为了治理冻土区埋地油气管道管沟融陷工程病害,通过对管道病害现场调查,结合现场地质勘探、含水量试验测试及管周土体温度监测,分析了融陷病害的发生机理,并结合管沟融陷形成因素,提出了相应的防治措施。结果表明:冻土区埋地油气管道管沟融陷病害的发生与地层土质、土体含冰量、冻土类型、管道热扰动及施工方式等因素有关;冻土区埋地油气管道的敷设应选择合理的施工季节,综合分析冻土环境因素,确定合理的管道埋设深度,设置管道隔热保温措施,加强管道运行状态监测和科学管理,从而保证管道安全运行。研究成果可为冻土区埋地油气管道的设计、施工及安全运营提供借鉴。(图3,表1,参19)

为了确保油气管道在冻土区的安全铺设,采用ANSYS有限元分析法以及理论计算的方法,对冻土区的管道破坏特征进行研究,研究了冻土的冷生构造分类、油气管道失效因素以及管—土相互作用、管道周围冻土温度场,油气管道的纵向温度场的分布等。研究得出:随着深度的增加,各点土层的最低温度逐渐变小,最高温度逐渐变大,符合低温变化规律;不同深度处地温随大气变化情况符合正弦周期变化,而且随着深度增加,各曲线振幅随深度增加,出现衰减。模拟可知,最大压应力发生在距离67.5 m(分界面距右2.5 m处)处的管顶;最大拉应力发生在距离61.5 m(分界面距左3.5 m处)处的管顶。对于不同厚度的冻土,应采取相应措施,避免冻胀与融沉现象的发生,从而更好的指导冻土区管道的设计、施工以及维护。

近年来,随着冻土区油气资源的开发和利用,冻土区管道运输受到越来越多地关注。由于冻土区域地质与环境的特殊性,对管道运行具有严重的不利影响,因此,对冻土区域的油气管道事故进行分析显得尤为重要。对近年来美国与加拿大输油气管道事故进行数据统计与分析,比较冻土区与非冻土区管道事故的区别与联系;参考相关文献,将冻土区管道事故原因分为7类:融沉、冻胀、冰堵、露管、地震、滑塌、洪水。对此数据进行统计与分析为我国冻土区的油气管道事故分析、应急处理、风险管理等提供参考,也为冻土区管道的设计、施工及其冻害防治等提供科学依据。

为节约用地,方便管理,应尽可能减小拟建管道与已建管道的并行间距。但是,管道并行敷设的距离太近会对相邻管道的安全构成威胁。另外,过近的管道间距对于管道抢修也有影响。因此,合理确定两管道最小安全间距尤为重要。确定管道并行间距时应充分利用在役管道建设形成的管廊带。结合以往工程经验,经过调研、比选及论证认为,林区、多年冻土区并行敷设管道间距10 m较为合理。在施工中,确保管道爆破施工符合相关规范要求,综合应用先进的爆破器材和毫秒延时爆破技术可实现近距离(不小于10 m)在役管道爆破作业。随着项目的进展,应对控制爆破方案进行更加深入的研究,将不同间距下的施工、运行费用纳入技术经济比选范围,经综合分析后最终确定最为合理的并行间距及施工措施。

在国内外油气管道建设中,部分管道要穿越冻土区,对管道保温技术提出了更高的要求。国内在这方面的研究工作与国外相比,存在较大差距。文章以漠河-大庆段原油管道为例,介绍了国内保温管道预制和补口技术;以阿拉斯加原油管道为例,介绍了国外架空和埋地管道保温技术;从保温材料和生产线、保温热力学分析和软件开发等方面介绍了国外保温技术的新进展;最后着重分析了管道补口施工过程中存在的问题,提出了改进建议。

油管道运行过程会干扰土壤温度和水分的自然运移,为了使水热迁移对冻土状态施加的扰动更为形象化,对冻土力学变化进行数值分析。对水热迁移引起的冻土骨架、孔隙结构的小范围变化进行分析。根据模拟计算结果,水热迁移对冻土施加的作用直观表现为:在环境气温低的月份,冻土应力增大,应变减小;在环境气温高的月份,冻土应力减小,应变增大;这种趋势源于环境气温变化对管道与冻土交互换热幅度及冻土水热运移状态的改变。本质原因:随温度上升,孔隙内的胶质结构被破坏,孔隙结构被挤压变形,表现为孔隙度、孔径变小,水分运移加速,对冻土骨架产生应力、压力作用,同时降低骨架强度。