多年冻土区差异冻融条件下埋地管道热-力耦合分析及安全性评价

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在多年冻土地基上铺设正温运送油气资源的埋地管道时,管道与冻土之间的相互作用成为最大的难题。随着全球气候变暖,多年冻土季节活动层逐渐变厚,冻土上限也逐渐下降。由于进入冬季后季节活动层逐渐冻结且输运管线埋深较浅,冻土与管道在特殊地形和周围土体的影响下发生相互作用。在不断经历长时间的冻融循环变化后,多年冻土对埋地管道表面作用的冻胀力容易发生差异冻融,导致埋地管道变形甚至会由于挠度过大而破坏。为准确的计算多年冻土区埋地管道在差异冻融作用下的应力变形情况,分析各因素对埋地管道的影响程度,科学地评价差异冻融条件下埋地管道的安全性,本文以我国西北部某多年冻土区埋地管道的现场监测为背景,主要进行以下研究:(1)温度场数值计算。以冻土热力学知识为基础,综合考虑全球气候变暖和冻土相变等因素,结合现场监测与调查结果,建立多年冻土区埋地管道的三维有限元模型,利用有限元软件中瞬态分析方法计算模拟50年内管-土体系温度场。结果表明,位于管道下方的土体融化深度最大,融化深度可达6.5m。多年冻土区埋地管道随时间变化主要分为四个不同的阶段。对比计算结果与实测结果发现二者误差较小,基本吻合,可以较好地模拟该地区管土体系温度场的长期变化;(2)热-力耦合有限元计算。根据温度场计算结果,综合考虑了冻胀系数、融沉系数和管土材料物理力学参数等的影响,计算了多年冻土区埋地管道在差异冻融条件下管土位移及管道应力大小和分布规律。同时对管道直径、输送介质压力、管道壁厚等管道材料参数进行不同工况的计算。结果表明,在特强冻胀条件下管道顶部等效应力达到449MPa,十分接近管材的屈服应力(450MPa),埋地管道在未进行保护措施的情况下极易发生破坏。增大管道半径对管道的应力变形起到良好的控制作用;在一定内压约6MPa左右范围,管道的等效应力相比于无内压管道明显减小。管道壁厚对埋地管道的应力变形影响较小;(3)安全性评价。在综合分析各影响因素的作用后,本文运用了两种冻土区差异冻融条件下埋地管道安全评价方法,第一种方法在分析数值模拟结果后得出了管道顶部最大等效应力与竖向位移间的关系,提出基于管道竖向位移来判断管道安全状态的评价方法。第二种方法运用层次分析法(AHP)和模糊数学理论对埋地管道的安全性能进行综合评价,建立二级模糊评价模型,将12个影响管道安全性的主要因素加入模型中,给出了各影响因素的隶属度和界限值。利用本文工程条件以及格拉线某管道位置进行安全性评价计算,结果表明,本文埋地管道状态为安全性一般~较安全状态,格拉线昆仑山段管道某点状态为较不安全~安全性一般状态。
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