冻胀沉融对冻土区输油管道建设影响毕业论文

论文题目：冻胀沉融对冻土区输油管道建设影响专 业：工程力学摘要 冻胀和沉融是冻土区埋地管道周围土体经常发生的两种现象，这两种现象对冻土区输油管道的建设有着重大的影响，而且多年冻土区的石油和经济的不断发展，使得输油管道的发展也在快速前进，但是冻胀和沉融仍是输油管道建设的关键性难题。为解决此难题，要充分对冻土冻胀和沉融的研究进展，分析相关问题的研究现状。多年冻土区由于温度的变化及水分的变化而影起的冻胀沉融对输油管道的建设影响，使用大型有限元软件ANSYS对输油管道由于冻胀沉融的力学性能的分析并模拟其温度场。【关键词】冻胀 沉融 输油管道 有限元分析 温度场ABSTRACTFrost heaving and heavy melting is frozen soil buried pipelines often happened around two kind of phenomenon, These two phenomena pipeline to the construction of the embankment, has had a significant impact. And years of the oil and the epigenetic developing economy, make the development of the pipeline in fast forward, But frost heaving and heavy melting is still the key problems of the construction of the pipeline, To solve this problem, should make full of permafrost frost heaving and sink melts, the research progress on the research status of analyzing related problems. Years due to temperature change and the epigenetic changes since the moisture of the shadow of the frost heaving sink the construction of harmony influence, pipeline Using large finite element software ANSYS due to frost heaving sink pipeline the harmony of mechanical properties of the temperature field analysis and simulation 【 keywords 】Frost heaving sink melt temperature field pipeline finite element analysis 目录1、绪论2，：论文综述2.1论文背景及其研究意义2.2冻胀与沉融1.3冻胀与沉融大的研究现状1.4冻土温度场的研究第三章：模型建立1.1模型假设1.2模型依据1.3建立模型第四章：ANSYS应用1.1该论文用到的有限元内容简介1.2使用ANSYS对该课题研究的程序及结果显示1.3对用ANSYS分析的结果进行分析，并得出结论1.4对得出的结论进行分析第五章：结合结论展望第六章：参考文献第一章：绪论 所谓冻土是指：其温度为负温或者零度且含有冰的各种土的总称。根据存在的时间长短分为两类1）季节性冻土：冬天冻结，夏天完全融化的冻土；2）多年冻土：冻结状态持续两年以上的冻土。 我国是世界第三冻土大国，同时我国的多年冻土主要分布在中低纬度的青藏高原上。其多年冻土面积约为:215万平方公里，即约有22%的国土被多年冻土所占据。而包括季节冻土在内的冻土区面积约占国土70%。因此冻土被视为宝贵的土地资源。而且我国的冻土地区蕴藏着丰富的矿藏资源。