多年冻土区域油气输送管线的施工技术与常规地区大相径庭，这一区域的地理孤立性、环境易损性以及极端气候和地质状况，引发了一系列新的技术挑战。目前，关于管道冷却输送技术、冻土与管道相互作用、压气站故障影响，以及设计限制、铺设技术、监测系统可靠性等方面的难题，已经有了初步解决策略的构思，将为冻土区的天然气管道建设提供新的技术路线。

当埋地天然气管道运营时，管道周围冻土的热平衡会被破坏。为了研究冻土区新建管道或停输再启动对周围土壤的影响，建立输气管道与冻土相互作用的热-水-力耦合计算模型，利用数值分析方法求解。对不同输运温度、埋深工况下的管道热影响和管道路堤的传热过程进行模拟。研究结果表明：当管温提升时，管道附近1.5 m内有较明显升温，冻土原有稳定性受到较大影响，当管道埋深增加时，横向影响距离变远；管道附近浅层土壤温度、相对饱和度随地表温度周期性变化并有一定滞后；埋深对冻土的自然冻胀的影响大于输送温度对其影响；缓解热影响的管道路堤可以改善有管线的冻土区。

多年冻土区天然气管道管基土冻胀和融沉地质灾害是人们所熟知的威胁管道安全运行的重大风险。受长输管道用管材最低设计金属温度限制,在压气站失效后,气体进行越站输送,由于焦耳—汤姆逊效应,会出现下游管道输气温度低于管材金属最低设计温度的风险。而对于温带地区的管道工程,不会出现类似的技术挑战。以某多年冻土区天然气管道工程为例,从保护多年冻土的角度给出了全线温度分区控制策略及实现途径。采用国际通用水力热力软件SPS对压气站失效后不采取措施和采取诸如提高失效压气站上游压气站出站温度、降低管道输量、额外增设加热站等不同措施下的多种工况进行了定量计算和分析讨论,并初步给出相应的解决方案构想。希望能够补充现有输气工艺理论,为北极和高山多年冻土区天然气管道建设提供新的思路。

多年冻土地区天然气资源丰富,资源勘探开发和天然气外输管道建设日益受到重视。温带地区传统、常规的天然气管道设计、施工、运维方法、技术在多年冻土区遇到很大的挑战。因此,以管道工程设计者的角度,总结多年冻土区天然气管道的设计、施工和项目风险管理3个大项14个子项关键技术,主要包括管土水、热、力耦合系列的管输气冷却技术和传热计算技术,材料、应力系列的管道断裂控制技术和基于应变的管道设计技术,公用配套系列的连续多年冻土接地技术、不连续冻土区阴极保护技术、冻土区站场基础、管道支撑设计技术和建筑物模块化和设备撬装化技术,施工系列的特殊施工装备、冰雪公路修建、低温焊接和焊缝100%检测技术,以及自然环境、社会人文和技术等风险管理技术。希望能够为北极、高山和高原多年冻土区天然气管道建设提供新思路。

通过建立管道与多年冻土热相互作用的计算模型,利用数值分析方法探究了不同管温(输运温度)工况下冷输天然气管道对管周土体冻融过程和多年冻土热稳定性的影响。研究表明:5℃正温输运天然气管道可造成下覆冻土上限下降约11倍管径,管周多年冻土退化严重; 0℃输运会导致管底下部高温不稳定冻土范围扩大,管底土体强度及承载性能降低,不利于保持多年冻土和管道运营稳定性;-1℃和-5℃负温输运可有效提高冻土人为上限,保持管底冻土温度稳定,但-5℃时管道下部土体温度降低明显,可能导致冻胀病害发生。就管周冻土热稳定性而言,在青藏高原多年冻土区采用冷输(负温输送)工艺输运天然气有利于保护管周多年冻土,是可行的。