摘要：穿越我国东北季节性冻土及多年冻土区的埋地管道，沿线地质单元复杂，部分区域为沼泽发育，土体含水量大，地下水位高表现出极大的冻胀性。为了满足油田工程建设的需要，首先应预测埋地管道周围土壤冻融过程中温度场的变化及温度场与水分场的影响关系。从而制定科学有效的防害方法。以中俄原油管道沼泽发育冻土区敷设管段为例。地表环境温度采用周期性边界条件。考虑了土壤冻结过程中相变潜热对温度场的影响。采用多孔介质模型，利用有限容积法，对有无保温层条件下埋地管道周围土壤温度场进行数值模拟。结果表明：在有保温层的条件下，管壁热流密度明显降低而且波动幅度减小。管道运行17个月后，无保温层与分别采用30mm和50mm保温层情况对比，管道底部最大融深相差1.17米和1.46米。表明采用保温材料可以降低冻土融化速率，防止冻土退化。

　　关键词：沼泽发育冻土;埋地管道; 水热耦合; 多孔介质; 数值模拟

　　Abstract: The proposition describes underground pipelines crossing seasonal frozen earth and permafrost areas of the Northeast. Geological structure is complex in these areas, some regions are swamp development, moisture content and groundwater level are high, so the regions manifest great frozen-expansion quality. In order to meet the needs of oilfield’s engineering construction, first of all, we should foresee the variation of the soil’s temperature field around buried pipes during the frozen soil’s melting, and calculate the connections between temperature field and moisture content field, thus laying out scientific and effective method to avoid harm. Take China-Russia crude oil pipelines for example, some of which are laid in swamp development areas, considering that latent heat of phase change affects temperature field in the course of soil’s freeze, we adopt porous medium model and limited volume method, surface temperature adopts periodic boundary factors, conduct numerical value simulation of the soil around buried hot oil pipelines in the circumstances of having thermal insulating layer and having no. The result indicates: under the circumstances of having thermal insulating layer, thermal current density of pipe wall drops distinctly, and fluctuation rang reduces. Keep the pipelines functioning for 17 months, compare the cases that happen in no thermal insulating layer with that do in having thermal insulating layer of 30mm and 50mm, the greatest melted depths underneath pipelines are different, which are 1.17m and 1.46m. It indicates: using thermal insulating materials can reduce the melting rate of frozen earth, and avoid deterioration of frozen earth..

　　Key words: Swamp development frozen earth; Underground pipeline; Water-thermal coupling; Porous medium; Numerical value simulation.

　　0 前言

　　随着国际间石油与天然气的合作开发与利用。跨国敷设埋地管道输送油气已成为目前乃至今后的主要运输方式，对于管道工程必然要受到，跨越高纬度，沿线温差大，途径复杂地质地貌，以及当地水文，气候随季节的周期性变化等因素的影响，这些复杂因素对管道投产后是否能安全可靠运行，附加了巨大的隐患。对于穿越冻土区的埋地管道最长见的安全问题就是冻害破坏[1]。因此在管道设计初期，就应定量，定性的对不同地质构造下土体进行试验，计算，分析，已确保管道在不同工况下以最优方案运行。目前我国已与俄罗斯，哈萨克斯坦等国家共同铺设了跨国输油管道一期工程现已完成。在工程建设过程中遇到了许多从未遇到过的问题，其中包括：中哈原油管道沼泽区的敷设。中俄原油管道漠河至大庆段，部分管道沼泽发育冻土区的敷设。基于沼泽发育多年冻土区，土体含水量大，土层地下水位高表现出极大的冻胀性[2]，为了满足油田工程建设的需要，首先应预测埋地管道周围土壤冻融过程中温度场的变化。目前国内外有关埋地管道周围土壤相变温度场的研究已不少，Bonacina等[3]提出了相变热传导温度场的数值求解方法;Comini等[4]对相变热传导温度场的非线性问题进行了有限元分析。李长俊等[5]根据半无限大土壤不稳态传热模型，推到出了土壤温度场随管内介质和气候条件变化的解析解;李南生等[6]从二维相变热传导方程出发应用保角公式导出了冬季冻结期输油管道拟稳态温度公式。张国忠[7]在对埋地热油管道周围土壤温度场的研究中给出了另一个土壤温度分布的计算式，由于采用第三类边界条件来描述地表与大气的热交换，所以计算更接近事实。马贵阳等[8]利用有限单元法对埋地管道周围土壤水热耦合温度场进行了数值模拟，虽然地表与大气的传热过程采用了第三类边界条件，但没有考虑地表环境温度的周期性变化对温度场的影响。

　　土壤作为一种天然的多孔介质。孔隙中含有大量的水分，当环境温度降至冰点以下，大量液态水将发生相变凝结。本文以中俄管道沼泽发育冻土区敷设管段为例，将该区土壤视为饱和含水土体。采用有限容积法，对有无保温层条件下埋地管道周围土壤温度场水分场进行数值模拟。为工程建设提供一定的理论依据。

　　1 问题的描述及模型的建立

　　中俄原油管道漠河—大庆段全长960千米，沿线约有500千米的多年冻土区，地形起伏多为水系和沼泽发育。其中约有50千米的沼泽湿地，由于地表以下为土冰层或地下冰，因此成为管道沿线最差的冻土工程地段[9]。根据工程设计参数，模拟管径813mm,壁厚15mm, 距管中心埋深2.406m.土壤密度1680kg/m3，比热2403J/kg.k，导热系数1.21W/m.k，保温层采用聚氨酯泡沫材料，密度60kg/m3，比热700J/kg.k导热系数0.035W/m.k，输油温度15℃。初始地温-2℃。模拟区域15mX15m。忽略管道轴向温降，建立二维非稳态传热模型，根据实测数据，距地面一定深度处，大地自然温度年终变化小于1摄氏度。可以认为是恒温层，距输油管道截面水平方向一定距离处对管道热量的耗散影响非常小可认为是绝热的。由于计算区域为对称区域，故简化的物理模型见图[1]

　　图1 管道计算区域截面区

　　1.1数学模型

　　土壤作为多孔介质相变融化过程非常复杂，有限体积法是处理多孔介质模型常用的理论方法[10,11]。假设土体各项均质连续，初始时刻孔隙中水分分布均匀，水分迁移符合达西定律，忽略由相变融化引起的速度变化。根据有限容积理论，质量守恒，动量守恒，能量方程守恒方程分别为：

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