凍土區管道的設計方法與防治措施淺析

摘 要：本文介紹了凍土區管道的設計方法及防治措施。由于凍脹和融沉的因素，凍土區管道設計是涉及多學科、多專業的復雜科學。應采取各種措施，減少管道與相壤的相互作用，實現管道安全運行與環境保護的有機結合。

關鍵詞：凍土區;管道;設計方法;防治措施;淺析

1 前言

隨著油氣管道建設的發展，越來越多的管道在凍土區建設，如中俄東線（黑河--長嶺段）天然氣管道、漠大原油管道，均有大量的管道敷設在多年凍土區或島狀多年凍土區，這就提出了凍土地區管道敷設的現實問題。

凍土是指零攝氏度以下，并含有冰的各種巖石和土壤。凍土的分類很多，常見分類為：按照凍結的持續時間可分為：暫時性凍土，即受天氣變化影響，暫時凍結，不久便融化的土壤或疏松巖石層;季節性凍土，指冬季凍結、春季融化的土壤或疏松巖石層。其凍土層深度由自然地理條件和土壤物理特性等因素決定;多年凍土，又稱“永久凍土”，指多年連續保持凍結的土壤和疏松巖石;按空間分布可分為連續凍土和不連續凍土。永凍層的深度自10余米至200余米不等，其上部冬凍夏融，稱之“活動層”。活動層的厚度隨土質而異。地球上多年凍土的面積約占陸地總面積的20-25%，主要分布在俄羅斯和加拿大。中國多年凍土面積占全國面積的22.3%，主要分布在東北北部山區、西部高山與青藏高原。

2 凍脹機理

凍土區別于其他土壤的的最大特點是具有凍結作用。凍結效應產生凍脹和融化減弱兩種現象。凍土中的水在冬季結冰，地面因冰透鏡體的積聚而上升，這種現象叫做凍脹。當春天的溫度升高時，凍結過程產生的積冰開始融化。如果融化的水不能迅速消散，土壤就會變濕，強度的降低和地表的沉降稱為融化減弱。由融化減弱引起的土壤下沉稱為融沉。

凍脹可歸因于冰透鏡聚集的過程。當溫度降到水的冰點以下時，土壤孔隙中的水開始變成冰。在冷吸力作用下，周圍毛孔或未凍結水中的游離水形成冰透鏡，只要不中斷供水，冰透鏡就會繼續生長。如果冰透鏡的生長導致足夠大的膨脹壓力使土壤顆粒向上移動，則會觀察到表面的膨脹。冰透鏡體垂直于熱流方向，由原位凍脹土周期性地形成和分離。

人們已經提出了各個凍脹模型，包括表面張力模型、剛性冰模型、半經驗模型、水動力模型和熱力模型。這些模型在研究凍土的本質中發揮了重要作用。工程中一個著名模型叫做分凝勢模型，它是一種半經驗模型。分凝勢的概念是由Konrad和Morgenstern在1981年提出的。在忽略積土壓力的情況下，他們研究了正凍土柱中的準穩定條件，得到了凍結緣中的液體入流速度與估算的溫度梯度之間成正比例關系，其比例系數稱作分凝勢，即[1]：

式中，V0為入流速度，SP0為分凝勢。

差異凍脹和融沉是寒冷地區建筑破壞的主要原因，是橫向不均勻膨脹或沉降。當凍土為凍敏土時，其毛細孔隙具有較高的滲透性，更有利于水分遷移和冰透鏡體的形成，導致較大的凍脹。此時，凍土區的道路、鐵路和長輸管道更容易受到損壞。

3 凍土區管道的設計方法

凍土區管道的設計不同于其他地區管道的設計，需要特別考慮輸送溫度、凍脹和融沉、工程對凍土的擾動、管道施工、管道維護等。它是一個包括凍土學、傳熱學、油氣儲運和材料力學等多學科為一體的復雜系統。從以下幾個方面進行說明，圖1對其進行了歸納。

3.1 基礎數據采集

這部分包括：①研究凍土區的分布，尤其是凍土土質發生變化的區域;②獲取沿線氣象數據，四季氣溫的變化、極端氣溫等;③管道作業帶測量，可以采用現場測量或航拍;④地質分析，對凍土區管道設計是最基礎和重要的一環，需要進行現場鉆孔取樣。

3.2 工藝系統分析

工藝分析系統是管道設計的基礎，包括輸送工藝、設計壓力、設計溫度和管道材質的確定。輸油管道可以考慮保溫管道輸送，輸氣管道可以常溫輸送。通過設計壓力和設計輸量等進管材進行經濟比選。敷設方式要結合地質情況具體問題具體分析。

3.3 凍土工程分析

對管道周圍溫度場進行分析，該部分是分析管道受力的基礎。管道周圍穩定溫度場的形成是一個逐步發展的過程，應考慮周期性氣溫變化的影響。

3.4 應力分析（結構）

通過ANSYS等有限元軟件進行建模分析，確定管道的受力、管道的應變，提出管道應變指標。管材的應變能力是必須考慮的內容。目前，基于應變的管道設在管道設設中已經采用，其適合大應變管道的設計。

3.5 環境影響評價

由于凍土的形成是漫長的過程，凍土的環境具有極強的敏感性。管道設計人員要分析工程可能的環境影響，包括施工及運行過程，并提出適當的保護措施。在施工過程中，必須嚴格限制工程的范圍。

4 凍脹的防治措施

凍脹的防治應從兩個方面著手，一是從凍土本身，二是從管道設計。

4.1 凍土方面

凍脹的發生需具備一定的條件：凍結敏感土壤、水分供應和凍結溫度，三者缺一不可。因此，可以從其中一個或多個方面進行控制。

4.1.1 土壤換填

用不凍脹或弱凍脹土替換凍結敏感土壤。在漠大原油管道工程中多處采用了土壤換填的處理方法。

4.1.2 排水法

通過排水降低地下水，或者將地表水引至遠離管道的區域。這種方法可有效抑制冰透鏡的形成。

4.1.3 物理化學法

在土壤中加入鈉鹽，可以降低水的凍結溫度，減弱土壤的凍脹。同時還有夯實土壤，減少孔隙率的方法。

4.1.4 熱管法

美國的阿拉斯加原油管道沿線鋪設了大量的熱管。即可以防止凍土融化，又可防止管道支架下沉，對我國的凍土區管道建設具體供鑒意義。

4.1.5 隔熱法

在凍土中加設保溫層，降低溫度變化幅度。但此種方法會對凍土地區的環境產生一定影響。

4.2 管道設計方面

從管道設計來講，減少管道對凍土的影響是一種可行的方法。在輸油管道外加設保溫層會大大減小管道對周圍溫度場的影響，減弱水分的遷移。施工中要確保防腐保溫的質量，防止保溫層進水而使保溫層失效。

綜上所述，凍土區管道的設計要充分掌握凍土的凍脹機理，減少管道與相壤有相互作用，提升管道自身應變能力，并采取一系列經濟可行的、對凍土環境影響的防治措施，實現管道安全運行與環境保護的有機結合。

參考文獻：

[1]于愛新.凍土區管道基于應變的設計方法研究[M].北京：中國石油大學，2008.