凍融循環(huán)作用下埋地輸油管道應(yīng)變試驗研究

滕振超,滕云超,趙譽(yù)翔,劉 宇,劉曉燕

(1.東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318;2.黑龍江省高校防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程重點(diǎn)實(shí)驗室,黑龍江 大慶 163318;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著全球?qū)τ谑唾Y源的需求日益增加,各國將希望寄托在季節(jié)性凍土區(qū)和寒區(qū)。穿越永久凍土或季節(jié)性凍土區(qū)的長距離管道是輸送石油和天然氣最經(jīng)濟(jì)有效的方式之一。凍土區(qū)埋地管道輸油事故頻繁發(fā)生,如美國阿拉斯加輸油管道,由于凍脹管道變形異常,破壞生態(tài)環(huán)境危害人類健康[1-2]。漠河-大慶輸油管道為中俄兩國石油傳輸做出卓越貢獻(xiàn),然而長期凍融循環(huán)下,管道周圍水分場和溫度場會產(chǎn)生周期性變化,土中水相變會對管道產(chǎn)生附加應(yīng)力,應(yīng)力場改變導(dǎo)致管道安全問題不可忽視[3-5]。

楊濤等[6]探索了凍融循環(huán)對凍土區(qū)管道工程實(shí)施的負(fù)面作用,即凍脹和融沉。鄭平[7]考慮了管道與周圍土壤之間多物理場,并從滲流力學(xué)、傳熱學(xué)等微觀角度分析了凍土管道災(zāi)害。Yang[8]用電阻應(yīng)變片測量了費(fèi)爾班克斯地區(qū)天然氣管道在凍結(jié)、融化階段的應(yīng)變,得出管道縱向和徑向應(yīng)變受彎曲作用影響最大,提出凍脹與管道應(yīng)變的線性方程,為類似試驗提供依據(jù)。Wang[9]提出凍脹和融沉引起的埋地管道失穩(wěn),是寒冷地區(qū)管道產(chǎn)生不利變形的主要原因。埋地管道與凍土之間的作用是動態(tài)復(fù)雜的。由于高溫或高寒累積產(chǎn)生棘輪效應(yīng)(管道在多次凍融循環(huán)后,會積累較大的位移)和高寒地區(qū)管道與凍土之間相互碰撞,會產(chǎn)生較大附加應(yīng)力從而導(dǎo)致應(yīng)力集中[10-11]。正確設(shè)計和預(yù)測管道在凍融循環(huán)下水熱力三場耦合面臨諸多挑戰(zhàn),國內(nèi)外對單物理場研究較多,而將三場耦合的凍融循環(huán)試驗少之又少[12]。

綜上,利用1∶10縮尺模型試驗,模擬10年凍融循環(huán)情況(根據(jù)實(shí)際情況認(rèn)為一年一次凍融循環(huán)),監(jiān)測管道在此條件下240 h的應(yīng)變曲線。

1 試驗方案

1.1 土體及埋地輸油管道試驗?zāi)Ｐ?/h3>

模型以中俄輸油管道穿越的大慶地區(qū)某地季節(jié)性凍土管道為研究對象,土樣取自大慶地區(qū)常用工程的回填土,即在地面2 m深度處,這樣能更真實(shí)地模擬管道途徑土層。試驗用土為粉質(zhì)黏土,其物理性質(zhì)見表1。按照漠大管道大慶段,由相似比1∶10設(shè)計試驗箱體和管道埋深。試驗用鋼Q345物理參數(shù)、尺寸如表2所列。

表1 土樣基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of soil samples

表2 試驗管道物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of test pipeline

管道總長2 400 mm,外徑100 mm,內(nèi)徑98.5 mm。管道尺寸設(shè)計如圖1所示。

圖1 管道尺寸設(shè)計Fig.1 Design of pipe dimensions

1.2 凍融箱尺寸設(shè)計

此凍融循環(huán)試驗,每天為一個日循環(huán),溫度范圍為-23～20 ℃。試驗箱體為Q345鋼,下部有4個萬向輪便于室內(nèi)外移動,減少箱體擾動對應(yīng)變趨勢的影響。箱體四周和底部均設(shè)置保溫苯板,目的是降低土體四周和底部的熱通量。處于對實(shí)驗室安全的考慮,管道內(nèi)部充滿水以代替油,通過設(shè)置管道內(nèi)部溫度加熱帶,保持管道油溫(32±5) ℃。管道埋深-200 mm。應(yīng)變片采用BE120-3CA型三軸應(yīng)變花,進(jìn)行10次凍融循環(huán)試驗。

