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对于在冻土区域的石油管线的热分析

对于埋藏在冻土之下的管线,在运行期间最主要的危险表现形式在于管道周围的融泡。这种现象会引起大范围的融化沉降。

 
在永冻土区域的油管运作
 

如果没有适当的工程测量,这会不可避免的导致修复管线附近破坏区域的开销。一个侧向生长的融泡对于靠近管线的物体来说也会是非常危险的:输电线路,旁边的公路等。

 
热工过程在土地中的建模与计算
 

评定工程测量可靠性的最好方法是通过计算机仿真。为了确保计算石油管线对永久冻土热冲击的准确性,以下的关键因素需要考虑:

 

  • 仿真物体的实际几何尺寸。
  • 土地的不规则地质和岩性结构,包括冰楔。
  • 由于相变导致的土地热物理性质的改变。
  • 土地冻结和解冻速率。
  • 气象学条件随时间的改变
  • 隔热材料的存在。
  • 管线隔热材料的厚度与类型。
  • 石油流过管道的温度和速度。
  • 管线所在的沟渠的结构特点。

 

Frost 3D Simmakers 公司出品的Frost 3D 与其他市场上已有的任何软件都不一样,因为它能够预测管线附近融泡的形成,考虑到上面所列的参数。

 

Frost 3D囊括了所有现代客户对于进行热分析的要求:准确度,速度和结果的可看性。

 

在Frost 3D中进行的冻土中的石油管线的热冲击的样例计算

 
问题陈述
 

为了计算由于在冰楔上的管线带来的热冲击融泡的形成,时间为从2011年9月开始算起的2年。而要计算的那条管线是东西伯利亚—太平洋的主要输油管(ESPO-1)。

 

ESPO-1的部分管线。这片区域有着温度为-1.1oС的永冻土壤,而其地下冰储量有着多达4m的厚度。

 
目标
 

要测定冻土学意义上的危险,并以数字形式表达埋在有着冰楔的地形里的地下管线周围的融泡的大小。

 
创新
 

在对埋在有着冰楔的地形里的管线周围的融泡三维重建进行数值估算时,同时考虑到了几个因素:随时间变化的气象条件,流通石油的速度和温度,管线隔热材料的厚度和类型,以及管线所在的沟渠的结构特点。

 
數學模型和數值方法來實現
 

问题的解需要使用非线性热方程。欲知更多细节,请访问“人工土地冻结的计算机模拟”。.

 
融泡的数值模拟
 

这个计算是在以下的设置下进行的:一条管线穿过有着冰楔的地形。

 
油管贯穿冰楔

对管线和冰楔的相互布置的设置

 

以下的几何参数被计入:

     

  • 仿真区域的线性参数:地平面为25×25m ,深度为15m。
  • 冰楔深度:0.7m,厚度:4.3m。
  • 管壁厚度:10mm。
  • 管线隔热材料厚度: 70 mm。

 

仿真区域的离散化在有着2,905,980个节点的六面体计算网格中实现。

 
管线所在的沟渠周围的土层的热物理性质在下表中对应列出:
 

土层数目 土质 层厚,m 融化和冻结土地的导热系数 λTF , W/(m∙K) 融化和冻结土地的体积热容量 СTF , kJ/(m3∙К) 体积含水量, 3/m3
1 泥炭 0.7 0.5 / 2 3600 / 1300 0.33
2 泥炭,大部分被分解了,塑性冷冻,结冰的。含有冰楔 4.3 0.5 / 2 3600 / 1300 0.33
3 结冰的砂质壤土 2.2 1.45 / 2.3 2867 / 2030 0.57
4 带有更高含冰量的砂质壤土 7.8 1.25 / 2.3 3160 / 205 0.42

 

冰楔的热容量被设定为1860 kJ/(m3∙К), 以及导热系数为 — 2.25 W/(m∙K).

 

流过管线的石油的温度被假设为 +8oС, 且平均流速为30吨每年。

 
结果
 

根据两年以来的计算,可以确定是,管线周围最大面积的土地融化发生在隔热缺失的那个方向上,深度不超过0.9m。在管线周围的温度场的年度波动幅度在3到5oС之间。

 

这个项目仅仅追踪了两年就被迫得出不完整的结果,但是Frost 3D软件包能够预测融泡5年,10年,甚至30年的发展。

 
在Frost 3D软件中计算的3D温度场

在Frost 3D软件中计算的3D温度场

 
对于8月份的温度场在等温线形式下的计算结果

8月份仿真区域横截面的温度场的计算结果以等温线的形式表现出来

 
对于在冻土中管线周围的融化盘的计算

石油管线附近土地融化区域的模拟结果

 
在8月份时在YZ平面上管线周围的土地融化盘

8月份在YZ平面上管线附近的土地融泡/span>

 
在1月份时在YZ平面上管线周围的土地融化盘

1月份在YZ平面上管线附近的土地融泡

 

值得注意的是,管线带来的热冲击并没有导致下方的冰楔融化。这主要是因为管线被安置在了一个地下冰被去除和隔热材料被放置的沟渠当中。

 
 

 

項目舉例:

 

FROST 3D

进行热工程计算的软件:

 

  • 永冻土的热固定
  • 人工土地冻结

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D.G. Dolgikh
副行政總裁
Fundamentstroyarkos RPA Ltd, 俄國

 

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