Hot Pipelines in Permafrost Hydraulic, Thermal and Structural Considerations

Peer reviewed: NoNRC publication: Ye

Thermal conductivity of some ice rich permafrost soils

Values are presented for the thermal conductivity of frozen and thawed ice rich permafrost soils from Inuvik, Northwest Territories, measured under field and laboratory conditions with a cylindrical heat source. Samples were shipped to Ottawa, Canada, in the frozen condition at temperatures ranging from -5 to -70 degrees C. It was found that temperature of shipping and repositioning of the probe between measurements had no statistically significant effect on results. The dependence of thermal conductivity on bulk unit weight and dry unit weight is given for both frozen and thawed samples. Measured thermal conductivities were found to be in good agreement with other values obtained for similar soils and corresponding unit weight and water content.Des valeurs de conductivit\ue9 thermique sont donn\ue9es pour du perg\ue9lisol riche en glace de Inuvik, Territoires Nord-ouest \ue0 l'\ue9tat gel\ue9 et d\ue9gel\ue9, telles que d\ue9termin\ue9es sur place et en laboratoire au moyen d'une source cylindrique de chaleur. Des \ue9chantillons furent exp\ue9di\ue9s \ue0 Ottawa \ue0 des temp\ue9ratures de -5 degr\ue9s C et -70 degr\ue9s C. On a constat\ue9 que ni la temp\ue9rature d'exp\ue9dition ni la r\ue9insertion de la sonde entre les prises de mesure n'avait d'effet significatif sur les r\ue9sultats. La d\ue9pendance de la conductivit\ue9 thermique sur le poids unitaire total et le poids unitaire sec est d\ue9montr\ue9e et pour des \ue9chantillons gel\ue9s et pour des \ue9chantillons d\ue9gel\ue9s. Les conductivit\ue9s thermiques ainsi d\ue9termin\ue9es sont en bon accord avec d'autres valeurs obtenues pour des sols semblables et pour poids unitaire et teneur d'eau correspondants.Peer reviewed: NoNRC publication: Ye

Development and Calibration of a Thermal Conductivity Probe Apparatus for use in the Field and Laboratory

An important property in the solution of geothermal problems is the thermal conductivity of the ground. Data on conductivity of soils, particularly in permafrost areas, are extremely scarce owing in part to the fact that a relatively inexpensive and simple apparatus has not been available for measuring conductivity with confidence. This paper deals with the development of such an instrument for use in permafrost soils under both field and laboratory conditions. A series of tests has been carried out to calibrate the probe with the guarded hot plate using several granular materials.La conductibilit\ue9 thermique du sol est un \ue9l\ue9ment important de la solution des probl\ue8mes g\ue9othermiques. Les donn\ue9es sur la conductibilit\ue9 du sol, surtout dans les r\ue9gions gel\ue9es en permanence, sont tr\ue8s rares, en partie parce qu'il n'existe aucun appareil relativement simple et peu co\ufbteux qui permette de mesurer la conductibilit\ue9 avec pr\ue9cision. Le pr\ue9 sent article traite de la mise au point d'un tel appareil pour l'\ue9tude des sols gel\ue9s en permanence, tant sur place qu' en laboratoire. On a men\ue9 une s\ue9rie d'essais afin d'\ue9 talonner la sonde avec la plaque chaude gard\ue9e au moyen de divers mat\ue9riaux granuleux.Peer reviewed: NoNRC publication: Ye

Instrumentation around a warm oil pipeline buried in permafrost

A section of an uninsulated pipeline, 90 ft (27.4 m) long and 2 ft (0.61 m) in diameter, was buried in ice-rich permafrost at the Mackenzie Valley Pipe Line Research Limited Inuvik Test Facility. Oil at 160 degrees F (71 degrees C) was circulated through the pipe from July 1971 to January 1972 causing a thaw bulb to develop around it. Instrumentation was placed around the pipe to measure temperature, settlement, and pore-water pressure. Temperatures near the ground surface and at depth were measured using thermistors as the sensing element. Settlement was monitored by spiral foot gauges and by taking elevations at the ground surface and on rods welded to the pipe. Pore pressures were measured by gas-operated and Casagrande-type piezometers. Selection, fabrication, and installation of this instrumentation are discussed.On a enterr\ue9 un tuyau de pipe-line non isol\ue9 de 90 pieds (27. 4 m) de longueur et de deux pieds (0.61 m) de diam\ue8tre dans du perg\ue9lisol riche en glace au centre d'essais d'Inuvik de la Mackenzie Valley Pipe Line Research Limit\ue9e. On a fait circuler dans le tuyau de l'huile \ue0 160 degr\ue9s F (71 degr\ue9s C) de juillet 1971 \ue0 janvier 1972, ce qui provoqua la formation d'un bulbe de d\ue9gel autour du pipe-line. On a dispos\ue9 des instruments autour du pipe-line afin de mesurer la temp\ue9rature, le tassement et la pression interstitielle. On a mesur\ue9 les temp\ue9ratures pr\ue8s de la surface du sol et en profondeur au moyen de thermistors. On a v\ue9rifi\ue9 le tassement au moyen de jauges \ue0 semelle en spirale ("spiral foot gauge") et en mesurant les niveaux \ue0 la surface du sol et sur les barres soud\ue9es au tuyau. On a mesur\ue9 la pression interstitielle au moyen de pi\ue9zom\ue8tres actionn\ue9s au gaz et de type Casagrande. On examine la question du choix, de la fabrication et de l'installation de ces instruments.Peer reviewed: NoNRC publication: Ye

