一种高寒冻土地区输油管道的安装设计方法
技术领域
本发明涉及石油天然气管道工程技术领域，具体而言，涉及一种高寒冻土地区输油管道的安装设计方法。
背景技术
传统的输油管道铺设技术为管沟开挖地下埋设方式，目前随着管道建设地理位置的限制和地形复杂程度的日益增加，管道非开挖技术得到了广泛应用，包括跨越技术、水平定向钻技术、顶管隧道技术、盾构隧道技术、山岭钻爆隧道技术等。
其中，除跨越技术外，采用定向钻等非开挖技术管道仍需在地面下及山体中敷设，对于路由区域的地质和生态环境不可避免产生一定的影响。近年来，随着高寒地区输油管道项目的增多，如何解决管道敷设与冻土层之间的关系成为了新的研究和关注焦点。
高寒冻土地区管道敷设需要克服多风、温差变化大、区域冻融造成的变形等问题。因此，系统的新形式管道安装设计方法提上了日程，但是由于冻土区域地基土体温度场调控困难，输油管道内外温差形成的应力变化大，需要充分考虑土体的力学性能，防止冻土层破坏。
为了保证高寒冻土层的完整和稳定，响应国家的环境保护政策，传统的管道敷设技术与非开挖技术无法满足要求。同时，全球性气温变化向着升温方向发展的趋势愈发明显，被动的应对气温变化对高寒地区工程的影响已经被证明存在局限性，主动应对气温升高对高寒地区工程的热稳定性影响已经成为了寒区工程界的共识。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高寒冻土地区输油管道的安装设计方法。
本发明提供了一种高寒冻土地区输油管道的安装设计方法，该方法包括：
步骤1、根据应用地段的冻土区域地质情况，确定管架基础的埋置深度，并对管架基础的稳定性、地基承载力、变形和热工进行核验；
步骤2、根据步骤1中管架基础的埋置深度确定热棒蒸发段、冷凝段和绝热段的长度，并根据热棒的有效冷却半径确定热棒的纵向和横向埋设间距；
步骤3、根据步骤2中热棒冷凝段的长度确定管架系统柱的高度，并对管架系统中柱和梁的强度、稳定性及变形进行分析计算；
步骤4、根据步骤3中确定的管架系统确定管架支座，并对管道安装过程进行建模，对不同应力类型、不同工况下管道的最大应力、许用应力进行数值模拟分析，确定管道应力补偿的方式和位置，直至数值模拟分析结果中应力均满足要求；
步骤5、在管架基础周围设置地温监测系统，对管架基础下的冻土温度和冻融情况进行实时监测；
步骤6、根据步骤1-5的计算分析结果，形成高寒冻土地区输油管道的安装设计方案，包括管架基础设计、管架系统设计、热棒设计、管架支座设计和应力补偿方案。
作为本发明进一步的改进，步骤1中所述管架基础的埋置深度不小于应用地段冻土区域的融深。
作为本发明进一步的改进，步骤2中热棒蒸发段的长度等于管架基础的埋置深度，热棒绝热段的长度为零，热棒冷凝段长度的计算公式为：
Qc>Qh
其中，Qc为冷凝段散热量，Qh为蒸发段散热量，L为冷凝段长度，αe为有效换热参数，ηf为翅片效率，Afc为翅片表面积，d0为热棒基管直径，S为翅片间距，δf为翅片厚度，λ为热棒蒸发段周围冻土的平均导热系数，Δtm为热棒冷凝段与环境的内外温度差，L1为蒸发段长度，t0为地面环境温度，ts为冻土温度。
作为本发明进一步的改进，步骤2中所述热棒的纵向和横向埋设间距不大于热棒有效冷却半径的两倍，所述热棒有效冷却半径的计算公式为：
其中，FI为冻结指数，Lse为土的体积相变潜热，zr为热棒埋深，Rf为冷凝器热阻，r为有效冷却半径，rt为热棒外半径，Ks为土体导热系数。
