基于水-温-力耦合作用下寒区埋地管道管土相互作用机制及屈曲失稳研究

With the rapid development of the onshore oil and gas, the stability of the buried pipelines in cold regions becomes one of the key issues concerning the onshore pipeline engineering. This proposed research aims to understand the interaction between the soil and the pipe buried in cold regions, by carrying out element tests (on behaviour of soil subjected to freezing and thawing cycles), model tests and non-linear finite element analyses. Based on the theoretical and experimental investigations of the pipe-soil interaction in cold region, this study will present the global buckling and wrinkling mechanisms of cold region buried pipelines, with consideration of the hydro-thermal-mechanical coupling effects. It is hoped that the outcomes of this research will advance the scientific understanding of and improve the design for buried pipelines in cold regions.

我国开发和购买的陆地油气资源，正大量地从西部走廊通过管道运输进入资源饥渴的中东部，寒区埋地管道的稳定与安全已成为陆地管道运输保障的关键问题。本项目开展考虑温变效应的冻胀融沉试验，着力研究寒区埋地管道沿线冻土性状，运用室内模型试验和非线性有限元数值分析技术，揭示寒区埋地管道屈曲变形过程中管土相互作用物理机制。综合考虑埋地管道的初始几何缺陷，分析多场耦合作用下寒区埋地管道的整体屈曲和壳体褶皱屈曲灾变机制，揭示水-温-力耦合作用对寒区埋地管道屈曲破坏发生、发展的演变规律，为寒区管道工程设计与防灾控制提供理论支撑和技术保障。

本项目通过室内试验获得了寒区管道管周土体的基本物理力学特性，开展了考虑温变效应的冻胀融沉试验，提出了寒区埋地管道水热力耦合模型和局部冻胀作用下的寒区管道屈曲变形的非线性分析方法，揭示了寒区埋地管道管周土体的水分场、温度场和应变场分布规律及其屈曲变形过程中管土相互作用物理机制，在此基础上获得了寒区管道的屈曲变形的解析模型。结合热力学、渗流理论、管线力学和岩土力学的理论和数值模拟方法，建立了多场耦合作用下的寒区埋地管道管土相互作用模型，揭示了管道介质与周围冻土的热交换强度，得出在不同工况作用下的寒区管道周围的温度场、水分场、应变场变化，分析了水-热-力耦合作用的管道整体稳定性，研究了冻融诱发的管道屈曲失稳破坏变成发展过程，为寒区管道工程设计与防灾控制提供理论支撑和技术保障。截至2020年12月31日，共发表科技论文6篇；申请发明专利2项（再审），授权实用新型专利1项。项目组提出了寒区埋地管道的临界保温层厚度、多场耦合作用的管土相互作用模型，分析了多场耦合作用下寒区管道周围土体的水分场、温度场和应变场分布规律，揭示了冻胀融沉对寒区管道屈曲失稳破坏的影响规律。可根据本项目成果有效评估寒区埋地管道的工作性能，从而对其采取针对性的防护措施，对诱发管道屈曲失稳的主要影响因素进行甄别分析和有效控制，保证寒区管道工程的安全运营，降低寒区管道工程损失，具有重要的指导意义。