凍土區管道面臨的主要風險與設計方法

董彩虹 張杰 苑仁濤

摘 要：我國是世界上第三大凍土國，凍土地區管道的安全運行對我國能源安全有著重要的意義。基于國內外主要凍土區管道的建設情況，分析了凍土區管道的主要危害：不同特性土壤的差異性凍脹與融沉、季節性土壤溫度變化引起的邊坡失穩滑坡、溫差引起的上浮屈曲。討論了國內外相關的主要研究成果，給出了的凍土區管道設計方法與工程防護措施。

關 鍵 詞：凍土區；管道；風險；工程防護措施

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2015）07-1709-03

The Main Risks and Design Methods for Pipelines

in Permafrost Areas

DONG Cai-hong1，ZHANG Jie 2，YUAN Ren-tao2

（1. China National Petroleum Cooperation Beijing Oil & Gas Control Center， Beijing 100007， China；

2. China Petroleum Engineering Co.， LTD Beijing Company， Beijing 100085， China）

Abstract： China owns the third largest area of permafrost in the word. The safe operation of the oil and gas pipelines in permafrost areas has a great influence on the national energy security. Based on the reviews of the existed pipelines in permafrost areas and research results， frost heave and thaw settlement， thaw slumping， upheaval buckling are demonstrated as the three main threats for pipelines in permafrost areas. Design methods for these circumstances are concluded. At last， some engineering treatment measures are also suggested.

Key words： Permafrost areas； Pipeline； Risks； Engineering protection measures

我國是世界第三凍土大國，分布在東北、西北、青藏高原等地區的多年凍土面積占國土陸地面積的21.5%。中俄原油管道、西氣東輸天然氣管道、格爾木-拉薩成品油管道等均穿越多年凍土地區。凍土區由于其多變的地質環境使得管道長期處于復雜的受力狀態，易發生事故。格拉成品油管線自投運以來，凍土區管道發生穿孔泄漏事故30多起[1]。

本文基于國內外凍土區管道的研究成果，分析了凍土區管道建設與運行過程中面臨的主要風險，討論了國內外學者針對凍土區管道設計提出的一些方法，給出了凍土區管道設計施工時的一些建議措施，對保障凍土區管道的安全運行有一定的參考價值。

1 凍土區管道面臨的主要風險與研究方法

穿越凍土區管道的管體溫度和季節性溫度變化會影響管道周邊凍土層的溫度場分布，從而改變凍土的物理狀態，使其發生凍結或融化。凍土的不同的狀態會對管道造成不同的影響，根據管道的失效形式，凍土的主要危害主要體現在以下方面：凍土的凍脹會引起土體的膨脹而使得管道翹起而產生彎曲失效；局部凍土的凍脹與溫度應力效應的綜合作用會使得管道發生上浮屈曲；凍土的融沉會使得輸油管道產生大跨度的漂浮導致管道拉斷；處于邊坡的管道容易因為凍土的受熱融化而失穩產生拉伸或屈曲破壞。國內外學者針對凍土區管道的不同失效

1.1 差異性凍脹及融沉

在外界溫度的交替作用下，凍土區管道需要承受凍脹和融沉的雙重作用的挑戰。由于凍土性質的復雜性，使得差異性凍脹與融沉下管道的應力應變計算存在以下幾個難點：管土作用方式的復雜性；凍土凍脹量求解的復雜性；多場相互作用的復雜性。

在管土作用方面，工程上經常使用的ASCE“埋地鋼管的設計導則”[2]中提供的土彈簧計算方法對凍土不能適用，顧曉婷，張宏[3]通過實際管溝截面內的平面應變有限元分析給出了凍土區管道水平方向和垂直方向土彈簧的一種簡化方法。該方法簡化了管土作用方式，使得管道的應力應變分析簡化。Liu， B.等人[4]進行了凍土管道上浮阻力的數值分析。給出了管道在凍土區上浮時土壤阻力的一種數值算法。

在凍土凍脹量的確定方面，帥健[5]總結了多年凍土區埋地管道土體凍脹量的計算方法。凍脹量由原位凍脹量和分凝勢凍脹量求和得到。

在多場耦合分析計算方面，李勇浩[6]采用理論分析與數值模型相結合的方法，考慮溫度對土壤特性的影響，對凍脹作用下管道進行了有限元分析，以中俄原油管道為例進行了分析計算，給出了壁厚的選擇方法。

