從地文

(長江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

復(fù)雜地質(zhì)地形條件下長輸管道的鋪設(shè)與維護

從地文

(長江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

經(jīng)濟的發(fā)展、人們生活水平條件的提升導(dǎo)致資源需求緊張，長輸管道作為輸送油氣的主要運輸方式被廣泛采用。惡劣的地質(zhì)地形給管道的鋪設(shè)與維護帶來了難度。我國幅員遼闊，凍土帶、海底、地下采空區(qū)、地質(zhì)斷層帶、山地丘陵等復(fù)雜地形鋪設(shè)管道常常面對難題。文章介紹了各種復(fù)雜地質(zhì)地形條件下管道的鋪設(shè)技術(shù)與維護模式，探討了各種技術(shù)方法的利弊，提出了今后的發(fā)展趨勢。

長輸管道;地形;地質(zhì);油氣

一、概述

長輸管道作為油氣運輸?shù)闹饕绞骄哂袩o可比擬的快捷性和經(jīng)濟性，但長輸管道鋪設(shè)工程中常常會遇到多種復(fù)雜的地質(zhì)地形情況。惡劣的地質(zhì)地形會對管道造成破壞從而導(dǎo)致管體變形，出現(xiàn)油氣泄露現(xiàn)象，不僅會造成經(jīng)濟損失也會對管道周圍生態(tài)環(huán)境造成污染。 因此管道鋪設(shè)過程中對于處于復(fù)雜地質(zhì)地形區(qū)，如凍土帶、海底、采空區(qū)、地質(zhì)斷層帶、山地丘陵等區(qū)域的管道往往采用不同的、特殊的施工工藝以保證施工質(zhì)量。這些特殊地區(qū)的管道更容易受到管-土作用的破壞，對其采用科學(xué)的監(jiān)測、管理模式是區(qū)域管道正常運行的重要保障。

二、復(fù)雜地質(zhì)地形下的管道施工與管理

(一)凍土管道

凍土是指溫度等于或低于零攝氏度且含有冰的各類土。根據(jù)凍土的凍結(jié)時間分為永凍土、季節(jié)凍土、瞬時凍土[1]18-19。凍土工程地質(zhì)一直是各項工程建設(shè)項目的難題，尤其是在季節(jié)性凍土發(fā)育區(qū)，凍土危害作用更加明顯，施工難度更高，施工技術(shù)要求也更嚴(yán)格。凍土危害主要表現(xiàn)為凍脹和融沉。土體在凍結(jié)狀態(tài)時，雖然其壓縮性變小且強度更高，但是在土體凍結(jié)過程中其體積會隨之膨脹變大，造成地面隆起和地基鼓脹；凍土融化后，土體中的冰屑的骨架支撐作用消失，土體體積縮小，地基承載力降低，壓縮性增大，會使巖土體下沉陷落[2]118-136。土體體積的變化，以及沉降變形都會造成管道的變形，當(dāng)超過管道變形允許的范圍后會引起管道的破壞失效、油氣泄漏。

目前在凍土帶的管道敷設(shè)施工方式大致有：埋地法、地表鋪設(shè)法及架空法。筆者認(rèn)為在凍土帶的管道敷設(shè)可參照我國著名鐵道工程項目“青藏鐵路”的成功經(jīng)驗，探索出更科學(xué)經(jīng)濟的施工方式。

為了解決永凍土地區(qū)管道所面臨的凍脹、融沉導(dǎo)致的管道變形翹曲風(fēng)險，未來主要從以下三個方面著手[3]：首先，加強地質(zhì)勘測并建立完善的線路地質(zhì)風(fēng)險識別與評價體系。不同區(qū)域管道線路上要建立不同的風(fēng)險識別點，并對這些識別點定期進行信息采集和跟蹤，同時，根據(jù)這些風(fēng)險點的特征進行風(fēng)險危害性排序，及時關(guān)注其發(fā)展進程，一旦對管道構(gòu)成威脅，便迅速治理。其次，超前與計劃管理，合理采用內(nèi)檢測技術(shù)。國外在管道內(nèi)檢測管理上已經(jīng)進行了法律上的規(guī)定，其技術(shù)也更先進。通過定期的管道內(nèi)檢測能夠及時掌握管道安全情況，為今后的超前管理奠定基礎(chǔ)。最后，積極開展修復(fù)工作。在管道運行初期尤其要重視勘測各類建設(shè)期遺留下的隱患和風(fēng)險，及時的修復(fù)能夠防患于未然，減少經(jīng)濟損失，同時也能最大限度地降低對環(huán)境的影響。未來需要進一步研究凍土管道破壞的基本規(guī)律，制定相應(yīng)的工程處理措施和管理政策(規(guī)范)，結(jié)合現(xiàn)場觀測試驗、試驗室模擬及模型計算和預(yù)測，研究其動態(tài)變化。