Performance of a warm-oil pipeline buried in permafrost

Instrumentation of a buried warm-oil (71 degrees C) pipeline test section near Inuvik, N.W.T. was undertaken by Mackenzie Valley Pipeline Research Limited, with technical assistance from the Division of Building Research, National Research Council, Canada. The test section was placed in a gravel fill overlying an ice rich silt subgrade. Pore pressures in the resulting thaw bulb were measured using pneumatic piezometers and the rate of movement of the thaw bulb was determined using thermistor probes. Settlements occuring within the fill were measured and correlated with predictions made from laboratory thaw-settlement tests. As a result of this investigation a temperature buildup from 38 to 60 degrees C over a 5-year period is proposed for a full- scale pipeline operation to ensure adequately low pore pressures and to decrease the settlement rates.Un troncon d'essai de pipeline transportant du p\ue9trole chaud (71 degr\ue9s C) pr\ue8s d'Inuvik (T.N.-O.) a \ue9t\ue9 muni d'instruments de mesure par la Mackenzie Valley Pipeline Research Limited, avec l'assistance technique de la Division des recherches en b\ue2timent du Conseil national de recherches du Canada. Le troncon est enterr\ue9 dans un remblai de gravier couvrant un sous-sol limoneux riche en glace. On mesure les pressions interstitielles dans la bulbe de d\ue9 gel \ue0 l'aide de pi\ue9zom\ue8tres pneumatiques et on d\ue9termine la vitesse de mouvement de la bulbe de d\ue9gel au moyen de sondes \ue0 thermistors. Le tassement qui se produit dans le remblai est mesur\ue9 et mis en corr\ue9lation avec les pr\ue9dictions fond\ue9es sur des essais de d\ue9gel-tassement en laboratoire. Compte tenu des r\ue9sultats de la pr\ue9sente \ue9tude, on propose une augmentation de la temp\ue9rature de 38 \ue0 60 degr\ue9s C sur une p\ue9riode de cinq ans pour un pipeline en vraie grandeur afin d'assurer des pressions interstitielles suffisamment basses et de diminuer la vitesse de tassement.Peer reviewed: NoNRC publication: Ye

Thermal Effects in Permafrost

The role of climate and, in particular, air temperature in determining the geographical distribution of permafrost is discussed briefly for Canadian conditions. The thermal properties of permafrost materials and the climatic factors that make up the surface heat balance are discussed in general terms. The importance of surface materials in determining the ground thermal regime is illustrated by a number of theoretical calculations based on a one- dimensional finite-difference model. Using a simplified two- dimensional finite-difference model, theoretical calculations of thawing round a hot oil pipeline and freezing around a cold gas pipeline are presented and the settlement and stability problems that would result are discussed qualitatively. The importance of drainage and the effect of water bodies on permafrost is commented on. Finally, a brief review is given of current design and construction practice to minimize thermal disturbance when placing fills and foundations in permafrost regions.Les auteurs \ue9tudient bri\ue8vement le r\uf4le du climat et, en particulier, de la temp\ue9rature de l'air dans la distribution g\ue9ographique du perg\ue9lisol au Canada. Ils \ue9tudient en termes g\ue9n\ue9raux les propri\ue9t\ue9s thermiques du perg\ue9lisol et les facteurs climatiques qui constituent le bilan thermique superficiel. Ils montrent l'importance des zones superficielles dans la d\ue9termination du r\ue9gime thermique du sol au moyen de calculs th\ue9oriques qui se fondent sur un mod\ue8 le de diff\ue9rences finies \ue0 une dimension. A l'aide d'un mod\ue8 le simplifi\ue9 de diff\ue9rences finies \ue0 deux dimensions, ils pr\ue9 sentent des calculs th\ue9oriques du d\ue9gel autour d'un ol\ue9oduc " chaud" et du gel autour d'un gazduc "froid", et font une \ue9 tude qualitative des probl\ue8mes de tassement et de stabilit\ue9 qui en r\ue9sulteraient. Les auteurs mentionnent l'importance du drainage et l'effet des nappes d'eau sur le perg\ue9lisol. Enfin, ils passent bri\ue8vement en revue les m\ue9thodes de conception et de construction courantes qui visent \ue0 r\ue9duire au minimum les perturbations thermiques par suite des travaux de remblai et de fondation dans les r\ue9gions de perg\ue9 lisol.Peer reviewed: NoNRC publication: Ye