作为本发明进一步的改进，步骤3中管架系统柱的高度等于热棒冷凝段的长度。
作为本发明进一步的改进，步骤3中所述管架系统中柱和梁的强度计算公式分别为：
柱的强度计算公式为：
梁的强度计算公式为：
其中，Mx、My为同一截面绕x轴和y轴的弯矩，Wnx、Wny为对主轴x、y的净截面模量，Wn为净截面模量，γx、γy为对主轴x、y的截面塑性发展系数，γm为截面塑性发展系数，f为钢材的抗弯强度设计值，N为轴心压力，An为净截面面积。
作为本发明进一步的改进，步骤3中所述管架系统中柱和梁的稳定性包括柱和梁的整体稳定性以及柱和梁的局部稳定性：
柱的整体稳定性计算公式为：
梁的整体稳定性计算公式为：
其中，
柱的局部稳定性计算公式为：
100(235/fy)
梁的局部稳定性计算公式为：
其中，σ为所计算腹板区格内，由平均弯矩产生的腹板计算高度边缘的弯曲压应力，τ为所计算腹板区格内，由平均剪力产生的腹板平均剪力，σcσcrτcrσc,cr为各种应力单独作用下的临界应力，fy为钢材的屈服强度。
作为本发明进一步的改进，步骤3中所述管架系统中柱和梁的变形计算公式为：
其中，qk为均布荷载，l为构件长度，E为弹性模量，Ix为构件截面惯性矩，υ为构件产生的扰度。
作为本发明进一步的改进，步骤4中确定的管道支座为滑动支座。
作为本发明进一步的改进，步骤5中地温监测系统等间隔设有多个。
本发明的有益效果为：通过热棒的应用，实现了地面敷设输油管道的新型安装方式，代替了传统的输油管道地下埋设的方式，保护冻土地层，满足环保要求，为高寒地区输油管道安装提供了新的选择。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的一种高寒冻土地区输油管道的安装设计方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述的一种高寒冻土地区输油管道的安装结构示意图。
图中，
1、热棒；2、管架系统的柱；3、管道；4、管架支座；5、通信光缆；6、管架系统的梁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。
实施例，如图1所示，本发明实施例所述的一种高寒冻土地区输油管道的安装设计方法，该方法包括：
步骤1、根据应用地段的冻土区域地质情况，确定管架基础的埋置深度，并对管架基础的稳定性、地基承载力、变形和热工进行核验；
步骤2、根据步骤1中管架基础的埋置深度确定热棒蒸发段、冷凝段和绝热段的长度，并根据热棒的有效冷却半径确定热棒的纵向和横向埋设间距；
步骤3、根据步骤2中热棒冷凝段的长度确定管架系统柱的高度，并对管架系统中柱和梁的强度、稳定性及变形进行分析计算；
步骤4、根据步骤3中确定的管架系统确定管架支座，并对管道安装过程进行建模，对不同应力类型、不同工况下管道的最大应力、许用应力进行数值模拟分析，确定管道应力补偿的方式和位置，直至数值模拟分析结果中应力均满足要求；
步骤5、在管架基础周围设置地温监测系统，对管架基础下的冻土温度和冻融情况进行实时监测；
步骤6、根据步骤1-5的计算分析结果，形成高寒冻土地区输油管道的安装设计方案，包括管架基础设计、管架系统设计、热棒设计、管架支座设计和应力补偿方案。
