多年冻土地区热油管道敷设的主要问题是多年冻土的融沉造成管道差异性变形,管道壁厚的选择是决定管道项目安全运行和经济投入的重要因素。影响管底多年冻土融化深度的主要因素有油温、冻土含冰量、冻土原始地温以及管道保温层的设置等。冻土的融沉使管道产生了附加的弯曲应力,进而加大了管道承受的有效应力。油压和壁厚很大程度上决定了管道所能承受的最大有效应力,即决定了管道最大允许沉降变形量,因此,增加壁厚可以有效提升管道最大允许沉降变形量。

在寒区埋设热油管道需考虑管道传热对多年冻土地基的侵蚀,采用热棒技术主动降温能有效保护多年冻土地基并使其稳定。通过对管道传热、热棒散热进行基本假设及边界条件的约定,建立热棒-多年冻土-热油管道模型,采用中俄原油管道运行参数,模拟双管并行运行3年管底融化圈变化情况,结果表明1组4根热棒布置方案能将融化圈半径控制在2.2 m范围内,数值模拟分析结果可为中俄二线设计提供参考。

冻土区埋地热油管道最常见的安全问题是冻害破坏。当环境温度降至冰点以下,土壤中水分的冻结将伴随着水分向冻结前锋迁移,产生不均匀冻胀,加之周期性不可逆的冻融循环,极易造成管道失稳甚至破裂。研究管道冻害成因,应先预测埋地管道周围土壤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。采用有限体积法,建立土壤多孔介质水热耦合相变模型,利用SIMPLER算法进行数值求解,为了研究水分对土壤温度场的影响,这里对无水土壤和饱和含水土壤两种极限情况进行对比分析,结果表明:在输油管道运行初期,两种情况土壤温度场接近,随着运行时间的延长,饱和含水土壤温度场偏高,水分迁移和冰水相变对土壤温度场具有一定影响。

基于穿越冻土区埋地管道存在冻害破坏的安全问题,建立了多年冻土区埋地热油管道土壤冻融过程中温度场变化的数学模型。以中俄原油管道沼泽发育冻土区敷设管段为例,地表环境温度采用周期性边界条件,考虑土壤冻结过程中相变潜热对温度场的影响,采用多孔介质模型,利用有限容积法,对有、无保温层条件下埋地管道周围土壤温度场进行数值模拟。结果表明:在有保温层的条件下,管壁热流密度明显降低,且波动幅度减小;采用保温材料有利于降低冻土融化速率,防止冻土退化。

针对多年冻土区埋地热油管道运行环境特点,建立管道停输时非稳态传热模型,利用FLUENT软件数值模拟了不同季节管道停输过程中大地温度场及管内油温随时间的变化规律,结合"焓-多孔度"技术,考虑了凝固潜热和自然对流换热对温降的影响,对管内原油凝固演化过程进行仿真。确定了合理停输时间,为管道安全启动提供理论指导。

根据相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出计算温度场的二维有限元公式,对中国东北多年冻土区运行30年的加热输油管道土壤温度场(融化圈)进行了计算分析和比较。计算结果表明,对于15℃的油温,管顶之上的土壤在管道运行的第1年就达到热平衡状态,同时土壤融化速率在第1年达到最大,随后4年时间里迅速减小,第5年后融化速率变化趋于稳定;管道运行一定时间后,管道周围的融化圈在土壤中随冷暖季节的变化呈交替式的扩展;在管道运行30年后,管底下融深可达到10m以上,这将引起基础融沉、管道变形及多年冻土环境破坏等问题,需引起工程部门的高度重视。