冻土区埋地油气管道周围土壤水热力三场的耦合机理研究

冻土区油气管道工程是全球性的难题，其主要困扰在于土壤的融沉与冻胀造成的冻害防治。融沉与冻胀过程受控于土壤水分场、温度场和应力场及其变化规律，全面掌握这三场的耦合机制，是解决和防治管道冻害问题的关键。本研究针对融沉与冻胀中复杂的传热、水分迁移及应力引起的土壤变形等过程，基于传热学、渗流力学与冻土力学等理论以及室内模拟实验和现场测试数据，考虑管道与土壤的热学与力学作用，建立冻土区埋地油气管道周围土壤水热力三场的耦合模型；开发能捕捉土壤冻融相变界面并能跟踪土壤变形的移动网格算法，采用有限容积法离散控制方程，提出能求解多变量强非线性方程组的迭代算法；研究土壤类别、含水条件、土壤边界条件、管内介质温度及管道与介质自重等因素对土壤水热力三场分布的影响，对各因素进行敏感性分析，查明管道周围土壤水热力三场的耦合机理。研究成果将为多年冻土区油气管道的设计、建设与安全运行提供理论支撑。

埋地输油管道通常是长距离输送原油的主要方式，但当其穿越冻土地区时，冻土土壤的融沉冻胀特性会严重威胁管道的运行安全，因此，研究冻土区埋地管道周围土壤水热力三场耦合机理以及冻土融沉防治对冻土区管道建设和安全运行具有重要意义。. 本项目开展了冻土区埋地管道周围土壤水热力三场耦合机理研究，主要包括两个方面的工作：（1）不采用热棒技术的冻土区埋地管道周围土壤水热力三场耦合机理研究；（2）采用热棒技术的冻土区埋地管道周围土壤水热两场耦合机理研究。. 将冻土地区土壤作为多孔介质和弹塑性材料处理，全面考虑各种因素，建立了冻土区埋地输油管道周围土壤水热力三场耦合过程的数学模型。采用有限容积方法以及有限元方法对模型进行求解，由于网格系统是一个关键，我们针对埋地输油管道计算区域的不规则性，开发了高质量的非结构化四边形网格生成算法。本项目发展的算法能够将高质量网格比例提高20%以上，并且网格填充效率较高，对同一区域生成非结构化网格数量仅为商业软件Gambit的39%~66%。. 研究了管道运行不同周期下冻土土壤的温度场、含水量分布、土壤孔隙中未冻水的迁移情况以及土壤的应力场。研究结果表明冻土土壤中多物理场之间存在强烈的耦合作用。在管道的热力影响下，周围土壤的温度变化剧烈，土壤含水量的变化和未冻水的对流作用会显著改变土壤的热物性参数和热量分布，从而对土壤温度场造成影响，且二者的耦合作用会使土壤应力场重新分布，对管道结构安全形成潜在的威胁。. 为减轻埋地输油管道周围土壤融沉现象的危害，本项目研究了采用热棒技术进行预防处理的机理和规律。将管道两旁的热棒进行模型简化，建立采用热棒技术的埋地管道周围土壤水热两场耦合数学模型。根据中俄输油管道漠大线沿线现场监测数据，模拟了漠大线冻土区管道运行不同周期下采用热棒技术区域的管道周围土壤温度场、水分场分布。将模拟结果与现场数据进行对比验证，土壤温度最大误差为1.6℃，在可接受范围之内，表明数学模型合理可靠。研究结果表明热棒技术具有明显的降温效果，随着时间的推移，热棒的制冷范围逐渐扩大，对所研究的漠大线平均降温约4℃左右，能够有效的对管道周围冻土融沉现象进行一定程度的防治。