新疆油氣管道主要風沙災害及其風險管理

吳錫合,寇智勇,關惠平

(1.中國石油西氣東輸管道公司,上海 200122;2.成都大學城鄉建設學院,四川成都 610106; 3.西南石油大學建筑工程學院,四川成都 610500)

新疆油氣管道主要風沙災害及其風險管理

吳錫合1,寇智勇2,關惠平3

(1.中國石油西氣東輸管道公司,上海 200122;2.成都大學城鄉建設學院,四川成都 610106; 3.西南石油大學建筑工程學院,四川成都 610500)

針對新疆沙漠地區天然氣管道風沙災害現狀,分析了管道沙害的基本形式和致災機理,并根據風沙流運動的基本特點,經回歸推導了新疆沙漠地區不同風速、不同沙丘位置的油氣管道覆土風蝕速度與氣流流速的相關方程,為油氣管道風沙災害風險評估和安全管理提供了可借鑒的科學依據.

油氣管道;風沙災害;覆土風蝕速度;風險管理

0 引 言

隨著我國石油天然氣長輸管道建設的快速發展,其安全狀況必然會遭遇到各種環境及地質災害的威脅.由于長輸油氣管道空間跨度大,各地域的環境及地質條件各異,從而導致管道沿線各區段間發生的各種環境及地質災害類型及其所占比重也各不相同.風沙災害是西氣東輸天然氣管道新疆段的主要災害類型之一[1-3].本文通過對西氣東輸管道新疆段風沙災害的現場調研和長期觀測,基本查明了新疆段管道沿線風沙災害的現狀,進而分析了各風沙災害點發生災害的機理,初步評價了其風險等級,為新疆段石油天然氣長輸管道風沙災害風險評估和安全管理提供了科學依據.

1 工程概況

西氣東輸管道新疆段,西起輪臺縣的輪南鎮,自西向東途經巴音郭楞蒙古自治州、吐魯番地區和哈密地區3個地州的8個市縣和2個團場(見圖1);穿越群兒庫姆沙漠北緣至庫爾勒市、阿克塔格山至塔什店,然后沿博斯騰湖南部平原、沙丘地繼續向東,再通過庫米什盆地進入覺羅塔格山,最后穿過南湖戈壁進入甘肅境內.西氣東輸管道新疆段全長約為941 km,沿途地區絕大部分為荒漠、戈壁,其中近2/3為無人、無路區,夏季高溫,冬季寒冷,氣候干燥,風沙大,自然環境條件十分惡劣.

圖1 西氣東輸天然氣管道新疆段走向示意圖

西氣東輸管道工程新疆段地質災害風險評估所在區域主要位于庫魯克塔格山西端北麓——庫米什谷地之間.地勢西高東低,管線地勢分布呈兩頭低,中間高.區域最高山峰的海拔高度約2 300 m,區域相對低處為博斯騰湖東岸的阿克達拉河口湖濱地區(海拔高度約1 060 m左右)及庫米什谷地的喀爾江尕勒盆地(海拔高度約810 m左右).區域內所涉水系均屬內陸水系,自西向東分別為：塔里木河內陸水系、托克遜烏尊布拉克區域內陸水系.區域內主要分水嶺為西南天山的庫魯克塔格、克孜勒塔格、干草湖山、庫米什南山.

2 管道主要風沙災害現狀及致災機理

根據現場踏勘和實際調查結果,西氣東輸管道工程新疆段主要風沙災害點共有9處,均發生在雅滿蘇段內,其中管道長距離風蝕裸露1處(A級風險),沙埋伴行路面8處(B級風險).

2.1 風蝕露管災害點及致災機理分析

圖2 西氣東輸管道工程新疆段測789 km處風蝕地形

雅滿蘇段風蝕露管災害點位于測789 km處.由于該處管道位于迎風坡面,同時又處于兩座巨型沙丘之間,故氣流在該處的行進過程中必然要受到兩側沙丘的擠壓,形成了“漏斗”效應(見圖2),從而導致通過該處的氣流流速急劇增加,特別是當近地表氣流運行速度達到或超過沙粒的啟動速度時,沙粒開始發生滾動、跳躍乃至進入氣流中,從而出現由氣流演變成為風沙流的過程.而風蝕作用從形成風沙流的那一刻起變得更加劇烈,使得管道上部的沙粒不斷地被風沙流輸運,直至將將管道上部的沙粒全部帶走,最終發生露管現象(見圖3).

