冻土在冻融过程中不论是融土区、过渡区还是冻土区都涉及应力场问题,而且应力场对土体的冻胀、压密变形过程及冷凝冰的形成起着重要作用。冻土区埋地输油管道周围土壤受管道油流及大气环境的影响,易产生不同特点的应力变化,发生融沉和冻胀变形,对输油管道造成破坏。以多年冻土区A管道的监测资料建立冻土区埋地输油管道应力分析模型,为与其并行敷设的B管段提供参考依据。分析发现:油压很大程度上制约了最大允许沉降变形;增加壁厚可以有效提升允许沉降变形,且油压越高,增加壁厚的作用越显著;当油压较高、差异性变形超过0.8 m时,采取增加管壁厚度的结构措施的效率是降低的,因此,在这些路段还应该采取一些其他措施,如合理改进融沉/非融沉过渡,降低融沉过程中管道的弯曲应力。
以冻土区埋地输油管道泄漏污染物为研究对象,考虑冻土环境对泄漏污染物在土壤中迁移的影响,建立了埋地输油管道泄漏污染物多相传热传质过程的迁移数理模型,采用有限体积法对该模型进行离散和求解,分析了冻土对其迁移过程的影响。研究结果表明:冻土对温度场的影响(分流头区域、发展区域、稳定区域三个阶段);冻土对多相流分布的影响。
基于冻土区土壤带相变的传热过程建立了埋地管道周围土壤温度场的二维计算模型,采用数值方法对其进行了求解,并模拟了在不同油温、不同保温层厚度与不同土壤含水量等因素影响下管道运营期内管道周围土壤的温度变化。研究结果表明,采用等效热容法能较好地处理冻土相变问题并能有效地应用于埋地管道周围土壤所受热力影响的计算,能够为预测管道运营期内周围土壤的融化范围提供技术支持。
在建立埋地输油管道周围土壤温度场的物理模型时,大多数人认为温度分布是关于管道中心对称的,因此只考虑对称的一侧,且都为二维计算,简化了很多方面,这是不精确的。结合横向、纵向建立了三维运算模型,使土壤温度场的模拟更接近现实,所以模拟的结果将会更加精确,对现实生产也具有指导意义。
冻土区埋地管道遇到的最常见问题是冻害破坏。研究埋地输油管道发生冻害及采取科学有效的方法防止冻害,首先应预测埋地输油管道周围冻土冻融过程中温度场的变化,以及温度场与水分场的变化关系。叙述了国内外学者在冻土温度场与水分场耦合作用这一问题的研究成果和埋地输油管道周围温度场的研究成果,提出了数值模拟埋地输油管道周围冻土温度场的几点建议。