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摘要：本文主要基于某穿越公路埋地原油管道工程，对其在冻土区的热力变形规律进行了研究，旨在为相关工作者提供一定的借鉴与参考。
关键词：埋地长输管道；冻土区；热力变形规律
多年冻土区、季节性冻土区均为寒区，在寒区，有着十分之发达的油气储备量，那么该如何将这些难以完全开发利用的油气资源利用到极致，当务之急就是要采取合适的方式通过输油管道将其运输出来，因而，这些管道必须穿越冻土。本文基于某穿越公路埋地原油管道工程，对其在冻土区的热力变形规律进行了研究。
1.工程概述
本工程为我国北方冻土区的某原油管道工程，该工程穿越公路，一年的运输油量可达到2 550万t之多，管道的设计压力为8.5 MPa，管道的设计管径为920 mm，在局部特殊地方，管道的压力可达9.5 MPa，由于管道内部所受到压力不是很均匀，因此对于管道壁的厚度也有着严格的要求，8.5 MPa的所对应设计的钢管壁厚度为13.5mm，9.2MPa所对应的钢管壁厚度为15.5mm，而对于局部特殊地方，即管道压力为9.5 MPa时所对应的钢管壁厚度为16.2 mm。而在这管道工程中，全线管道采用的监控系统均是SCADA系统，且运输油气的工艺流程是一个常温密闭的环节。
2.穿越公路埋地长输管道在冻土区的热力变形规律
2.1管道底部的 融化深度的对比分析
图1为在平均油温为10.5℃，管顶埋深2.05m，在没有任何保温措施下，管道所处的不同地区的最大融化深度随着时间变化。当时间增加，处于高温冻土区的管道底部最大融化深度与低温冻土区的有着显著差异，在第5年，最大融化深度分别为5.10 m、4.26 m，高温冻土区比低温冻土区高出16.47%，在第50年，两者的最大融化深度分别为6.00 m、4.75 m，高温冻土区比低温冻土区高出20.83 %，当管道周围的冻土的性质的不同，在管道四周，土壤温度差有着十分大的差异；管道对低温冻土区的温度场具有较小影响，需要采用其它降温吸热措施或铺设保温层来对管道周围冻土层进行保护，从而确保输油管道安全运营及热稳定性。
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图1 不同地区管道底部的融化深度
2.2减小管道对多年冻土扰动的措施分析
图2为管顶埋置深度为2.05 m，管道敷设保温材料8.2 cm。与无保温层相比，当管道铺设8.2 cm保温层材料时，在高温冻土区和低温冻土区，第10年的最大融化深度分别为3.65 m、4.32 m，第50年分别为4.05 m、4.6m，相比于未铺设保温层，在第50年，其最大融化深度分别为5.25 m、6.21 m，减小22.26%、25.0%，这说明通过保温材料的铺设，高温冻土区的最大融化深度可得到有效减小。
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图2 有无保温材料时的最大融化深度
图3为管道敷设保温材料8.2 cm，管顶埋置深度为2.05m与仍未铺设保温层时的最大融化深度对比图。在埋深度为0.81 m时，高温冻土区和低温冻土区的最大融化深度均比深埋2.05 m要小；在高温冻土区，第5年最大融化深度分别为4.58 m、4.28 m，第50年分别为5.52m、4.65 m，深度为2.05 m增加了17.03%、深度为0.81m增加了7.96%，这显示当运油管道在高温东区区域的时候，要适当的减小埋管的深度，尽可能的降低管道融化程度，使得冻土区域效果更佳；而处于低温冻土区，减小管道顶部埋置深度，对冻土区的效果则相对较差。
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图3 不同埋深条件下最大融化深度对比
表1为外层等温线距管道中心的距离，保温层厚度分别为2.2、5.2、8.2 cm，由表2知：在第5年、第20年、第50年，随着保温层厚度的增加，外层等温线距管道中心的距离逐渐减小，分别从无保温层时的5.54,4.97、4.67 减小到保温厚度为8.2 cm的2.43、2.03、1.87，分别减小了56.14%、59.15%，59.96%，这表明随着时间的延长，外层等温线距管道中心的距离变化较小，且由于管道向外不断进行热量散发，最外层温度会逐渐升高，保温层越厚，冻土受到铺设输油管道的破坏性越小。
表1 外层等温线距管道中心的距离
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2.3多年冻土的最大 融化深度对比分析
图4为管道埋深2.05 m，年平均温度-3.7C，平均油温10.5 C，保温层厚度分别为2.2、5.2、8.2cm时，管道底部最大融化深度随时间的变化图。在铺设保温层后，管道底部最大融化深度能有效减小，保温层厚度越大，最大融化深度就越小。在保温层厚度从0 cm增加2.2 cm时，在第50年，最大融深从4.75 m减小到4.25 m，保温层每增加1 cm，最大融化深度就减小0.23 m；当保温层厚度从0cm分别增加到5.2、8.2 cm时，在第50年，最大融深分别为4.75 m减小到4.02、3.90 m，保温层每增加1 cm，最大融化深度就分别减小0.14 m、0.10 m；这表达了一点即并不是保温层的厚度越大，其最大融化深度就越小，因此，通常情况下保温层铺设厚度为5.2～8.2 cm，因在高温冻土区，管道对其具有较大的扰动，所以保温层的厚度要大于8.2 cm。当在管道外围进行保温层的铺设，不仅可以大幅度的降低管内热量的损耗，同时也保护了周围的冻土层的融化，确保管道安全运行，同时将输送成本降低。
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图4 不同保温层厚度条件下的最大融化深度
图5为保温层厚度和输油管道底部最大融化深，度的关系，由图7知：管道在同一运行时刻，管道底部的最大融化深度随着保温层厚度的增加明显减小。
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图5 最大融化深度与保温层厚度的关系
3.结束语
在高温冻土区，融化速率均大于低温冻土区；通过保温材料的铺设，高温冻土区的最大融化深度可得到有效变小。而在高温动图地区，采取减小管道顶部埋置的深度可以很大程度上降低管道底部的最大融化深度，对于冻土区域这一方式有着显著成效。
随着时间的延长，外层等温线距管道中心的距离变化较小，且由于管道向外不断进行热量散发，最外层温度会逐渐升高，保温层越厚，冻土受到铺设输油管道的破坏性越小。
通常情况下保温层铺设厚度为5.2 - 8.2在高温冻土区，管道对其扰动较大，保温层大于8.2cm时，。当在管道外围进行保温层的铺设，不仅可以大幅度的降低管内热量的损耗，同时也保护了周围的冻土层的融化，确保管道安全运行，同时将输送成本降低。
参考文献：
[1]安治国，李钧，李洪亮，高永东.穿越公路埋地长输管道在冻土区的热力变形规律研究[J].公路工程，2018，43（01）：118-122+185.
[2]王晖，臧炯杰，王长祥.大直径直埋热力管道局部稳定性因素影响分析[J].特种结构，2018，35（01）：72-76.