輸油管道的沉降分析與有效防護

卜含碩，來海國，張永鑫(浙江油品儲運有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

石油及石油產品在人民的生活中占據著舉足輕重的社會地位[1-2]，而能夠保障社會各界順利使用石油的重點工程就是石油的運輸，在石油運輸過程中，管道運輸起著不可替代的關鍵作用[3]。石油管道具有運行時間長、跨度大、管道建設總體長、運行時易出現問題等特點[4]。

近些年來，不少學者針對石油管道的管理現狀以及存在的問題進行深入的分析。商莉莉、錢崑[5]從目前的石油管道的管理方法和保養以及全面的科學的管理策略和手段進行深入分析，其對維持油氣田管道穩定輸送具有重要意義。本文主要分析產生管道沉降的原因以及對這些原因進行系統地闡述，并提供解決方法，為以后的管道沉降搶修工作提供重要的理論依據。

1 管道沉降案例

1.1 管道沉降發生經過

2019年11月14日0時17分左右，地鐵7號線機場西站-坎機風井區間盾構掘進過程中打穿位于地下20 m深的DN600中壓(3 MPa)燃氣管道，發生燃氣泄漏引起冒漿，導致鎮杭管道DN355.6開挖敷設段地面沉降開裂，鎮杭管道該段埋深為1.7 m左右，最后通過開挖后檢測管道沉降長度為126 m，管道最大沉降量達1.81 m。

1.2 管道最大允許沉降量計算

根據GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》第5.1.2條：采用彈性敷設時，穿越管段曲率半徑不宜小于 1 500倍鋼管外徑，且不應小于1 200倍鋼管外徑，根據GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規范》第6.1.3條：定向鉆穿越的曲率半徑應符合設計要求，曲率半徑不宜小于1 500 D，且不應小于1 200 D。此段所涉及成品油管線為直埋敷設，參照以上規范運行的曲率半徑進行管道沉降量計算，管道允許沉降量結果如表1所示。

表1 隧道下穿石油管道允許沉降計算結果

1.3 應急處置措施

管理人員現場查看管道沉降情況，并上報省公司、政府部門，現場派專人24 h應急值守。(1)啟動應急預案，同時聯系搶修隊伍盡快進場。(2)中石化銷售公司管道處專家卜文平來到沉降處現場勘察，分析管道埋深數據對比情況，初步判斷管道有可能承受側向應力導致撕裂，建議換管處理，并提出9條安全要求，立即落實相關安全措施。(3)安排專業單位開展地質勘察、管道應力監測和沉降監測工作。(4)經專業單位監測管道兩端兩處突然沉降點應力最為集中，如圖1所示。(5)開挖出7處焊縫，由專業單位對W2、W3焊口進行了測厚、磁粉、相控陣、超聲檢測。對W2、W3焊口進行了材料半定量分析檢測、超聲殘余應力測試，合金元素符合管材L290要求。通過超聲殘余應力測試，認為W2、W3處管道承受側向力矩?？紤]該管道埋地敷設條件及最大殘余應力的情況，經專業單位應力分析計算該段管道最大允許使用壓力為1.1 MPa。(6)在落實相關安全措施的情況下、為避免機場斷供風險，將沉降點運行壓力控制在0.4 MPa以下。站場中控室24 h專人監控沿線閥室、進出站壓力和流量的變化，每半小時記錄數據。(7)現場奮戰11天，24日19時17分起泵恢復輸油。(8)請專業單位繼續對此處管道沉降監測。

圖1 管道應力集中點

1.4 管道沉降經驗教訓

應急處置結束后通過梳理此次管道沉降事件全過程的作業步驟、數據記錄，總結應急搶修、油品保供、生產調度等經驗，為今后類似的突發事件提供處置借鑒，同時也為管道管理部門在制定完善類似事件應急預案提供很好的實戰經驗。

2 沉降勘測

管道的沉降會產生應力集中，因而可能會導致材料屈服變形，甚至會導致管道的破裂，釀成重大的安全事故。因此準確對沉降位置以及沉降深度進行勘測具有重要意義。楊濤等[6]介紹了一種新的管道沉降勘測技術，采用磁應力檢測技術能夠靈活有效地對管道沉降進行快速評估，為管道的安全運輸提供技術支持。但是這種技術只能為我們提供管道的應力集中狀態，保障管道在完成沉降治理之前能夠安全運行，不能替代管道的沉降治理工作。

