随着天然气输气量的大幅提高,管道全线压力不断提升,燃气输气管道的冻胀问题逐渐受到广泛关注。在燃气输气管道经过调压站节流后,地下埋地管道常会低于0℃运行,该低温造成管道周围土体水分冻结成冰,使土体体积膨胀,即出现冻胀现象。燃气调压站管道在冻胀现象的影响下会出现形变失效问题,极易危及管道运行安全,造成重大的经济损失。在工程设计阶段,应根据具体工程性质,采用合理方法对可能引起的土体冻胀现象及冻胀现象对管道的作用效果进行分析,以便于实际施工过程中采取适宜的实施方案和相应的冻胀预防措施,将管道运行风险降到最低。鉴于此,本文采用理论分析和数值模拟相结合的研究手段,对已有的管土结构冻胀理论进行了系统性的梳理,并结合实际工程及气候数据,对土体的冻胀规律及冻胀对管道的影响进行深入分析。此外,考虑了防治冻胀的管道外表面温度限定条件,给出了低温燃气埋地管道的冻胀治理方案,给冻胀的防治提供了一定的理论指导。主要研究内容及成果如下:(1)基于对气体绝热节流过程的理论研究,采取理论计算方法预测天然气经调压器绝热节流后的出口温度和绝热节流系数,并结合北京地区城市调压站调压范围,对不同调压压力下的天然气温降、节流规律进行分析。(2)综合考虑了冻土温度、水分、力学参数,构建了管土结构冻胀的水热力耦合数学分析模型。基于ABAQUS仿真平台设计编写相关子程序,实现了管土结构冻胀变形的计算,为管土结构冻胀变形的特性分析奠定了理论基础。(3)结合北京地区的气候和调压数据,运用管土结构冻胀的水热力耦合数学分析模型进行数值模拟,获得了冬季极限工况下的管道周边土体冻结温度场、水分场、应力场、位移场分布规律,同时预测了管道在冻胀影响下的垂直位移量。(4)为考虑防治冻胀的管道外表面温度限定条件,给出了低温燃气埋地管道的冻胀治理方案,并用数值模拟的方式对治理效果进行了分析,为低温燃气埋地管道的优化设计提供了技术依据。