高温管道-地基水热耦合作用机制及灾变防控

Pipeline transportation is one of the most economical and effective way to transport for long-distance transportation of oil and gas strategic resources, one optima way is transporting by heating oil and gas. At present, the design temperature of oil and gas pipelines nearly up to 177℃, and the study of hydro-thermal coupling effect and the stability of pipelines under high temperature has become an important topic in the field of civil engineering and energy engineering.. Based on the constitutive equations of soils, continuity equations and heat conduction equations, the thermo-hydro-mechanical coupling model of saturated soil around the pipeline will be established and be validated by a full scale model test. On this basis, the analysis approach for the soils resistance will be presented and the thermo-hydro-mechanical coupling mechanism of soils around the pipeline will be revealed, and then an analysis model of pipe-soil interaction will be proposed. Considering the hydro-thermal coupling effect and time effect of the soils, a three-dimensional simplified analysis method for high temperature pipeline-soil interaction will be proposed, corresponding evaluation methods for the depth of heat affected zone and disaster control measures of the pipelines will be brought forward. The research to be carried out will establish a new idea to study the effects of hydro-thermal coupling effect of soils on the bearing capacity of the pipelines, and will develop the theory of pipe-soil interaction greatly, which will provide a scientific support for improving oil and gas pipeline design.

管道运输是油气战略资源长距离输送最经济有效的运输方式，加热输送能获得最优运输效率和输送成本。目前管道输送设计温度高达177℃，高温下地基的水热耦合效应和管道稳定性研究成为土木、能源领域的重要课题。. 本项目首先基于土体本构理论、渗流和热传导理论，构建管周地基热传导-渗流-变形耦合作用模型，并进行相应的足尺模型试验验证；在此基础上提出地基对管道约束力分析方法，揭示管周地基水热耦合作用机制，建立考虑水热耦合效应的管土相互作用分析模型；基于考虑水热耦合效应和时间效应的地基模型，结合管土接触条件，建立高温管道-地基相互作用三维简化分析方法，并提出温度影响范围评估方法和管道屈曲灾变主动防控措施。拟开展研究提出地基水热耦合效应对管道承载特性影响这一研究新思路，将丰富和发展管土相互作用理论，为改进现有油气管道设计提供科学支撑。

管道运输是油气战略资源长距离输送最经济有效的运输方式。我国原油80%以上为高粘易凝油，在常温下就会凝固失去流动性，加热输送能获得最优运输效率和输送成本。随着开采深度的增加和输送距离的增长，管道工作温度不断提高，其设计温度普遍达到100℃，最高已愈170℃。然而，高温管道工作过程中涉及温度场、应力场和渗流场等多场耦合问题。如何保证油气管道在高温高压复杂环境下的正常服役已成为土木工程和能源工程领域的重要课题。本项目研究围绕高温管道工作过程中管道-地基水热耦合作用机制及灾变防控开展，（1）针对管线周围地基受高温管道温度场影响和上覆土层或构筑物力学荷载作用，结合温度和力学荷载耦合作用下孔隙水渗流特性，基于Laplace-Hankel积分变换技术和精细积分法，建立了基于扩展精细积分法的温度-力耦合作用下分层饱和地基热固结分析模型，发现了温度诱发含软弱夹层地基的Mandel-Cryer效应，揭示了非稳态热流固过程的强度弱化特征，提出了考虑热渗效应的土体强度分析方法；（2）对于埋置于非饱和地基中的高温管道在位稳定性进行了研究，基于OGS平台二次开发，构建了高温管道-非饱和土地基相互作用计算模型，揭示了非饱和土热传递滞后于饱和土的本质，确定了管周土体变形关键位置，提出了用临界饱和度界定水气渗透性突变的方法；（3）自主研制了温控式模型管道、恒功率加热系统和力学加载系统，能在常重力和超重力下使用，可进行0-80℃的温控范围，模拟范围覆盖我国典型油气管道表层温度；针对管内不同热传递介质，填充物分别选用水、砂土、硅油进行了分析和模拟。依托本项目研究发表标注项目基金号论文18篇，其中SCI收录14篇，EI收录4篇，授权国家发明专利3项，获浙江省科技进步一等奖1项（本项目负责人排名第7）。联合培养博士研究生2名，硕士研究生3名（2名已毕业）。研究成果将丰富和发展管土相互作用理论，对指导油气管道过程设计、施工具有重要的应用价值和社会经济效益。