(二)海底管道

海底油氣輸送管道是指最高水位時，位于海面以下的那部分管道。直徑一般為 20 cm至1 m，是海上油氣田開發(fā)中油氣傳輸?shù)闹饕绞?。由于陸地資源緊張加上過度開發(fā)，當(dāng)今世界各國都把目光瞄向了海洋油氣資源的開發(fā)。

根據(jù)海底管道的鋪設(shè)狀態(tài)將其分為三類：挖溝不埋管道、平鋪在海床上的管道、挖溝淺埋管道。鋪設(shè)施工主要包括海上定位、管道鋪設(shè)和開溝等作業(yè)[4]。管道鋪設(shè)主要有三種方法：鋪管船鋪設(shè)、牽引法鋪設(shè)和卷筒船鋪設(shè)。通過管徑大小、海水深淺、海況和距岸遠(yuǎn)近等條件確定施工方法[5]。

海底管道在后期的維護管理工作上主要從兩個方面開展[6]。一方面，加強海底管道的定期檢測并建立風(fēng)險評估響應(yīng)機制。每5年對海洋石油總公司在役海底管道系統(tǒng)進行一次全面檢測，即每年要對全線管道的20%進行檢測。對運行10年以上的管道，檢測的間隔時間要更短。對檢測發(fā)現(xiàn)管道存在的各種幾何缺陷、腐蝕、 裂紋、橢圓變形、彎曲變形、外力損傷等，及時采取維修措施。另一方面，嚴(yán)密制定管道維修預(yù)案。要明確與管道損壞類型相應(yīng)的維護作業(yè)程序，有管道緊急維護預(yù)案將大大縮短施工準(zhǔn)備、采辦周期，可以用最短的維修時間恢復(fù)管道的運行，減少油氣泄漏造成的海洋污染。

近年來，我國對海洋石油開采的投資大幅增加，海洋石油開采和勘探工業(yè)也在迅速發(fā)展。但我國海底管道技術(shù)還處在初級階段，主要的施工技術(shù)和發(fā)達(dá)國家有不小的差距。在未來，新型的海底管道焊接技術(shù)和防沖刷技術(shù)的研發(fā)是我國乃至世界今后在海底管道工程領(lǐng)域的主要研究課題。

(三)采空區(qū)管道

采空區(qū)是由人為挖掘或者地質(zhì)自然運動在地表下面產(chǎn)生的“空洞”，地下采空區(qū)的形成更多應(yīng)歸咎于礦產(chǎn)資源的過度開發(fā)，當(dāng)?shù)叵鹿腆w礦床開采后會形成較大空間破壞原有的平衡，使得周圍圍巖失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開裂、破碎垮落，直到上覆巖層整體下沉彎曲[7]5-6。穿越采空區(qū)的輸油(氣)管道在自身強度允許的范圍內(nèi)本身可以產(chǎn)生一定形變，但當(dāng)?shù)乇碜冃瘟砍^金屬管道允許的最大變形時，管道將處于危險狀態(tài)[8]。我國改革開放初的“先開發(fā)后治理”的經(jīng)濟發(fā)展策略使得礦產(chǎn)資源出現(xiàn)大面積的人工采空區(qū)。

