寒区埋地石油管道冻害预报与优化设计研究

冻害是寒区石油管道建设和运营所面临的关键问题。运用传热传质学、冻土学、冻土力学及渗流理论，考虑管道与土体间的对流换热、土体相变、渗流等因素，建立温度场、渗流场及应力场耦合的寒区埋地石油管道冻害预报模型，导出该模型的控制微分方程，应用伽辽金法导出该问题的有限元公式，编制计算机预报软件。采用自适应方法，以强度为约束，计算出考虑冻胀的管道最小安全埋深，以此为约束，计算出保障管道安全的最小保温层厚度。利用优化设计理论，建立考虑埋深、保温厚度等因素的寒区石油管道的优化设计模型，采用微粒群算法与混和离散随机变量搜索法进行模型求解，编制优化设计软件。根据相似理论进行大型室内模拟试验，对理论模型进行验证并加以改进。考虑积雪及气候变暖影响，对中俄原油管道工程进行冻害预报分析，提出控制不良变化的方法措施，保障工程安全和保护冻土环境。研究成果可为寒区管道工程冻害预报、防治、优化设计及规范修订提供科学依据。

运用传热传质学、冻土学、冻土力学及渗流理论，建立了温度场、渗流场及应力场耦合的寒区石油管道冻害预报模型。建立了考虑管道所受的冻胀力和保温层的优化设计模型，并根据优化设计模型对中俄原油管道进行了优化模拟计算。计算结果表明：在考虑大兴安岭气候条件下，输油管埋深为2.026m，保温层的厚度取0.099m时，则输油管经过10年的运营后，当地温达到最大冻结深度时，输油管的内壁温度仍然维持在5.935℃左右，能避免石油凝管事故发生。依据相似理论对优化设计模型进行了室内模型试验，结果表明：根据优化设计结果为参数依据的模型试验结果与优化设计模拟结果相差很小。根据管道受力平衡推导出了埋设深度计算公式。根据不同场地情况给出了管道设计方案。根据不同病害类型研发设计了多种病害治理技术。包括分层保温排水结构，U型管道通风制冷结构，管道防冲刷结构等。