如图2所示，为根据本发明所述高寒冻土地区输油管道的安装设计方法设计的输油管道的安装结构，包括输油管道、管架基础、管架系统、管架支座和热棒。其中管架基础埋设于地下；管架系统包括柱和梁，柱通过法兰和螺栓等连接装置与管架基础连接，梁水平设置于两个柱之间；管架支座的底端与梁固定连接；输油管道横跨架设于多个管架支座之上；热棒竖直插于柱的中空腔内，之后再用水泥对柱内多余的腔体进行浇注，从而热棒作为管道支撑的组成部分承担管道荷载，采用点式的承载热棒结构类型。
进一步的，步骤1中所述管架基础的埋置深度不小于应用地段冻土区域的融深和冻深。
步骤1先通过应用地段冻土区域冻土的持续时间，判断冻土为多年冻土或季节性冻土。对于多年冻土，进行冻土地区地面敷设管架基础持力层地温特征值的热工计算，包括：年平均地温、年最高地温、年最低地温、融化盘下冻土最高温度，其对应的计算公式分别为：
年平均地温的计算公式为：
Tz＝T20-ΔTz
其中，Tz为年平均地温，T20为20米处的实测地温，ΔTz为考虑地热梯度的地温修正值；
年最高地温的计算公式为：
Tzmax＝Tz+Az
年最低地温计算公式为：
Tzmin＝Tz-Az
其中，Tzmax为年最高地温，Tzmin为年最低地温，Az为季节活动层以下某深度处的地温年振幅，Au(f)为活动层底面的地温年振幅，H为从季节活动层底面算起的深度，α为土层年平均导温系数，t为气温年变化周期；
融化盘下冻土最高温度的计算公式为：
其中，Ty为融化盘下冻土最高温度，ξ为人为热源影响系数，y为所求温度点距融化盘的深度。
根据所求的地温特征值，判断多年冻胀性土体在管道安装过程和使用期间的冻结状态，分析冻土区域地基土的融化深度，确定冻土地基的最小埋置深度。
之后再根据冻土的类型计算冻土的融深或冻深，进而确定管架基础的埋置深度。多年冻土基础的最小埋置深度应根据土的融深设计值确定，季节性冻土基础的最小埋置深度应根据土的冻深设计值确定。
其中多年冻土的融深设计值的计算公式为：
其中，
季节性冻土的设计冻深计算公式为：
zd＝z0ΨzsΨzwΨzcΨzt0
其中，zd为季节性冻土的冻深设计值，z0为标准冻深，Ψzs为土质(岩性)对冻深的影响系数，Ψzw为湿度(冻胀性)对冻深的影响系数，Ψzc为周围环境对冻深的影响系数，Ψzt0为地形对冻深的影响系数。
对管架基础的稳定性、地基承载力、变形和热工进行核验的具体方法为：先根据管架基础的埋置深度得出管架基础的常规形状参数，之后将各个形状参数代入管架基础的稳定性、地基承载力、变形和热工等计算公式中进行数值模拟，如符合要求则设定的管架基础的形状参数合适，如核算结果不符合要求则重新设置管架基础形状参数继续代入各个公式进行数值模拟，直至满足所确定管架基础的形状参数满足要求为止。
管架基础的稳定性计算公式为：
∑τdiAi≤0.9Gk+Ra，Ra＝∑(fciAi)
其中，τdi为第i层土中单位切向冻胀力的设计值，Ai为与第i层土冻结在一起的桩侧表面积，Gk为作用于基础上永久荷载的标注值，Ra为桩基础伸入冻胀土层之下地基土所产生的锚固力设计值，fci为第i层内冻土与基础侧表面之间冻结强度的设计值。
管架基础的地基承载力计算公式为：
p≤f，pmax≤1.2f
其中，p为基础底面处的平均压力设计值，f为地基承载力，pmax为基础底面边缘的最大压力设计值，F为上部结构传至基础顶面的竖向力设计值，G为基础自重和基础上的土重设计值，A为基础底面面积，M为最用于基础底面的力矩设计值，W为基础底面的抵抗矩，Mt为作用与基础侧表面冻土冻结的切向力所形成力矩的设计值。
管架基础的变形计算公式为：
S≤Sγ