目前在采空區(qū)敷設(shè)管道前期施工管理過程中，通過主動措施和被動措施保證施工質(zhì)量。主動措施是指避讓危險采空區(qū)，架設(shè)支架，采用允許變形量大的管道等。被動措施主要有加強變形監(jiān)測/預(yù)測，以及必要的人工干預(yù)等[9]170-172。采空區(qū)沉陷變形監(jiān)測方法主要包括裂縫測量法、地錨應(yīng)力測量法、全站儀測程法、管道彈性應(yīng)變法4種。有效的變形監(jiān)測和在監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對變形進行科學(xué)預(yù)測是及時有效進行人工干預(yù)的前提。由于社會安全和環(huán)境保護等方面原因，采空沉陷區(qū)油氣管道安全保護問題近年受到高度重視，但由于時間淺、資料少，各有關(guān)企業(yè)或機構(gòu)就此問題還須持續(xù)監(jiān)測，深入研究。下一步的研究應(yīng)側(cè)重于探索規(guī)避、預(yù)測和處置采空沉陷對油氣管道安全影響的科學(xué)方法，并積極應(yīng)用于實踐，確保國家能源高速通道長期、安全、平穩(wěn)、高效運營。

(四)斷層帶管道

斷層是指地表在地震作用下產(chǎn)生大規(guī)模的破裂。地震時的地表斷裂運動使埋地管道產(chǎn)生縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變，管道受拉超過極限應(yīng)變時會發(fā)生斷裂破壞，而受壓時會由于薄殼失穩(wěn)產(chǎn)生屈曲破壞[10]。我國位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，地震活動頻率高、強度大、震源淺、分布廣，是屬于震災(zāi)嚴(yán)重的國家。因此在地震多發(fā)地區(qū)鋪設(shè)管道時通常采用架空法鋪設(shè)管道。當(dāng)管道必須要埋地時，應(yīng)當(dāng)同時考慮地震荷載以及斷層位移的影響，正確選擇穿越斷層的位置并淺埋，同時應(yīng)選用大壁厚，高延性的金屬管道并采用科學(xué)的敷設(shè)方法。

目前并沒有十分有效的方法消除地震的破壞作用，因此建立一套科學(xué)有效的斷層帶管道安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是后期管理工作的重點[11]。采用傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備分別對斷層致災(zāi)體、管道承災(zāi)體、管土相互作用力等參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測,實時評估管道的安全狀況。形成地震動加速度預(yù)警、斷層位移預(yù)警、管道應(yīng)變預(yù)警、管道泄漏預(yù)警等多級預(yù)警，可有效減少突發(fā)性災(zāi)害導(dǎo)致的管道受損破壞及次生危害的發(fā)生。當(dāng)管道處于不安全狀態(tài)時,發(fā)出聲光預(yù)警,并通過短信、電子郵件或智能手表發(fā)布預(yù)警信息,為工作人員提供最佳搶修條件。

(五)山地管道

我國山區(qū)、丘陵及崎嶇的高原約占全國總面積的三分之二，很多城市，特別是西南地區(qū)，建立在此起彼伏的山地、丘陵中。山區(qū)管道鋪設(shè)運輸條件差，地形復(fù)雜，管道要順坡鋪設(shè)等都加大了施工難度。國內(nèi)山地油氣管道可能遭受的主要地質(zhì)災(zāi)害有：滑坡、崩塌、泥石流、水毀、采空塌陷等。管道鋪設(shè)主要的難點有兩方面：管道布置與管道焊接。管道在鋪設(shè)焊接過程中通常以溝下焊接為主，布管采用人工和機械組合的形式。溝下焊接過程中應(yīng)當(dāng)注意管口的對接防止出現(xiàn)因管道晃動和管縫預(yù)留不當(dāng)而產(chǎn)生的焊接缺陷。通常縱向坡度大于30°、帶轉(zhuǎn)角的縱坡、“U”形深谷、橫向坡度大于15°的山坡等在工程上被稱為困難段，困難段的布管方法主要有：小炮車布管法、輕軌布管法、管道預(yù)制吊裝法[12]。困難段的施工不僅考驗施工技術(shù)，也考驗施工人員的安全意識，施工過程中尤其要注意落石、塌方以及施工機具的滑落。

