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(qū)管道的安全運行對我國能源安全有著重要的意義?；趪鴥?nèi)外主要凍土區(qū)管道的建設(shè)情況，分析了凍土區(qū)管道的主要危害：不同特性土壤的差異性凍脹與融沉、季節(jié)性土壤溫度變化引起的邊坡失穩(wěn)滑坡、溫差引起的上浮屈曲。討論了國內(nèi)外相關(guān)的主要研究成果，給出了的凍土區(qū)管道設(shè)計方法與工程防護措施。

關(guān) 鍵 詞：凍土區(qū)；管道；風(fēng)險；工程防護措施

中圖分類號：TE 832 文獻標(biāo)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(qū)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(qū)。凍土區(qū)由于其多變的地質(zhì)環(huán)境使得管道長期處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，易發(fā)生事故。格拉成品油管線自投運以來，凍土區(qū)管道發(fā)生穿孔泄漏事故30多起[1]。

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

1 凍土區(qū)管道面臨的主要風(fēng)險與研究方法

穿越凍土區(qū)管道的管體溫度和季節(jié)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(tài)，使其發(fā)生凍結(jié)或融化。凍土的不同的狀態(tài)會對管道造成不同的影響，根據(jù)管道的失效形式，凍土的主要危害主要體現(xiàn)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(chǎn)生彎曲失效；局部凍土的凍脹與溫度應(yīng)力效應(yīng)的綜合作用會使得管道發(fā)生上浮屈曲；凍土的融沉?xí)沟幂斢凸艿喇a(chǎn)生大跨度的漂浮導(dǎo)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(wěn)產(chǎn)生拉伸或屈曲破壞。國內(nèi)外學(xué)者針對凍土區(qū)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(qū)管道需要承受凍脹和融沉的雙重作用的挑戰(zhàn)。由于凍土性質(zhì)的復(fù)雜性，使得差異性凍脹與融沉下管道的應(yīng)力應(yīng)變計算存在以下幾個難點：管土作用方式的復(fù)雜性；凍土凍脹量求解的復(fù)雜性；多場相互作用的復(fù)雜性。

在管土作用方面，工程上經(jīng)常使用的ASCE“埋地鋼管的設(shè)計導(dǎo)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(nèi)的平面應(yīng)變有限元分析給出了凍土區(qū)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(yīng)力應(yīng)變分析簡化。Liu， B.等人[4]進行了凍土管道上浮阻力的數(shù)值分析。給出了管道在凍土區(qū)上浮時土壤阻力的一種數(shù)值算法。

在凍土凍脹量的確定方面，帥健[5]總結(jié)了多年凍土區(qū)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(shù)值模型相結(jié)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(shè)計計算主要使用數(shù)值分析方法，由于其問題的多重復(fù)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(qū)邊坡在較高的溫度下會由于融凍而產(chǎn)生泥流，這種泥流會產(chǎn)生類似于滑坡一樣的作用，在管道內(nèi)產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變的簡化設(shè)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(yīng)力應(yīng)變計算的二維有限元模型，模型考慮了土壤參數(shù)，管道運行參數(shù)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(shù)值計算模型，模型能考慮滑坡在空間內(nèi)對管道的作用，更貼合實際。

凍土區(qū)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(shù)值模型能夠準(zhǔn)確的得到管道的應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)，適合工程使用。

1.3 局部凍脹引起的上浮屈曲

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

國內(nèi)外大量學(xué)者進行過一般管道的屈曲分析，但對于凍土區(qū)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(qū)管道屈曲變形的特點及與Eular失穩(wěn)的不同。其建立了管道屈曲彎曲微分方程，討論內(nèi)壓作用下，由于局部凍脹使管道彎曲而產(chǎn)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(xiàn)象，認(rèn)為上浮屈曲是由于管道局部發(fā)生一定凍脹位移使得管道發(fā)生初始彎曲后在軸力作用下引起的，沒有相應(yīng)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(wěn)屈曲問題計算分析的復(fù)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(chǔ)上進行分析，或采用有限元數(shù)值計算方法。還需要進行大量的研究。

2 穿越凍土區(qū)管道的設(shè)計方法

2.1 凍土區(qū)管道失效評定準(zhǔn)則

由于凍土區(qū)管道復(fù)雜的失效形式，所以在不同情況下應(yīng)該對其選用不同的失效準(zhǔn)則。凍土區(qū)差異性凍脹和融沉，邊坡的熱融滑移都體現(xiàn)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(tài)，這種情況下管道應(yīng)該采用基于應(yīng)變的失效準(zhǔn)則[12]。凍脹區(qū)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(tài)主要受溫度導(dǎo)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(yīng)力的失效準(zhǔn)則。

2.2 凍土區(qū)管道防護的主要措施

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

1）敷設(shè)方式的優(yōu)化

根據(jù)阿拉斯加管道的建設(shè)經(jīng)驗，凍土區(qū)管道可實行三種敷設(shè)方式：埋地敷設(shè)、管堤敷設(shè)、架空敷設(shè)。

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(qū)的影響；第二、對易產(chǎn)生熱融滑移的邊坡，在土壤表面設(shè)置隔熱材料預(yù)防其受熱融化。

3）水工與土工措施

對凍脹融沉嚴(yán)重地區(qū)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(zhuǎn)第1714頁）