3 石油管道發生沉降的原因分析

在對石油管道的鋪設施工過程中許多因素都可導致石油管道沉降的發生。比較常見的因素有以下幾中，管道填埋時基礎較差，填埋回填土時出現不均勻沉降，以及后期的外力作用等等。管道進行填埋時，會受到管道及其配件自身的重力和運輸介質的重力。同時，管道會受到管道基礎對管道的支持力。除此之外，管道還會受到運輸介質流動而產生的荷載力，以及回填土對管道的壓力，這種力隨著管道深度的改變而改變。

3.1 管道基礎對管道沉降的影響

管道基礎是影響管道沉降的首要因素。當管道所受到的負載力和管道自身的重力之和大于管道基礎的承載力時，就會導致地基下沉，從而導致管道壓縮變形，如圖2所示。因為石油管道的施工地理條件不確定性較大，并且施工周期比較長，在施工期間難免會遇到雨水天氣，從而導致管道基礎底部積水，使得管道基礎的土質變得松軟，地表承載下降，后期就會導致管道沉降的發生。此外，再進行管道回填時，如果回填土的夯實強度不夠或者是回填土量不夠就會導致地表水下滲比較嚴重。長期下滲會導致管道周圍土壤變得松散，管道基礎的承載力下降從而引發管道沉降。

圖2 管道受力分析

3.2 管道回填對管道沉降的影響

回填土的不均勻回填會引起管道基礎發生改變或者是開裂，從而導致管道發生沉降。因此，回填土的夯實程度、回填量以及回填土的材質對石油管道的沉降都有著至關重要的影響。首先回填土的夯實程度越大，管道基礎所具備的承載力越高，發生管道沉降的可能性就越小。其次，回填土的量越充足，夯實密度越大管道基礎的承載力越大，不易發生管道沉降。最后使用防水性能較好的回填材料，能夠有效的防止地表水的下滲，從而避免管道基礎的沉降和變形的發生。

3.3 其他因素對管道沉降的影響

除了以上因素外，隨著城市化的進程，軌道交通建設過程中也會引起石油管道的沉降。如盾構隧道[6]的開挖引起管道下沉的主要原因是盾構期間，周圍土體為彌補其發生的地層損失發生地層遷移從而導致沉降。

4 針對分析結果的解決措施

4.1 加強管道自身的防護

在管道鋪設過程中通過對地面管道鋪設吊架與管墩用于支撐管道，從而有效降低傳遞到管道基礎上的作用力，用于減小石油管道發生沉降的概率。如圖3所示，當石油管道受到的重力(包括石油管道自身的重力和管道內石油的重力)大于地基給予的支持力后，地基就會發生沉降，而采用管墩結構后，可以減少石油管道與管道基礎的接觸面積。將管道受到的力分散到管墩之上從而可以顯著減少管道對管道基礎的壓力，可以有效減少管道地基沉降問題。

圖3 地基內管墩示意圖

4.2 回填夯實力度的選擇

在對管道基礎進行夯實之前，要把管道基礎內的雜物以及積水清除干凈，之后對管道基礎進行分層次進行回填夯實。在夯實過程中要一步接一步地進行夯實，不要有遺漏點，從而加大管道基礎的夯實密度。

4.3 科學管理及施工

除了以上方法之外，后期管道的維護管理也起著重要的作用。在管道運行期間要加強對管道沉降監管工作，加強專業技能的培訓工作。除此之外，在第三方作業期間要加強勘測要求，保證管道的正常運行。

4.4 管道發生沉降處置措施

(1)管道發生沉降通常是有兩個或多個突然沉降點，這時應請應力監測單位，對管道沉降段進行管道應力監測，找出開始沉降點位置，在準確定位管道路由和下沉起終點的基礎上，在兩側分別挖探坑檢測管道受力情況，根據管道沉降深度，進一步商討解決方案，如圖4所示。(2)準確定位(含埋深)管道路由，并設立明顯標志，防止誤傷管道。(3)盡快測量下沉點兩側的下沉情況(一直到正常埋深點)。(4)在準確定位管道路由和下沉起終點的基礎上，在兩側分別挖探坑檢測管道受力情況。(5)降壓運行到首站泵最低允許輸量，若經營許可應盡快停輸，設。(6)專人加密觀察進出站壓力變化和發、收油量平衡情況。(7)應急物資及搶修力量應準備充分隨時待命。

圖4 管道沉降示意圖

5 結語

綜上所述，管道沉降的影響因素有很多種，管道一旦發生事故，不但會影響石油管道的正常運輸，還會導致重大的經濟財產損失和人民生命安全。因此，有效避免管道沉降可以降低經濟損失，保障人民的生命、財產安全，提高管道運輸的穩定性和安全性。