山區(qū)管道的施工往往伴隨著巨大的潛在危險。因此，其管理工作在管道的施工過程中就要展開，為了隨時掌握各施工機組的進度和作業(yè)量，必須加大施工管理力度，進一步完善控制、監(jiān)督機制。鑒于山區(qū)段河流屬于典型的季節(jié)性河流，管道運行管理單位要及時關(guān)注氣候變化等情況，在暴雨季節(jié)、上游水庫泄洪時重點加強監(jiān)護。在豐枯水交替間、枯水季節(jié)管理單位要認(rèn)真巡視水工保護措施損毀情況，檢測管道埋深情況，利用枯水期及時修護。今后新的山地施工技術(shù)的研發(fā)仍然是該領(lǐng)域的主要研究課題。

三、結(jié)語

石油天然氣資源同水資源一樣是我國緊缺資源，資源分布不均勻，加之我國幅員遼闊，造成了資源運輸困難。南水北調(diào)工程是一項耗費大量人力、物力才修建成功的長輸管道工程，在實現(xiàn)資源快速運輸?shù)耐瑫r也潛在著巨大風(fēng)險。未來管道工程的研究應(yīng)從兩方面進行：一方面，新施工技術(shù)的研發(fā)。在保證施工質(zhì)量的前提下提高施工效率，降低施工風(fēng)險，減少施工對周圍生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。另一方面，新的檢測技術(shù)和管理機制的研發(fā)。在后期管道維護管理中實時有效地監(jiān)測管道運行情況是保障油氣安全運輸?shù)那疤?，快速的風(fēng)險、事故響應(yīng)機制是保障油氣安全運輸?shù)母?。我國石油工程較其他發(fā)達(dá)國家起步較晚，各方面都有不小的差距，在保證施工質(zhì)量的同時做到科學(xué)性、經(jīng)濟性施工還有很長的路要走。

[1] 陳肖柏.土的凍結(jié)作用與地基[M].北京：中國鐵道出版社,2002.

[2] 鐵道部第三勘測設(shè)計院,凍土工程[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[3] 劉春厚,潘東民,高峰.海底雙重保溫管道水下修復(fù)工程實例[J].中國海上油氣(工程),2003(6):2-4.

[4] 劉梁華,張世富.海底管道發(fā)展現(xiàn)狀淺述[J].探討與研究,2011(11)：108-109.

[5] 程艷超，蘇偉征，梁棟.海底管道鋪管施工安裝方法研究[J].化工管理,2013(1)：74-75.

[6] 劉春厚,潘東民,吳誼山.海底管道維修方法綜述[J].中國海上油氣(工程),2004(1):59-62.

[7] 山西省交通廳，中交通力公路勘察設(shè)計工程有限公司.高速公路采空區(qū)(空洞)勘察設(shè)計與施工治理手冊[M].北京：人民交通出版社,2005.

[8] 鄧喀中.開采沉陷中巖體結(jié)構(gòu)的效應(yīng)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，1993.

[9] 黃福昌,倪興華,張懷新，等．厚煤層綜放開采沉陷控制與治理技術(shù)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社.2007.

[10] 馮啟民,郭恩棟.跨斷層埋地鋼管道抗震計算與方法研究[J].地震工程與工程振動,2000(1):56-62.

[11] 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(12):151-157.

[12] 彭忍社,郭文慶.西氣東輸工程山區(qū)地段管道施工技術(shù)[J].油氣儲運,2005(2)：40-41.

(責(zé)任編輯：蔡洪濤)

Laying and Maintenance of Long-distance Pipeline under Complicated Geological Terrain Conditions

CONG Diwen

(School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

With the development of economy, the improvement of people’s living leads to the large demand of resources. The long-distance pipeline is widely used to transport oil and gas. Harsh terrain geological environment has brought great difficulty to the laying of pipes and maintenance management. China is vast, we may encounter many problems when laying the long-distance pipeline in such areas: frozen soil area, submarine, underground mined-out area, geological fault zone, mountainous hills and so on. How to save cost in complex terrain and geological conditions and reduce the difficulty of construction, improve the efficiency of maintenance management have arouse the common concern of the field of pipeline engineering in worldwide. This paper introduces the pipeline laying technology and maintenance management mode under various complicated geological and terrain conditions, discusses the pros and cons of various technical methods and puts forward the development trend in the future.

long-distance pipeline; terrain; geology; gas and oil

2016-12-08

從地文(1991—)，男，河南信陽人，長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院碩士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。

TE832.2

A

1008—4444(2017)01—0036—03