冻土的融化沉陷。融沉对管道的破坏主要表现在以下2个方面：1）融化圈形成后管道周围土壤水土流失，管道部分裸露；

2）由于差异性融沉导致管道局部沉降变形明显，管道失去支撑力，一定程度后会引起管道应力超标。

1.3 冰锥、冻胀丘

冰锥和冻胀丘属典型不良冻胀形式[11]，其生成条件与土壤中水分有着密切关系。土体冻结过程中，地下水在驱动力作用下不断涌出地表冻结而成的锥状冰体就是所谓的冰锥。冻胀丘的形成条件与冰锥相同，其实质为冰锥的另一种形式。按水源补给形式可分为地下水补给和地上水补给两种形式。冰锥（冻胀丘）段管道地貌见图2。

图2 冰锥（冻胀丘）段管道地貌Fig.2 Landforms of ice cone（frost heave mound）segment pipeline

冰锥、冻胀丘对管道的破坏主要表现为：冰的生长会抬升和挤压管道附近冻土，造成对管道的挤压和破坏，这是一种比冻胀更为迅速的变化过程，冻胀丘可能在一两天甚至一夜之间产生，且尺寸尖锐，易造成管道短时间内应力集中甚至破裂。

1.4 热融滑坡

若管道敷设在冻土区斜坡地段，由于施工过程造成的植被破坏及投产后管道运行过程的热量传递，破坏了冻土热平衡，使融土在重力作用下沿冻融界面向下移动，导致滑塌[11]。热融滑坡是冻土管道所面临的严重地质灾害，对于一些含冰区，特别是沼泽发育的富冰区域来说，其斜坡更易引发热融滑坡灾害的产生。管道周围热融滑坡段地貌见图3。

图3 管道周围热融滑坡段地貌Fig.3 The landform of the hot melt landslide section around the pipeline

热融滑坡对管道的破坏形式与普通地质滑坡相同，主要表现为以下2个方面：

1）在横向滑坡作用下管道主要表现为拉伸和屈曲破坏；

2）在纵向滑坡作用下主要表现为拉伸破坏。

1.5 河冰刨蚀

对于季节性冻土区，当冬季河流解冻时，河面浮冰会逐渐聚集，形成大块浮冰，这些浮冰沿河流时，会刨蚀河床，带走土壤。对于穿越河流的管道来说，若河床周边埋深较浅，则易受到浮冰的刨蚀，冲刷管道，造成防腐层损坏甚至管体产生位移和形变。管道周围冰河刨蚀段地貌见图4。

图4 冰河刨蚀段地貌Fig.4 Landforms of glacial erosion segment

河冰刨蚀对管道的破坏主要表现为以下2个方面：

1）在冰凌刮擦和水流冲刷作用下管道埋深变浅；

2）防腐层被刮擦破坏，严重时会造成管道变形。

2 冻土管道防护措施研究

2.1 冻胀融沉防护措施

冻胀融沉是冻土区管道面临的最基本冻害，冻融趋势的变化主要与管道周围冻融圈的形成有关，设计时通常采取保护冻土的原则，来有效防止冻胀融沉的产生。根据不同的冻土级别，制定的防护措施见表1。

表1 不同级别冻土的冻胀融沉防护措施Table1 Different levels of frost thawing permafrost protection measures

2.1.1 保温层

保温层可隔绝管道与冻土直接接触，一定程度上降低了管道对周围冻土温度场的影响，从而减少对冻土的破坏。通过模拟不同保温层厚度对管道周围土壤冻融圈的影响可知：有无保温层对多年冻土区温度场的分布影响很大，且保温层越厚对冻土的影响越小。相同条件下裸管和不同保温厚度下的冻土管道周围土壤融化圈见图5。

图5 冻土管道周围土壤温度场Fig.5 Soil temperature field around the frozen soil pipeline

2.1.2 热管

基于冻土路基工程热管换热的相关经验，目前冻土管道也采用热管进行制冷。热管是一种无需外加动力的制冷装置，可调节管道周围冻土的温度，其原理是利用工质气液相变循环转换实现热量的自动传递；热管上部为冷凝段，中部为绝热段，下部为蒸发段；当上下两部分之间存在温差时[12]，蒸发段中的工质吸热气化，在驱动压差作用下，沿管腔上升至冷凝器，与较冷的冷凝器管壁接触，释放汽化潜热，凝结成液体，附于管壁上，在重力作用下，工质沿管壁流回蒸发段；如此往复循环，不断将地层中的热量带出，从而保证了冻土的稳定性。冻土热套应用实例见图6。