依據(jù)上述凍融循環(huán)試驗原理,詳細(xì)的試驗箱體布置如圖2所示,其中箱體四周及底部絕熱,均有4 cm厚的苯板保溫層。管道頂部埋深0.2 m,管道與管道之間用法蘭連接,管道左側(cè)設(shè)置有彎管,用于注水和應(yīng)變測量導(dǎo)線的接出,管道右側(cè)設(shè)有閥門用于排水,箱體底部有2個排水口。

圖2 試驗箱體詳細(xì)布置 Fig.2 Detailed layout of the test box

(1) 溫度測量布置 沿著管道所在方向布置4個康銅熱電偶制成的溫度探針,用于測量溫度場,具體溫度探針布置如圖3所示。

圖3 溫度探針橫截面布置Fig.3 Cross section layout of temperature probe

(2) 應(yīng)變片粘貼 由于管道與土壤之間存在復(fù)雜的受力關(guān)系,所以無法確定管道頂部底部主應(yīng)變方向,故采用BE120-3CA型三軸應(yīng)變花的粘貼形式進(jìn)行10次凍融循環(huán)試驗,對管道四周應(yīng)變進(jìn)行檢測,共分為3組,每組8個檢測點(diǎn),每組檢測點(diǎn)均粘貼應(yīng)變片,如圖4、圖5所示。

圖4 應(yīng)變片粘貼Fig.4 Strain gauge paste

圖5 應(yīng)變片粘貼設(shè)計Fig.5 Design drawing of strain gauge pasted

(3) 數(shù)據(jù)收集 布置在管道頂部底部的電阻應(yīng)變片,通過導(dǎo)線與靜態(tài)電阻應(yīng)變儀DH3818Y相連,實(shí)時測量管道在融化凍結(jié)過程中的內(nèi)外應(yīng)變變化。

2 試驗結(jié)果

2.1 凍融循環(huán)下土體溫度場規(guī)律

測量土表溫度及沿管道位置土體深度分別為-0.125 m、-0.250 m、-0.375 m處溫度隨時間的變化情況如圖6所示。

由圖6可知,最低溫度和最高溫度分別為-22.55 ℃、20.44 ℃。不同土層溫度與土表溫度變化趨勢一致,符合溫度正弦變化規(guī)律。沿著管道所在位置,不同深度處溫度受管道影響很大,距離管道位置越近,相應(yīng)位置土壤受管道溫度輻射越大,溫度變化峰值滯后現(xiàn)象越不明顯。隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行溫度變化幅值減小,且溫度呈遞減趨勢,這是由于凍融循環(huán)過程改變了管道附近土壤水熱特性,導(dǎo)致土中水相變過程緩慢。經(jīng)過分析,在每次凍融循環(huán)中,平均正溫出現(xiàn)在9 h,平均負(fù)溫出現(xiàn)在15 h,這與凍土區(qū)的溫度變化相一致。

圖6 土體中不同埋深溫度隨時間變化曲線Fig.6 Curves of different buried depths and atmospheric temperature in soil with time changing

2.2 凍融循環(huán)對管道應(yīng)變的影響

試驗測得凍融循環(huán)作用下管道頂部和底部的應(yīng)變值,三軸應(yīng)變花240 h內(nèi)的應(yīng)變變化趨勢如圖7所示。

圖7 試驗測量應(yīng)變Fig.7 Strain measured by test

由圖7可知,隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行,管道底部在第2～4次凍融循環(huán)過程應(yīng)變出現(xiàn)正值,為正應(yīng)變,即平面內(nèi)拉應(yīng)變,這是由于管道頂部與土壤連接緊密,在相鄰凍融循環(huán)土中水相變過程對管道不均勻擠壓造成的。隨著凍融循環(huán)的繼續(xù)進(jìn)行,管道頂部底部均為壓應(yīng)變,從凍融循環(huán)初期到第8次凍融循環(huán),管道頂部底部壓應(yīng)變曲線有著明顯的遞減趨勢,第8次凍融循環(huán)之后應(yīng)變趨于平穩(wěn)。