随着国家经济的发展及人民物质的需求，对资源的开发及应用在不断的扩大。尤其在石油、天然气、煤矿的开采。而在冻土区对这些资源的开采，不得不对冻土进行更多的了解及研究。我国在冻土研究研究方面起步相对较晚，建国以来，随着社会主义建设事业的发展冻土区的自然资源得到了迅速的开发和利用。六十年代初，许多科研单位，生产部门，高等院校等先后设立了专门的冻土研究机构。并已经开始对青藏高原，大小兴安岭、天山等冻土区进行较系统的冻土科学考察及室内研究试验研究，它标志着我国冻土科学研究跨进了兴旺发展阶段。而且东北大小兴安岭资源的开发及青藏高原的公路修建为我国冻土研究提供了丰富的资料，并为寒区建设积累了经验。石油的需求量在不断的增大，且油气输送的经济的输送方式是管道工程。而管道工程经常会穿越多年和季节冻土区，从而对冻土区的特性了解及其力学性能的研究是这一过程的重要部分。其中冻害问题是这一过程所面临的最大难题。管道下多年冻土上限变化，季节活动层冻胀和沉融反复作用是使管道产生破坏的主要原因。所以在管道工程中必须考虑冻土的冻胀、沉融问题。第二章：论文综述1.1论文背景及其研究意随着国家经济的不断发展，对石油的利用在不断地扩大，在石油工程中管道的输送是最为经济的一种方式。在多年冻土区修建输油管道必需考虑冻土区由于温度水分的变化引起的冻胀沉融的问题。而冻胀沉融对输油管道建设有重要的影响。特别是对其设计与施工有重要的影响，因为冻土溶化后其承载力会下降很多。许多寒区的管道建设工程问题1.2冻胀与沉融1.21冻胀与沉融的概念冻胀土体冻胀是土中水相变成冰引起的体积膨胀现象。冻胀的主要原因在于土体冰洁过程中热质和水分的迁移，外荷载也影响着冻胀的强度和速度。在冻结过程中，除原位水冻结膨胀外，水分还不断向冻结锋面迁移、聚集、结晶形成冰透晶体，是造成土体膨胀量的主要来源。而水分迁移，聚集，结晶过程又受控于土体的温度状况及应力应变场等条件。随着经济的发展，冻土的开发在不断迅速前进。在我国，尤其是在目前的西部大开发中，已经进行了格尔木至拉萨输油管线、西气东输等著名工程方面的建设，在这些寒区工程修筑过程中，必须考虑冻土这一特殊地基。由于冻土分为多年冻土和季节冻土，故冻胀也分为不同两种情况；在多年冻土区易产生冻胀现象但是不是很明显；而在季节冻土区的冻胀问题较为明显。随着全球的气候不断上升，多年冻土区不断向季节冻土转化，所以对季节冻土的研究更为重要。而且季节冻土的冻胀引起的各种冻害是最突出的工程问题，在一定程度上会危及到人类的生命安全及国家经济建设。可见，对冻土体的冻胀机理及其发展规律和完善冻胀的理论模型，对寒区的建设有着非常重要的意义。同样对冻土区输油管道的建设也尤为重要。沉融 冻土融化时，由于土层冰融化成水和水的自由蒸散，使土体在自重作用下产生下沉。这种现象称为冻土的热熔下沉，即为沉融。冻土的融沉性是冻土的一个重要的力学特性。在工程上，常用融沉系数来表示冻土的融沉性。试验研究表明：冻土的融沉主要与土体的含水量的增大而增大，随干密度的增大而减小，在相同水量的情况下，粘土的沉融性大于砂土。在冻土区，特别是多年冻土区，融沉是建筑物破害的主要原因。因此，对冻土的融沉性的研究对国家的经济建设及人类的安全也尤为重要。1.22冻胀与沉融的机理土体的冻胀机理：土体的冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀。孔隙水原位冻结，体积增长9%，又由于外界水分补给并在土中迁移到某个位置冻结，则体积增大1.09倍。因此开放系统饱水土中的分凝冻胀是土体冻胀的主要原因，分凝冻胀机理包括土中水分迁移和成冰作用。决定土体冻胀的主要因素在于土中的热流和水流即温度场和水分场，而外界压力及土质则在不同程度上改变着东长得强度和速度。土体的融沉系数与土质，干密度，含水量等因素有重要关系，通过高科研学者的众多试验证明融沉系数与土体的塑限含水量、饱和含水量之间的数学关系式。冻胀沉融归根结底就是热质迁移问题，冻结缘的厚度、分凝冰形成温度以及冰透镜体形成条件等作为热质迁移试验研究更为关注，质的迁移研究不仅限制在水分迁移而且冻土领域中的矿物质、溶质、气体等迁都有影响。