長輸油氣管道融雪性漂管治理與監(jiān)測

中國石油西部管道公司

長輸油氣管道融雪性漂管治理與監(jiān)測

徐震中國石油西部管道公司

每年春季天山北麓山前沖洪積平原上會因大量天山積雪融化后出現(xiàn)突發(fā)性洪流，以固定或不固定的河道形式直接沖刷敷設(shè)于山前的長輸油氣管道。因洪峰大，沖刷力強(qiáng)，容易造成管道覆土流失，管體裸露，甚至發(fā)生漂管，嚴(yán)重影響著管道安全運(yùn)行。漂管是水毀的主要危害形式之一，通過改善管道敷設(shè)環(huán)境或增加管道外保護(hù)，可有效防止管周土體流失，同時開展管道應(yīng)變監(jiān)測能夠有效監(jiān)控管道的受力狀態(tài)，便于及時發(fā)現(xiàn)隱患，防患于未然。

長輸油氣管道；融雪；漂管；管道應(yīng)變監(jiān)測

長輸油氣管道作為典型的線狀工程，沿途所經(jīng)地貌單元多樣、復(fù)雜。滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、河流沖溝等不良地質(zhì)現(xiàn)象對管道安全運(yùn)營構(gòu)成了極大威脅。漂管是河溝管道水毀的主要危害形式之一，是指采用大開挖直埋方式穿越河流或湖塘的輸油氣管道，由于水位暴漲、沖刷、侵蝕或人工活動等作用導(dǎo)致管道上覆土厚度不足，形成裸露段而產(chǎn)生的漂浮現(xiàn)象。輸油氣管道為薄壁鋼管，當(dāng)裸露長度達(dá)到某臨界值時，在浮力作用下管道容易漂浮，并發(fā)生彎曲變形。若變形超過管材的屈服極限，將引起管道損壞釀成事故[1]。

西部管道轄內(nèi)有一些管道敷設(shè)于天山北麓的山前沖洪積扇上，每年春季氣溫回暖，大量天山積雪融化后產(chǎn)生季節(jié)性洪流，洪峰大，沖刷力強(qiáng)，以不固定的河道形式，直接沖刷山前平原，水土流失嚴(yán)重，當(dāng)管頂覆土厚度減薄或喪失，極易造成管道裸露，引發(fā)漂管，嚴(yán)重影響管道安全運(yùn)行[2]。

1漂管的治理

漂管治理需從主客體角度雙管齊下，做到防治結(jié)合。防護(hù)的主體始終是管道實(shí)體，通過采用外保護(hù)的方法，避免管道受到直接沖刷與撞擊。治理的客體針對管道所處的環(huán)境展開，如河溝道、河漫灘，通過改善管道所處環(huán)境，間接提高管道的安全性。

目前常用的主體防護(hù)方法包括采用箱涵、U形槽、硬覆蓋和石籠。箱涵適用于山區(qū)河流溝谷，易發(fā)山洪、水（泥）石流的河溝道[3]。U形槽和硬覆蓋適用于平原及山區(qū)小河溝，不適用于山洪頻發(fā)、水流量和流速較大的河溝。石籠適用于易發(fā)一般性洪水，山洪、水（泥）石流規(guī)模較小的河溝道。上述方法的作用都是使管道免受水流直接沖刷。

客體的治理方法是通過人工修建砌筑物，抑制河流下切和側(cè)蝕作用。修建攔砂壩、淤積壩、漫水壩，河底硬化、樁板墻是抑制河流下切作用的主要方式。砌筑護(hù)岸擋墻，修建導(dǎo)流壩、丁字壩、護(hù)坡是防止河流側(cè)蝕作用的主要方式。根據(jù)不同的河溝道類型和水流作用特點(diǎn)可以選用不同的工程治理手段，必要時可以采用多手段相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合治理，效果更佳。

管道水毀的治理是一種自我犧牲型的治理方式，通過損失治理工程，保障管道安全，無法做到一勞永逸。因此除了采用被動的防御手段外，還應(yīng)施以主動監(jiān)控，掌握管道主體的力學(xué)狀態(tài)為根本出發(fā)點(diǎn)。

2管道應(yīng)變監(jiān)測

管道應(yīng)變監(jiān)測能實(shí)時獲取地埋工況條件下管體的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過分析計算直觀反映一定時期內(nèi)管道的應(yīng)力變化量，及時偵測到管道異常應(yīng)力變化。由此可以初步判斷管道的工作狀態(tài)，對管道異常及時發(fā)布變形預(yù)警，從而采取積極、有效的防治措施[4]。目前管道應(yīng)變監(jiān)測已實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動化遙測，可以最大限度降低人為測量對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的干擾，提高監(jiān)測的時效性[5]。數(shù)據(jù)采集儀與應(yīng)變計之間通過雙絞線實(shí)施通訊連接，采用GPRS移動通信技術(shù)將數(shù)據(jù)采集儀獲取的數(shù)據(jù)用TCP/IP協(xié)議打包后發(fā)送，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與監(jiān)測點(diǎn)之間點(diǎn)對多點(diǎn)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸，并由解算軟件計算得出某時刻管道的受力狀態(tài)。