目前，差異性凍脹和融沉作用下管道的設計計算主要使用數值分析方法，由于其問題的多重復雜性，還需要進行大量的進一步研究。

1.2 邊坡熱融滑移

凍土區邊坡在較高的溫度下會由于融凍而產生泥流，這種泥流會產生類似于滑坡一樣的作用，在管道內產生較大的拉壓應變，對管道存在的巨大的危害。

Rajani， B. B.等人[7]建立了受到橫向和縱向的土壤運動作用下管線應力應變的簡化設計方法。該方法可以借鑒到熱融滑移中來，但由于其給出了較多的簡化所以存在一定的誤差。王國麗等人[8]，建立了滑坡作用下管道應力應變計算的二維有限元模型，模型考慮了土壤參數，管道運行參數的影響。顧曉婷[3]基于非線性有限元方法，給出了三維的山體熱融滑坡對管道作用的數值計算模型，模型能考慮滑坡在空間內對管道的作用，更貼合實際。

凍土區邊坡的熱融滑移與山體滑坡有一定的相似性，在研究方法上可以借鑒。而基于有限元方法的數值模型能夠準確的得到管道的應力應變反應，適合工程使用。

1.3 局部凍脹引起的上浮屈曲

當埋地管道的輸送介質或者工作溫度大于施工溫度時，管道將受軸向壓應力作用而可能產生軸向失穩彎曲。由于土壤阻力的原因，該失穩屈曲往往是向上的，從而形成上浮屈曲。

國內外大量學者進行過一般管道的屈曲分析，但對于凍土區管道屈曲問題的研究相對較少。其中，Palmer等[9]定性討論了管道有局部凍脹上浮位移時的屈曲機理，論述了凍土區管道屈曲變形的特點及與Eular失穩的不同。其建立了管道屈曲彎曲微分方程，討論內壓作用下，由于局部凍脹使管道彎曲而產生屈曲的臨界曲率。Nixon等人[10]討論了加拿大Norman Well凍土管線上浮屈曲現象，認為上浮屈曲是由于管道局部發生一定凍脹位移使得管道發生初始彎曲后在軸力作用下引起的，沒有相應的分析計算。王麗等人[11]基于能量法建立了局部凍脹作用下管道的撓曲線方程，得到了管道臨界溫度載荷的求解方法，但其沒有考慮管土作用的非線性，存在一定的缺陷。

由于凍土管道失穩屈曲問題計算分析的復雜性，目前還缺乏完善的模型和計算分析方法，大量研究都是在對模型大量簡化的基礎上進行分析，或采用有限元數值計算方法。還需要進行大量的研究。

2 穿越凍土區管道的設計方法

2.1 凍土區管道失效評定準則

由于凍土區管道復雜的失效形式，所以在不同情況下應該對其選用不同的失效準則。凍土區差異性凍脹和融沉，邊坡的熱融滑移都體現為以位移控制為主的載荷，在大位移作用下無法保證管道一直處于彈性狀態，這種情況下管道應該采用基于應變的失效準則[12]。凍脹區的局部凍脹會引起管道的上浮屈曲，這種情況下管道的狀態主要受溫度導致的管道軸向力控制，所以需要保證管道的軸向力小于臨界屈曲載荷，這時需要采用基于應力的失效準則。

2.2 凍土區管道防護的主要措施

國外如加拿大，美國等國家在凍土區建設輸油管道已有幾十年的歷史[13，1]，在管道的設計、施工、運行管理、實施監控和應急處理上都積累了豐富的經驗。而年來國內多家單位進行的凍土區管道工程也開展了大量的研究。其中針對凍土區管道的防護措施主要從以下幾個方面考慮：

1）敷設方式的優化

根據阿拉斯加管道的建設經驗，凍土區管道可實行三種敷設方式：埋地敷設、管堤敷設、架空敷設。

2）隔熱措施

隔熱措施包括兩個方面，第一、通過增加保溫層，隔熱板等方法對管道與周圍土壤的隔熱，減少管道溫度對凍土區的影響；第二、對易產生熱融滑移的邊坡，在土壤表面設置隔熱材料預防其受熱融化。

3）水工與土工措施

對凍脹融沉嚴重地區要增加排水裝置，降低地下水位。在管溝回填時，要采用對凍脹和融沉不敏感的土壤或材料對原場地土進行替換。

4）提高管道的強度 （下轉第1714頁）