圖3 西氣東輸管道工程新疆段測789 km處管道風蝕災害(露管)

2.2 沙埋伴行路面災害點及致災機理分析

雅滿蘇段沙埋伴行路面災害點均位于測788 km～測793 km間,其共同的特點是伴行路在穿越連綿4 km的流沙段時,或由于路面過沙停留,或由于路面本身地處丘間洼地而發生沉積,造成伴行路面大量積沙,嚴重影響了巡線車輛的通行效率(見圖4).

圖4 西氣東輸管道工程新疆段測789 km處沙丘間沙埋的伴行路面

從我們長期現場觀察看：一種情況是,當裹挾沙粒的風沙流越過沙丘頂部行進到沙丘間地段時,加大了風沙流的過流斷面,或由于背風,風沙流的動力突然被削弱,從而使行進中的沙粒從風沙流中分離出來而在其重力作用下沉積下來,造成了沙丘間沙埋管道伴行路面的風沙災害;另一種情況是,風蝕造成沙丘順風前移(沙粒被推移)而產生的壓埋伴行路面.所不同的是后者壓埋的速度要比前者快得多,特別是低矮沙丘前移造成的壓埋路面.

3 管道沙害參數的估計方法

從沙粒在氣流的作用下起動開始,沙粒的運動便進入躍移的運動階段.但由于整個沙面是由不同沙粒組成的,其沙粒的性質很不規則,特別是近沙面氣流具有十分復雜的湍流性質以及流速的脈動性質,造成了沙粒的運動具有很大的隨機性和復雜性.

3.1 風沙流流場特征參數

通常認為,對數規律能很好地描述近沙面的氣流分布特征[1],即：

式中,Ug為高度y上的氣流速度(m/s),U＊為摩阻速度(cm/s),y為沿沙面高度(cm),Z0為粗糙度(cm).其中,

式中,τg為近壁面氣流切應力;ρg為流體密度.假定 y與Ug之間的相互關系滿足,

將式(1)與式(3)聯立求解,則有

考慮到湍流效應,顆粒雷諾數 Red為[2],式中,ρg為空氣密度(g/cm3),U0為氣流平均流速(m/s),ds為沙粒的平均直徑(mm),μg為空氣粘性系數.

根據9種工況的近沙面氣流流場參數[2]如表1所示.通過回歸分別得到：

表1 近沙面氣流流場主要參數(綜合起動)[2]

3.2 風沙流沙粒濃度分布特征參數

風沙流中沙粒濃度可用沙粒數密度 ns來表征,

式中,ns為風沙流沙粒數密度(1/cm3),Ns為沙粒數量,V為風沙流體積(cm3).

雖然風速的增加可使在不同高度位置上的沙粒數量均會出現不同程度的增長,但隨著高度的增加,沙粒數密度增加幅度也會越來越小,并且當風速增加到一定值后,氣流中的沙粒含量會趨于穩定.

通過式(6)可以看出,隨著風速提高,摩阻速度出現的位置越來越高.這說明了風速越大,沙粒飛行的高度越高,沙粒被風搬運的距離越遠.這與自然現象是相符合的.

在通常情況下,當風速一定時,近沙面的風沙流中沙粒含量總是要高于遠沙面風沙流中的沙粒含量.假定沙粒濃度沿高度方向呈負指數分布,則,

式中,n0為沙面表層(y=0)的沙粒數密度,y為距沙面高度,M為衰減率參數.M值的物理意義是沙粒數密度達到n0e-1時的高度位置.

根據9種工況的沙粒數密度與高度擬合綜合起動公式系數(見表1),通過回歸分別得到：

根據9種工況的沙粒數密度與高度擬合流體起動公式系數(見表1),通過回歸分別得到：

3.3 高速風沙流輸沙率的估算

輸沙率是評價管道沙害風險的重要指標,也是風沙災害地區進行管道完整性管理工作的重要技術依據之一.單寬輸沙率是指風沙流在單位時間和單位寬度內的輸運沙量.根據表1,通過回歸可得：

式中,qs為單寬輸沙顆粒數量(1/m·s).