图6 冻土热管散热应用Fig.6 Application of heat pipe in Permafrost

2.1.3 提高壁厚

对于饱冰或沼泽发育冻土，管道产生差异性冻胀融沉的位移量较大，除采用保温、热管措施外，为进一步提高管道安全性，可采用提高壁厚的方式来增加管道的抗变形能力。

2.2 冻胀丘防护措施

冻胀丘（冰锥）的防护措施主要从产生机理入手，以截水、排水方式为主来预防冻胀丘的产生。其具有方式措施主要有：

1）设截水墙、截水沟、盲沟等；2）钻孔泄压放水；

3）建立冻土灾害检测系统。

2.3 热融滑坡防护措施

对于热融滑坡的防护，主要依据保护冻土原则及常规滑坡治理方案，具体防护措施有：

1）采用“木屑护坡”的方式进行隔热保温，防止冻土融化；

2）保护坡脚冻土；

3）完善坡面排水系统；

4）修筑挡土墙；

5）设置抗滑桩；

6）增加管道保温层厚度，较少散热量；

7）建立温度和斜坡位移检测系统。

2.4 冰河刨蚀防护措施

河冰刨蚀刮擦防护措施主要有：

1）增加管道埋设深度；

2）河床砼浇筑；

3）定期破冰；

4）钢丝网块石铺垫河床。

3 冻土管道防护措施研究

随着，全球气温的不断升高，多年冻土区正逐渐消融，加之寒区石油和天然气工业的迅猛发展，原始冻土将进一步被破坏，积极保护冻土资源，防止冻土危害对于工程设计来说，至关重要。笔者基于国内外冻土管道工程的先进经验，论述了冻土区埋地管道所必须面临的5大风险，并给出了相应的保护措施，所得成果可为今后深入研究冻害防止奠定基础。

［1］吴彦东.寒区埋地热油管道周围土壤冻胀融沉数值[J].当代化工，2011，40(2)：157-160.

［2］郑平，马贵阳．冻土区埋地输油管道温度场数值模拟的研究[J].油气储运，2006，25(8)：25-28.

［3］孙楠，马贵阳，申路飞,等．输油管道土壤温度场变化的影响因素分析[J].重庆科技学院学报,2007，9（1）:16-17.

［4］陈继，李昆，盛煜,等.季节冻土区埋地管道水温的变化规律及其影响因素分析[J].冰川冻土，2014，36（4）；836-844.

［5］王宝群，林燕红，焦中良.中俄原油管道项目特点与经验启示[J].油气储运，2014,33（6）:54-57.

［6］赵树炳，赵振兴，张志强,等.多年冻土区埋地管道保温方案的设计与有限元分析[J].油气储运，2015,34（1）:86-88.

［7］蔡永军,王凯濛,张世斌,等.高寒冻土区管道露管原因分析及治理[J].油气储运，2013,33（5）:483-487.

［8］梁承姬，李洪生.输冷管道附近土体冻结过程的水热力耦合数值模拟[J].上海海运学院学报，2001,21(4):85-91．

［9］杜明俊.冻土区埋地管道周围土壤水热力耦合数值计算[D].抚顺：辽宁石油化工大学硕士学位论文，2011-06.

［10］张鑫，冯少广，陈朋超,等.多年冻土区管道投产运行后的融沉风险[J]油气储运，2013,32（4）：364-368.

［11］陈朋超.漠大线多年冻土灾害风险分析及管理措施探讨[J].管道技术与设备，2012,19（1）：1-5.

［12］简斌，薛刚.冻土对公路工程的危害及应对措施[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

富元晖（1990-），男，辽宁锦州人，硕士研究生，现就读于辽宁石油化工大学油气储运工程专业：研究方向：长输管道输送技术。E-mail：121813561@qq.com。

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