其中，S为地基的变形量，Sγ为现行国家标准的地基变形的允许值，n为土的层数，δ0i为无荷载作用时，第i层土融化下沉系数，hi为第i层土的厚度，Δi为第i层土中冰夹层的平均厚度，mv为第i层融土的体积压缩系数，pτi为第i层中部以上土的自重压力，p0i为基础中心下地基土融冻界面处第i层土的平均附加应力。
进一步的，步骤2中热棒蒸发段的长度等于管架基础的埋置深度。为抵御和延缓多年冻土退化过程，保持冻土层冻结状态，若采用基础深埋方式，经济性不合理。因此，本申请采用管地基加设热棒保冷措施方案。根据管架基础形态，对热棒的结构进行判断。热棒的整体结构参数同冷凝段和蒸发段之间的长度及其最优比有关，因热棒蒸发段均位于地面以下，等同于管架基础埋深，因此，根据管架基础的埋置深度即确定为热棒蒸发段的长度。
热棒绝热段的长度为零。高寒地区由于温度变化的滞后和土体热阻的存在，冬季地基土的任何部位均高于地面环境温度，热棒均处于启动工作状态，绝热段部位的温差能够满足热棒内部介质的气化—冷凝循环过程，可取消热棒绝热段，节省管道安装成本，且并不影响热棒的散热导冷过程。
为保证冻土环境下热棒的冷凝段能够将蒸发段吸热有效的散发到大气环境中，冷凝段散热量应大于蒸发段吸热量，因此，可以得出冷凝段长度，优化热棒整体结构参数。热棒冷凝段长度的计算公式为：
Qc>Qh
其中，Qc为冷凝段散热量，Qh为蒸发段散热量，L为冷凝段长度，αe为有效换热参数，ηf为翅片效率，Afc为翅片表面积，d0为热棒基管直径，S为翅片间距，δf为翅片厚度，Δtm为热棒冷凝段与环境的内外温度差，L1为蒸发段长度，t0为地面环境温度，ts为冻土温度。
根据热棒冷凝段和蒸发段的长度，对热棒充液量进行优化计算，避免不利于热棒工作的传热极限的出现。热棒充液量计算公式为：
其中，m为热棒充液量，L1为蒸发段长度，L为冷凝段长度，La为绝热段长度，μ1为液体工质的粘度，Dc为热棒蒸汽通道直径，υ1为金属的腐蚀速度，ρ1为液体工质的密度，Lg为蒸发潜热，Qmax为干涸极限值。
进一步的，步骤2中所述热棒的纵向和横向埋设间距不大于热棒有效冷却半径的两倍，可以确保热棒对其位置周围的冻土都能够发挥作用，避免热棒周围冻土受热发生融沉，导致事故的发生。热棒有效冷却半径的计算公式为：
其中，FI为冻结指数，Lse为土的体积相变潜热，zr为热棒埋深，Rf为冷凝器热阻，r为有效冷却半径，rt为热棒外半径，Ks为土体导热系数。
进一步的，步骤3中管架系统柱的高度等于热棒冷凝段的长度。热棒竖直插于管架系统的柱中，且热棒的蒸发段埋置在地下，且热棒的绝热段为零，故将管架系统中柱的高度设置为与热棒冷凝段的长度相同，在不影响热棒散热导冷的同时，进一步节省安装成本。
进一步的，考虑到高寒地区多风气候的影响，需要对高寒地区管道敷设的管架系统进行强度、稳定性和变形计算。同时，由于风荷载、雪荷载等影响较大，对于关键部位进行垂直、轴向及径向荷载引起的正应力、弯曲应力的校核。考虑连接节点的抗震设计、焊接连接设计、梁柱连接设计、柱脚连接设计等。建立三维结构管架模型，对管道支架进行数值模拟分析。管架系统中柱和梁的强度计算公式分别为：
柱的强度计算公式为：
梁的强度计算公式为：
其中，Mx、My为同一截面绕x轴和y轴的弯矩，Wnx、Wny为对主轴x、y的净截面模量，Wn为净截面模量，γx、γy为对主轴x、y的截面塑性发展系数，γm为截面塑性发展系数，f为钢材的抗弯强度设计值，N为轴心压力，An为净截面面积。