1.3冻胀与沉融大概的研究现状 在冻胀、融沉理论方面国内外学者作了不少研究。早在17世纪后期，人们就已经注意到冻胀现象，进入20世纪，人们才有了进一步的研究，将此研究转向微分方面研究，李萍，徐雪祖，陈峰峰他们的研究表明： 认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源，并提出了第一冻胀理论即毛细理论13J，但是毛细理论的首次提出者是Everett。然而，毛细理论有他的缺陷即不能解释不连续冰透镜是如何形成的，并且在此理论细颗粒土中的冻胀压力并未达到重视。认识到毛细理论的不足之处，Miller提出在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带，称为冻结缘。冻结缘理论的建立克服了毛细理论的不足，称为第二冻胀理论。Kagan等对土石冻胀现象进行了分析，土石节理被含水量较大甚至饱和的细粒土充填，形成封闭系统下冻胀敏感带，这个区域发生冻结时具有较大变形和破坏力，对周围的建筑物有着较大的影响，同时会影响到国家的经济建设和人命的生命安全； YoshikiMiyata基于水分迁移、热量输运和机械能平衡方程提出了宏观冻胀理论；KunioWatanabe通过室内冻胀试验，观测了冻结锋面微结构，温度变化恒定时试验可观测到有节奏的冰透镜体，其生长速度随冻结速度增大而增大；Ishizakit开展了冻胀沉融对文物古迹的研究采用摄像系统对啊水分凝及破坏过程进行动态勘察，并且提出了简化冻结缘未冻水流模式。Takeda在冻胀试验中对冻结锋面附近微结构进行了动态摄影，发现冻结缘中微结构无明显变化，而在冰分凝面上，冰、土颗粒和未冻水有着很活跃的运动。刘鸿绪认为地表冻胀量是冻胀率沿整个冻结深度的叠加，法向冻胀力则是在冻结锋面上冻胀应力沿基础影响范围之内的积分，它与地表冻胀量没有直接联系；高伟对路基材料(粉煤灰)的冻胀规律进行对比，简化了冻胀评价因素，在工程应用中有一定的参考价值；徐学祖等对物理学、化学与冻胀机理进行综合研究，并对薄膜水迁移机理深入探讨。何平等人分别对饱和土的水、热、力场以及冻结缘特征进行研究，认为土体冻结时不论是融土区、过渡区(正在形成的分凝冰及冻结缘区)还是冻土区都涉及到温度场、水分场、力学场等问题，指出了力学场对土体变形过程(冻胀、压密)及分凝冰形成起重要作用；周国庆在试验研究的基础上，探讨了保水沙层的竖向冻结及融化过程中结构的切向应力，研究表明：冻结饱和沙在融化过程中经过三个阶段：负温升温，相变，自由水升温。在这三个阶段中分别对应着三个融化沉降过程：开始，急降，缓降，且时间比为：1：2：2；最终模型收到切向融沉压缩附加应力影响【3】。在工程应用上，刘云友，李玉军对路基土冻胀机理进行探讨徐学祖等人通过边界温度恒定的土盘冻胀试验，提出冻结缘厚度取决于冻结速度和冻胀速度，且具有随冻结历时增大、恒定和减小3种模式，冰分凝最容易在无结构联系处(裂隙)形成，冰分凝温度随冷端面温度降低而降低，提出利用未冻水含量与温度关系曲线、土的起始冻结温度和冷端面温度估算冰分凝温度。综合来说，土体冻胀机理主要涉及到土体中温度场、水分场和应力场的问题。水热力三场的耦合问题可以说是一个及其复杂的热力学、物理化学和力学的综合问题。2.4冻土温度场的研究冻土温度场的研究已有170多年的历史了，现在已经对温度场有关的热力学，热物理学，工程建筑稳定性以及地球表面和岩土温度场的研究有了一些理论研究，但是我国对冻土温度场的研究起步晚，70年代后开展了非线性相变温度场的数值模拟。80年代后对这方面的研究有了重大的突破和发展。对冻土区温度场的影响主要有冰水相变和水分迁移，水分迁移主要是由于水分在迁移时，一方面，水分在迁移的过程中携带热量，对温度产生影响，另一方面，水分迁移必然引起土壤含水量和土的热参数的变化，直接影响导热和温度场。Harlan模型是温度场和水分场的耦合方程组，它从热学、力学和物质守恒方面出发，利用数理方法描述了物质运移的原动力和运移方向。Harlan模型的热流方程为： （1）水流方程为： （2） （3）式中 x坐标，m； T温度，； 导热系数，W/(.)