中俄原油管線（CRCOP）在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，面臨途經(jīng)多年凍土區(qū)的埋地管線發(fā)生凍脹、融沉等凍土病害問(wèn)題。多年凍土區(qū)管道不均勻沉降可能引發(fā)管道變形，還可能會(huì)導(dǎo)致管道失穩(wěn)，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何有效防治高油溫誘發(fā)的融沉問(wèn)題，成為確保中俄原油管線穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。

基于上述科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院科研團(tuán)隊(duì)研究提出一種新型倒T型碎石管道路堤（ITCPE）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于“煙囪效應(yīng)”原理，利用管道自身熱量強(qiáng)化對(duì)流，可更有效地帶走管道熱量，冷卻凍土。此外，基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)邊界，結(jié)合多孔介質(zhì)及相變理論，對(duì)ITCPE、無(wú)保護(hù)管道路堤（UPE）和傳統(tǒng)水平碎石管道路堤（THCPE）結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的熱效應(yīng)進(jìn)行了長(zhǎng)期數(shù)值預(yù)測(cè)。研究結(jié)果表明，無(wú)論是有保溫層的埋地管道結(jié)構(gòu)、無(wú)防護(hù)的管堤結(jié)構(gòu)，還是傳統(tǒng)的水平碎石管堤結(jié)構(gòu)，都無(wú)法很好地解決中俄原油管線融沉問(wèn)題。但新型ITCPE結(jié)構(gòu)可以有效減緩管道融沉問(wèn)題，而且在管道運(yùn)營(yíng)50年內(nèi)可顯著維持管堤下伏凍土的人為凍土上限高度。相關(guān)研究結(jié)果為中俄原油管線提供了技術(shù)支持，同時(shí)也為全球多年凍土區(qū)其他管道工程的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供科學(xué)參考。

該成果以Thaw?bulb?formation?surrounding warm- oil?pipelines?and?evaluation?of?the?cooling?performance?of?a?new?airconvection?pipeline?embankment?structure為題發(fā)表于愛(ài)思唯爾旗下Energy期刊。

西北研究院曹亞鵬助理研究員為論文第一作者，李國(guó)玉研究員為論文通訊作者，馬巍研究員等為論文共同作者。該研究獲中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）、凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等項(xiàng)目共同資助。

圖1?(a)?地表沉降(b)、(c)管溝積水(d)管-土相互作用示意圖

圖2?新型ITCPE結(jié)構(gòu)示意圖

圖3?三種管堤結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)50年內(nèi)融化圈演化

圖4?(a)UPE(b)THCPE和(c)ITCPE在不同深度處地溫變化

圖5?ITCPE結(jié)構(gòu)中多孔介質(zhì)層冷暖季對(duì)流?(a)暖季?(b)冷季

論文鏈接：?https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.130668