3實(shí)例分析

某管道輸送天然氣介質(zhì)，管徑1 219 mm，壁厚18.5 mm，鋼級X80，設(shè)計壓力12 MPa，敷設(shè)于山前沖洪積平原上，地形平坦，沿線絕大部分為農(nóng)田，局部穿越水渠及排洪溝。2010年12月至2011年2月，當(dāng)?shù)貧鉁仄毡槠停?月15日至17日出現(xiàn)中到大雪，降雪量達(dá)到歷史極值，積雪總面積與歷年同期相比偏多，積雪厚度大于20 cm。自2011年3月27日起，該地區(qū)氣溫突然快速上升，受山區(qū)積雪偏厚和氣溫回升影響，山區(qū)積雪大量融化。3月30日，管道敷設(shè)長度約470 m管段受融雪型洪水沖刷，造成該段沖溝底部嚴(yán)重下切，排洪溝內(nèi)約140 m管道被沖出，發(fā)生嚴(yán)重漂管事件。

由于該段沖溝經(jīng)多年沖刷已成為雪融水的固定河道，每年都有季節(jié)性洪流通過。經(jīng)多方論證，于同年10月對河流進(jìn)行改道和加固。在管道位置不變的前提下改變河道位置，將漂浮管道埋入一側(cè)河岸，管道上方先鋪沙袋后蓋鉛石籠，壓覆管道。同時加大河道寬度，對管道穿越的河道兩岸及河床均進(jìn)行了混凝土抹面處理，混凝土抹面河道末端修筑有石籠擋墻和護(hù)袒，防止河流下切不斷侵蝕硬化河床。

由于漂管段管道在大量融水沖刷作用下已發(fā)生大變形，且管道局部出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，考慮到管道在長期運(yùn)營過程中受清管、內(nèi)壓、溫差等多因素作用可能產(chǎn)生疲勞并出現(xiàn)應(yīng)力集中，在原漂管段開展管體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，便于掌握管道的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。經(jīng)分析，洪水沖擊管道時，管道的最大應(yīng)力發(fā)生在跨越段管道兩端，這兩個區(qū)域承受了較大的軸向拉應(yīng)力。在焊口存在缺陷的情況下，拉伸應(yīng)力可能導(dǎo)致焊口崩開，發(fā)生爆燃事故。一旦拉伸應(yīng)力超過許用值，管道有可能發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)拉裂破壞。為此，選取包括原150 m漂管管段和二次穿越河道的外側(cè)、總計約500 m管段開展管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，共布設(shè)6個應(yīng)變監(jiān)測單元，每個監(jiān)測單元安裝3組管道軸向應(yīng)變計，共計18組，如圖1所示。借助GPRS將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送至服務(wù)器，根據(jù)管材、管徑、壁厚及設(shè)計內(nèi)部輸送壓力，及時計算出管道受力狀態(tài)。若軸向附加應(yīng)力值達(dá)到或超過容許附加應(yīng)力值的一定比例時即發(fā)出預(yù)警。

圖1 管道應(yīng)變監(jiān)測示意圖

自應(yīng)變監(jiān)測開展以來，管道各監(jiān)測截面軸向拉、壓應(yīng)力變化趨勢一致，未出現(xiàn)某截面應(yīng)力異常，如圖2、圖3所示。管道多數(shù)時間處于全截面受拉應(yīng)力狀態(tài)，且軸向拉應(yīng)力最大值小于容許附加拉應(yīng)力434.25 MPa，管道處于安全狀態(tài)。

圖2 各監(jiān)測截面軸向拉應(yīng)力趨勢

圖3 各監(jiān)測截面軸向壓應(yīng)力趨勢

4結(jié)語

漂管是水毀的主要危害形式之一，季節(jié)性融雪造成的漂管嚴(yán)重威脅管道運(yùn)營安全。通過改善管道敷設(shè)環(huán)境或增加管道外保護(hù)，可有效防止管周土體流失，降低管道遭受直接沖刷、撞擊的可能性。

采用管道應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)能夠長期監(jiān)測管道本體安全，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性，是一種針對地質(zhì)災(zāi)害有效的預(yù)報預(yù)警手段和治理輔助手段。本案例中采用管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測手段能夠?qū)崟r監(jiān)測管道治理后的管道受力狀態(tài)，及時有效地發(fā)布管道變形情況和變形預(yù)警，為災(zāi)害防治工作爭取更多的時間。

[1]李成軍，李新生．西氣東輸工程管道水毀類型及發(fā)育特點(diǎn)[J]．黑龍江科技信息，2008（8）：49.

[2]李亮亮，鄧清祿，余偉，等．長輸油氣管道河溝段水毀危害特征與防護(hù)結(jié)構(gòu)[J]．油氣儲運(yùn)，2012，31（12）：945-949.

[3]賀劍君，馮偉，劉暢．基于管道應(yīng)變監(jiān)測的滑坡災(zāi)害預(yù)警與防治[J]．天然氣工業(yè)，2011，31（1）：100-103.

[4]黃建忠，楊永和，劉偉，等．穿越地震斷裂帶的管道安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J]．天然氣工業(yè)，2013，33（12）：151-157.

[5]許學(xué)瑞，帥健，肖偉生．滑坡多發(fā)區(qū)管道應(yīng)變監(jiān)測應(yīng)變計安裝方法[J]．油氣儲運(yùn)，2010，29（10）：780-784.

（欄目主持 李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.002

徐震：工程師，碩士研究生學(xué)歷，從事管道管理工作。

（0991）7561389、tlmxz@petrochina.com.cn

2015-01-28