； C比热，J/(.)；密度，/；t时间，s； L冰的融化潜热，；冰的体积含量；导水系数，土水势，；冰的密度，；水的密度，；LNG未冻结水的体积含量，；不同种类冻土的热力学性能的基本参数：物理量草炭层2.021.4561.42.0361050157.77亚粘土6.181.0335.01.407170860.1碎石亚粘土4.281.173.421.441708185.46弱分化基岩7.6490.7206.4510.885237036.9钢管230.40.75230.40.757800保温层0.0651.380.0651.3833：冻结状态导热系数，单位：；：融化状态比热，单位：；：融化饱和导热系数，单位：；：冻结状态比热，单位：；：密度，/； :潜热，第三章：模型建立3.1.基本假设由影响埋地原油管道散热因素可知，埋地输油管道周围温度场计算非常复杂。故作以下简化： 埋地输油管道在长距离的输油过程中进行热传递，达到相对恒定的温度后，可以忽略轴向温降，即将三维不稳定热传导过程转化为二维不稳定热传导来研究； 大地是本身是一个复杂的温度场，是由于土壤是复杂混合物，属于各向异性不均匀介质，为便于数学计算，将管道周围土壤简化为各向同性均匀介质； 管道具有对称性 假设管道在运行期间内没有发生位移，也不考虑水分的迁移； 假设原油管道只对离其较近处土壤有一些影响，而对两侧15m之外的土层没有影响。 输油管道是埋地管道，而大地本身是一个温度场，距地面一定深度后，管道的散热对大地的温度变化几乎可以忽略，由于在此深度处温度终年变化小于1可以认为是恒温层：输油管道水平径向一定距离处，输油管道的散热对大地毫无影响，可视为绝缘边界；所以对管道研究时认为土壤每一层的水平方向可以视为恒温层，输油管道在大地的深度方向上发生变化，一定深度以上的地面温度受大气温度影响，呈周期性变化。在此周期性变化条件影响下的温度场具有温度波的衰减特点：大地内部深度方向上，任意深度处的温度随时间的变化与表面处的温度变化均呈周期相同的余弦函数规律；任意深度处温度简弦波的振幅是衰减的，这样深度越深，振幅衰减越甚，因此当深度足够深时，温度波动振幅就衰减到可以忽略不计的程度，这种深度下的地温即为恒温层。故可将研究的模型进简化为如下图以所示：有前面分析得知，任意深度处的温度随时间的变化与表面处的温度呈余弦规律，3.2、温度场3.2.1、热力学第一定律能量不能消失但可以从一种形式转化为另一种形式，也可从一种物质传递给另一种物质即为热力学第一定律。 (2-1)其中， ：为热能；：为做功 ：为系统内能; ：为系统动能； ：为系统热能。2.4.2热分析的控制方程热传导的控制偏微分方程： （2-2）其中 （2-3）其中： 为媒介传到速率3.2.2温度场方程在热输送过程中，忽略热对流的影响，热传导方程可表达如下 C=div(gradT)+LP (3.1)温度边界条件 Ta=Tb (为气温，T为相变区下边界温度) (3.2)温度初始条件 =T （T为绝对温度） (3.3)式中C为介质的热容量，对于冻岩和未冻岩是不同的；为介质导热系数，对于冻岩和未冻岩取不同值；L为相变潜热，为体积含冰量，为冰压力，T为温度。 在式(3.1)中，最后一项为部分水分发生相变时所吸收或释放的热量。因此，式(3.1)可认为是一个含有热源的瞬态温度场方程。非饱和未冻岩和冻岩的导热系数均随含水量不同而发生变化，在含水量比较高的情况下，冻岩的导热系数比未冻岩的值大。 3.2水分场方程对于饱水和非饱水软岩，其水分迁移方程均可表示如下： (3.4)水分初始条件为 (3.5)式中w为水分的体积总含量，包括冰等效后的部分，即=+;为岩体中未冻水的体积含量；k为介质的导水系数，对于冻岩和未冻岩二者不同，未冻水导水系数是体积含水量的高度非线性函数，冻岩的导水系数还随着温度下降而急剧减少；为岩水势，是软岩中水分迁移的原动力，它的组成有多种势能。在未饱水开放系统中，在考虑外部载荷的情况下，其表达式可以写成如下形式 +G (3.6)式中为转换系数，G为重力势，为水压力。