进一步的，步骤3中所述管架系统中柱和梁的稳定性包括柱和梁的整体稳定性以及柱和梁的局部稳定性：
柱的整体稳定性计算公式为：
梁的整体稳定性计算公式为：
其中，
柱的局部稳定性计算公式为：
100(235/fy)
梁的局部稳定性计算公式为：
其中，σ为所计算腹板区格内，由平均弯矩产生的腹板计算高度边缘的弯曲压应力，τ为所计算腹板区格内，由平均剪力产生的腹板平均剪力，σcσcrτcrσc,cr为各种应力单独作用下的临界应力，fy为钢材的屈服强度。
进一步的，步骤3中所述管架系统中柱和梁的变形计算公式为：
其中，qk为均布荷载，l为构件长度，E为弹性模量，Ix为构件截面惯性矩，υ为构件产生的扰度。
进一步的，步骤4中确定的管道支座为滑动支座。管道安装过程不限制管道轴向位移，因此选取滑动支座作为管道安装管托。管架系统和管架支座均确定完成之后需要通过数值模拟软件对管道安装过程进行模拟分析，保证所确定的管架系统及管架支座在不同应力类型、不同工况下管道的最大应力、许用应力均满足要求。如不满足要求则数值模拟软件中会显示出需进行应力补偿的方式和位置，进而对管架系统和管架支座的结构参数进行调整，直至模拟结果满足要求为止，此时所确定的管架系统和管架支座的结构参数即为最终设计方案中的结构参数。
在数值模拟过程中，管道可视为多跨连续梁，单跨跨度应满足管道在外荷载作用下的强度控制和变形控制要求。单管直跨中的跨越管道在外荷载作用下的跨中最大挠度不应大于跨度的1/400。最大挠度计算公式为：
其中，q为管道及介质自重荷载，l为单跨跨度，Es为刚才的弹性模量，I为钢管的截面惯性矩。
同时，进行地面敷设管道的刚度、强度、抗震校核。
管道刚度校核时，验算管段选用钢管的径厚比，确保径厚比不应大于100。
本发明地面敷设架空管道应按试压阶段和运营阶段进行强度核算。根据各阶段设计工况作用效应组合，进行管段各项应力计算，各单项应力和当量应力应按下列公式进行校核：
[σ]＝ηFσs
试压工况还应满足：
∑σh≤0.9σs
其中，[σ]为钢管的许用应力，η为许用应力提高系数，F为钢管强度设计系数，σs为钢管屈服强度，σe为当量应力，σx、σy为X、Y轴方向上的应力，τxy为XY平面上的剪应力，∑σh为各作用产生的环向应力代数和。
管段抗震校核的计算公式为：
当εmax+εa≤0时，|εmax+εa|≤|εc|v；
当εmax+εa>0时，εmax+εa≤[εt]v；
其中：
εa＝σa/E
σa＝αEs(t1-t2)+μσh
其中，εmax为地震作用产生的管段的最大轴向应变，ε为内压和温度变化产生的管段的轴向应变，[εc]v为埋地管道抗震设计轴向容许压缩应变，[εt]v为埋地管道抗震设计轴向容许拉伸应变，a为地震动峰值加速度，v为地震动峰值速度，Tg为地震动反应谱特征周期，Vse为场地剪切波速，σa内压和温度变化产生的管段的轴向应力，α为钢材的热膨胀系数，t1为管道安装闭合时的环境温度，t2为穿越管段输送介质温度，σh为内压产生的管段的环向应力，μ为钢材的泊桑比，p为管道设计压力，ds为钢管内径，δ为钢管壁厚，Ds为钢管外径。
进一步的，步骤5中地温监测系统等间隔设有多个。为了保证管道安装后管架基础的稳定性，观测热棒周围的地温场，对于管架基础周围设置监测系统，随时观测冻土温度场的变化。一旦热棒工作效率降低或损毁，可以及时进行检修，保证冻土不出现大范围的冻融现象。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