為測得埋地輸油管道頂部底部的主應(yīng)變值(第一主應(yīng)變),對管道頂部和底部分別進(jìn)行了第一主應(yīng)變和第二主應(yīng)變在240 h內(nèi)的變化趨勢的研究,如圖8所示。

由圖8可以看出,管道頂部主應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,即管道頂部始終受壓,管道底部應(yīng)變從凍融循環(huán)開始到第3次循環(huán)為正值,然后為負(fù)值,即管道底部先受拉后受壓。管道頂部底部主應(yīng)變都隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)增加而降低,第9次、第10次有回升趨勢,這是由于大氣溫度上升造成的。

圖8 管道頂部和底部主應(yīng)變值Fig.8 Principal strain values at top and bottom of pipeline

為了更清楚地了解凍融循環(huán)下管道應(yīng)變增大的原因,利用軟件comsol模擬了凍脹力在360 h內(nèi)變化趨勢,模型考慮溫度場、水分場和應(yīng)變場,提取出凍脹力360 h的分布(忽略重力),如圖9所示。

圖9 數(shù)值模擬土壤凍脹力的分布Fig.9 Numerical simulation of soil frost heaving force distribution

根據(jù)實(shí)際試驗箱體尺寸、管道埋深、溫度場、水分場,利用軟件comsol建立三維管土模型,探究凍融循環(huán)過程應(yīng)變趨于穩(wěn)定原因。用壓力盒測量管道周圍土體凍脹變化規(guī)律,如圖10所示。

由圖10可以看出,隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加,管道上部凍脹力明顯大于管道下部凍脹力,且壓力盒頂部凍脹力在升溫降溫過程中變化幅值大于底部,這是由于頂部含水率小于底部,也與實(shí)際(見圖10(b))符合。軟件模擬凍脹力(見圖9)和試驗測得凍脹力(見圖10(b))規(guī)律一致,隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,凍脹力周期性增加。

圖10 試驗測得的土壤凍脹力的分布Fig.10 Distribution of soil frost heave force measured in the experiment

綜上可知,管道重力、凍脹力、凍融循環(huán)都會改變管道應(yīng)變變化特征,這與棘輪效應(yīng)[10]一致,即管道應(yīng)變趨于平穩(wěn)。管土相互作用還與水熱條件密切相關(guān),為后續(xù)對比試驗設(shè)計提供了參考。

3 結(jié)論

以中俄輸油管線大慶段為背景,分析了凍融循環(huán)作用下管道應(yīng)變特性的一般規(guī)律,得出以下結(jié)論:

(1) 不同土層溫度與土表溫度變化趨勢一致,符合溫度正弦變化規(guī)律。沿著管道所在位置,土體不同深度的溫度受管道影響很大,距離管道位置越近,相應(yīng)位置土壤受管道溫度輻射越大,溫度變化峰值滯后現(xiàn)象越不明顯。隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行,溫度變化幅值減小。

(2) 當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到5次,管道頂部底部均為壓應(yīng)變,從凍融循環(huán)初期到第8次凍融循環(huán),管道頂部底部應(yīng)變曲線有明顯的遞減趨勢,第8次凍融循環(huán)之后應(yīng)變趨于平穩(wěn),與管土相互作用的棘輪效應(yīng)一致,在凍融循環(huán)作用下管道受力性能隨凍融次數(shù)的疊加,應(yīng)變也會疊加,但當(dāng)這種反復(fù)作用達(dá)到一定的量時,這種應(yīng)變也將趨于穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上完善試驗,研究凍融循環(huán)作用與此穩(wěn)定趨勢的確切關(guān)系,由此來完善工程設(shè)計中關(guān)于此類地下工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 數(shù)值模擬管道周圍土體凍脹力與實(shí)際測得的凍脹力變化規(guī)律一致。隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加,壓力盒上部凍脹力大于下部凍脹力,且上部凍脹力在升溫和降溫過程中變化幅值大于下部。