由于岩体中水压力的求解很困难，因此我们采用Clapeyron方程来描述一点处的水压、冰压及温度之间的关系 (3.7)式中Pi为相应点的冰压力；T为标准大气压下软岩中水的水冰相变点； 、 分别为水和冰的密度。在该点处水压、冰压与该点的孔隙正压力的关系可用如下所示的表达式 +(1-) (3.8)在应力场中，就是静水压力，因此有 =() (3.9)式中:是静水压力，为该点第一应力不变量。=()是一个与未冻水含量及孔隙比有关的参数。将式(3.7)和(3.8)联立求解，即可求得的表达式形式如下 = (3.10)3.3应力应变方程在弹性体中，应满足平衡微分方程、物理方程、几何方程、应力边界条件及位移边界条件等，下面以矩阵形式分别给出：平衡微分方程L+G=0 (3.11)物理方程=D(-) (3.12)几何方程=LU (3.13)应力边界条件M=F (3.14)位移边界条件= (3.15)式中：在这里初始应变是由于水分由液相变为固相后产生体积应变v，v的表达式如下:=0.09(+)+ (3.16)式中为前一状态下的水分含量；为在一定时间内的水分迁移量。 故可将研究的模型进简化为如下图以所示图一: 地表以下20m处为恒温层径向15米处管道散热对大地温度影响可忽略。即如上图：H:20米；L：15米；D：1.0米1） 管道：根据科研资料提供的钢材类型，其管道的弹性模量,密度,泊松比，屈服应力如下表所示： () () ()2.05E578000.34502） 土体：土为粘土，竖向分为两部分，即活动层和多年冻土层，有资料研究结果可知，土的参数一律取为-2时的参数。对于活动层和多年冻土层的弹性模量，密度,泊松比，如下表分别所示：活动区/多年冻土区 () ()（）23.470192018340.320.15所研究模型的问题描述：输油管道的直径取0.914m，壁厚为11.4mm如上图A1所示，A2皆为土壤，其中A1的取直径为.9140米；A2的取边长为15.0米；A1为恒温5，A2的温度是变化的由-5升到20，。求输油管道随外部温度变化时其管道的应变分布及温度场分布。模型如下图所示： 第四章：ANSYS应用1.1该论文用到的有限元内容简介 使用ANSYS对该模型的分析涉及到的有温度场，耦合场。其中用的热力分析，所谓的热力分析是指：由于接触的不同结构物体或同一结构物体的不同部分之间的热膨胀系数不匹配，在升温或者降温时彼此的膨胀或收缩程度不同，从而导致热应力的产生。热应力实际问题是热和力量个物理量之间的相互作用，故属于耦合场分析问题。与其他耦合场的分析方法类似，ANSYS提供了两种分析热应力的方法：直接发和间接法。直接法是指直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果；间接法则是指先进行热分析，然后求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。耦合场分析的定义耦合场分析：是指在有限元分析过程中考虑了两种或两种以上的工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响耦合。耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是有那些场的耦合作用，但是耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：间接偶合法和直接偶合法。1、 间接耦合解法间接耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是通过吧第一次场分析的结果作为第二次场分析的荷载来实现两种场的耦合的，例如间接热应力耦合时，是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后面的应力分析中来实现耦合作用。 许多问题需要热到结构的耦合（温度引起的热膨胀），但反之不可，结构到热耦合是可以忽略的（小到应变将不对初始的热分析的结果产生影响），入下图所示： 热 结构 热结构在实际问题中，使用这种方法要比使用直接法更为方便。因为分析时使用单场单元而不用进行多次迭代计算。