3.4 管道覆土風蝕速度的估算

根據相關資料[3,4],我國沙漠的風成沙礦物成分主要為石英,顆粒粒徑成分主要為細沙(0.1～0.25 mm),平均含量約66.78%,最高含量為99.38%,粗顆粒級和粉粒級的含量均很低,孔隙率為50%左右,干沙容重一般為1.4×104N/m3.假定敷設在迎風坡面的管道附近的氣流風蝕的沙粒全部被輸運,且整個坡面的風蝕強度是均勻的,沙粒平均粒徑按0.175 mm計,則坡面單位時間被風沙流輸運的沙粒總體積vs為,

式中,d為沙粒平均粒徑(mm).

根據式(9)、(10)和表1,通過回歸可得圖5和式(11),且有,式中,h為單位時間單位寬度管道覆土平均風蝕速度(U0≤6.0 m/s,mm/m·h).

圖5 風沙流管道覆土風蝕速度與平均流速曲線圖

在風向、風速等恒定的情況下,當氣流平均流速為5.0 m/s時,管道覆土風蝕速度約為1.70 mm/m·h,根據式(11)可估算出管道露管的時間約為49 d;當氣流平均流速為6.0 m/s時,造成管道露管的時間約為17.6 d.

當平均流速超過6.0 m/s時,可以根據塔克拉瑪干沙漠地區氣象站高度風速與輸沙率相關方程[4]推導的公式進行估算.

在沙丘的迎風坡面中部,當風速達到10 m/s時,管道覆土的風蝕速度約為8.41 mm/m·h,造成管道露管的時間約為9.9 d;而當風速達到15 m/s時,管道覆土的風蝕速度約為8.41 mm/m·h,造成管道露管的時間僅為1.1 d.上述計算結果均基本符合現場的實際情況.

4 結 論

通過對新疆沙漠地區油氣管道沙害的基本形式和致災機理的分析,結合風沙流運動特點和相關試驗及現場觀測數據,經回歸推導了沙漠地區不同風速、不同沙丘位置的油氣管道覆土風蝕速度與氣流流速的相關方程,其試算結果均基本符合現場實際,可作為定量評價管道沙害風險和進行管道完整性管理工作的科學依據之一.

[1]戴昌暉.流體流動測量[M].北京：航空工業出版社,1991.

[2]程 旭.風沙兩相流中沙粒起動規律的實驗研究[D].北京：清華大學,2003.

[3]朱朝云,丁國棟,楊明遠.風沙物理學[M].北京：中國林業出版社,1992.

[4]王訓明,董治寶.起沙風統計和工程輸沙量計算中的若干問題[J].干旱區資源與環境,2000,14(3)：41-45.

Wind-sand Disaster of Oil and G as Transfer Pipelines in Xinjiang and Its Risk Management

WU Xihe1,KOU Zhiyong2,GUAN Huiping3

(1.China Petroleum West-East Gas Transfer Pipeline Corporation,Shanghai 200122,China; 2.School of Urban and Rural Construction,Chengdu University,Chengdu 610106,China; 3.School of Architecture Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

For the actualities of wind-sand disaster of the gas transfer pipelines in Xinjiang desert area and based on the analysis of the basic characteristics of wind-sand flow movement,the basic type and mechanism of pipeline’s wind-sand disaster were summarized.Equation of correlation about the wind speed,the erosive rate of soil covering on the oil and gas transfer pipelines in different dune locations and the speed that airflow moves in the Xinjiang desert area were derived by regression,which has the important significance for the disaster’s risk evaluation and the security management of the pipelines.

oil and gas transfer pipelines;wind-sand disaster;erosive rate of soil;risk management

U45;P694;TU94

：A

1004-5422(2010)02-0159-04

2010-01-27.

吳錫合(1971—),男,高級工程師,從事油氣管道運輸工程研究.