在ANSYS中有两种基本方法进行间接耦合场分析。它们主要区别在于每个场的特性是如何表示的： 物理环境方法：单独的数据库文件在所有场中使用。用多个物理环境文件来表示每个场的特性。 手工方法：多个数据库被建立和存储，每次研究一种场。每个场的数据都存储在数据库中。在本论文中主要用到的是：热结构场耦合。其物理环境主要分析步骤如下： 进行热分析前处理操作。 写热分析物理文件。 清理边界条件和存储数据。 进行结构分析前处理操作。 写结构分析物理文件。 读取热分析物理文件。 对热分析进行求解和后处理。 读取结构分析的物理文件。 从热分析中读取温度分析结果。 对结构场进行求解和后处理。 2、 直接耦合解法直接耦合解法是利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场的分析结果。实用于多个物理场各自的响应互相依赖的情况。由于平衡状态要满足多个准则才能取得，直接耦合分析往往是非线性的。每个节点的自由度越多，其矩阵方程就越庞大，耗费的时间就越多。在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或者单元荷载来实现的。在ANSYS中具有能力进行耦合场分析的单元如下表所示：ANSYS中具有耦合场分析能力的单元 单元名称PLANE223CONTAL171SOLID62FLUID29PLANE53CONTAL172SOLID69FLUID30PLANE13CONTAL173SOLID97FLUID141PLANE67CONTAL174SOLID98FLUID116PLANE124CONTAL175SOLID227FLUID142PLANE157CONTAL169SOLID226FLUID109LINK68CONTAL170SOLID5FLUID126直接耦合场要注意的问题： 使用耦合场单元的自由度要符合耦合场的要求。无需耦合的部分使用普通单元。 认真分析每种单元型的单元选项，材料性能常数及实常数。 单位制统一。 无需迭代算，热耦合场单元不得使用子结构。直接耦合的解法与间接耦合解法的应用范围对于不存在高度非线性相互作用的情形间接法较为有效且更为方便，但是若存在高度非线性相互作用的情形，则使用直接耦合解法更有优势。ANSYS中温度场与结构场对应关系如下表：温度场结构场温度场结构场温度场结构场温度场结构场LINK32LINK1PLANE67PLANE42SOLID69SOLID45SURF151SURF152LINK33LINK8PLANE35PLANE2SOLID90SOLID95SURF153SURF154LINK68LINK8PLANE78PLANE83SOLID87SOLID92SHELL157SHELL63PLANE77PLANE85SOLID70SOLID45SHELL57SHELL63PLANE55PLANE42MASS71MASS211.2使用ANSYS对该课题研究的程序及结果显示所研究模型的问题描述：输油管道的直径取0.914m，壁厚为11.4mm如上图A1所示，A2，A3皆为土壤，其中A2的取直径为3.0米；A3的取直径为15.0米；A1为恒温5，A2的温度是变化的由-5升到20，A3的温度由5升到3。求输油管道随外部温度变化时其管道的应变分布及温度场分布。3） 管道：根据科研资料提供的钢材类型，其管道的弹性模量，密度,泊松比，屈服应力如下表所示： () () ()2.05E578000.34504） 土体：土为粘土，竖向分为两部分，即活动层和多年冻土层，有资料研究结果可知，土的参数一律取为-2时的参数。对于活动层和多年冻土层的弹性模量，密度,泊松比，如下表分别所示：活动区/多年冻土区 () ()（）23.470192018340.320.15 问题分析;1、 管道和土体模型的网格划分问题分析;应用物理环境对该问题进行热应力及结构的分析。在热分析使用二维八节点PLAN77单元；在结构分析时选用二维八节点PLAN82单元。1.3对用ANSYS分析的结果进行分析，并得出结论1.4对得出的结论进行分析