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管道研究

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深根植物对管道防腐层影响研究

来源:《管道保护》杂志 作者:罗锋 王国丽 单蕾 杜畅 时间:2018-7-21 阅读:

罗锋 王国丽 单蕾 杜畅

中国石油规划总院


随着我国管道建设规模的不断扩大,管道建设占用和穿越农田、果园、林地的土地的数量也在增加。根据石油天然气管道保护法的有关规定,在管道中心线两侧各5米地域范围内,禁止种植乔木、灌木、藤类、芦苇、竹子或者其他根系深达管道埋设部位可能损坏管道防腐层的深根植物。然而从实际情况看,由于规定内容过于笼统,不仅执行有难度,而且和相关法律法规存在矛盾,由此带来的经济影响和社会问题不可忽视。因此,开展深根植物对管道防腐层影响的研究,对于保障管道安全,减轻管道建设和管护负担,保护土地资源和农民利益具有重要意义。

1 深根植物对管道防腐层影响分析

1.1 防腐层类型的影响

根据查询的资料分析研究,发现植物根系对管道防腐层的破坏多集中于早期采用石油沥青防腐层管道上。一方面防腐层本身含有羟基、羧基等等官能团,易被微生物代谢利用,并在上面寄生和繁殖,从而引发微生物降解,老化或降解产生的低环化合物,容易被植物根系吸收并加重破坏;另一方面材料结构不致密,属于溶-凝胶型胶体结构,产生降解老化后,材料部分物理性能(如针入度)下降较快,尤其抗外力挤压能力下降,造成石油沥青管道防腐层易于被根系穿透能力较强的芦苇等植物根系破坏。

我国20世纪80年代中期以前建设的管道几乎全部采用了石油沥青防腐层,由于管道使用年限较长(已近40年),防腐层老化性能衰变现象严重,加之防腐层本身的缺陷,因而上世纪70年代、80年代建设的采用石油沥青防腐层的部分管道腐蚀较为严重,曾发生多起管道腐蚀穿孔泄漏 事故。

从20世纪90年代起,我国新建管道已很少采用石油沥青防腐层,而且大部分采用石油沥青防腐层的管道已进行大修或更换。随着改性石油沥青、煤焦油瓷漆、环氧粉末、 3PE等具备较好的抗根系穿透能力的防腐层在长输管道上的大面积使用,截止目前,尚未出现植物根系对这些管道防腐层破坏的研究报道。

3PE是由环氧粉末涂层(底层)、胶粘剂层(中间层)、聚乙烯层外层三层结构组成的防腐结构体系,其外层聚乙烯层具有优异的抗渗透性、抗生物降解、抗机械穿刺顶压等性能。根据国外相关研究机构统计,到2010年3PE防腐层已占据了全球整个管道涂层市场的70%。

2.2 植物种类及自然环境的影响

在所有植物对管道防腐层破坏影响的案例中,芦苇、慈竹等高大禾本科植物因其根系的顶破、穿透能力很强,对管道防腐层破坏影响最为严重,国内发现多起芦苇其根系穿透对石油沥青防腐层且根系继续生长的现象,造成管道严重腐蚀。

1999~2003年西南油气田公司开展的不同植物根系对管道防腐层的影响调研的现场调查,四川农业大学的石锦安对此次调研的24个树种109株植物根系对防腐层的影响进行了归类统计及分析,认为植物根系对管道防腐层的破坏影响与植物品种有较大关系,调查中发现慈竹、芦苇等高大禾本科植物以及黄角树、香樟树等部分高大乔木对石油沥青管道防腐层影响破坏较大。

芦苇、竹子属于管道保护法第三十条禁止种植的深根植物。然而,芦苇、慈竹等禾本科植物在自然生境中是以根状茎繁殖为主,而且也可以通过种子繁殖,芦苇的种子就是随风传播的。类似芦苇、慈竹这些非人工种植、主要靠自然繁殖的植物,设想若在其适宜生长的大片区域内,采用人为限制种植的方式控制植物的生长区间,通常难以做到。当管道从芦苇地通过时,采取人为清除方式限制芦苇在管道上方的生长,由于芦苇横向的根状茎,通过根状茎繁殖和种子随风传播繁殖,人为限制芦苇生长方式恐怕无法实现。

葡萄属于藤本类植物,也是管道保护法第三十条禁止种植的植物。根据对西气东输二线新疆段管道沿线酿酒葡萄及鲜食葡萄种植区域的现场开挖检测结果,葡萄根系水平分布范围一般为距主干管道两侧30cm以内,垂直方向分布一般深度为60cm,若土壤质地较硬,60cm以下土壤基本无根系分布。由此基本可以确认西二线管道沿线种植的酿酒葡萄及鲜食葡萄的根系无论是垂直方向分布还是水平方向分布均在在100cm以内。国外学者研究发现,根系分别与土壤质地密切相关,当葡萄根系生长产生的力大于其所遇土壤的机械阻力时,根系才能继续生长,但当土壤硬度达到30 kg/cm2时,葡萄根系不能穿过土壤;葡萄根系生长的适宜温度为15~25℃,超过25℃根系将迅速木栓化或死亡。目前我国大部分新建管道的管顶埋深据地面均大于1.0m,管道埋设的深度位置种植葡萄的根系一般很少分布。

2 管道上方种植植物对策研究

2.1 3PE管道防腐层抗顶压穿透能力

3PE是现阶段我国新建管道选用最多的管道外防腐层,本世纪我国修建的西气东输一线、陕京二线、西气东输二线等大型管道无一例外均选用3PE涂层为管道外防腐层。3PE的外层为聚乙烯材料,聚乙烯材料属于非极性结晶高聚物,高分子链排列规整,堆砌紧密,分子间相互作用较强,物质渗入非常困难;使得氧、水以及其它会促进降解的化学物质难于渗透,聚乙烯材料可耐大多数酸碱及油脂的侵蚀,聚乙烯在室温不溶于任何溶剂。由于聚乙烯的高相对分子质量结构和其憎水性,使得聚乙烯具有良好的抗渗透及抗光氧老化、热氧老化性,可以有效抵抗各种介质及温度变化的影响;在土壤环境中,聚乙烯具有很好的抗生物降解性能。在植物适宜生长的温度范围内(一般不超过45℃),植物的根系分泌物是难以对聚乙烯材料产生溶胀、溶解等作用的。表1为PE材料和石油沥青相关结构及性能的比较。

通过开展模拟防腐层外层PE材料在土壤环境中可能遭受的植物根系生长发育生产的顶压状况,进行的压痕试验测试结果证明:在温度达23℃时,5MPa顶推压力对PE防腐层产生不足2%的压深比,10MPa顶推压力对PE防腐层的最大压深比为3.32%;50℃时,10MPa的实验条件下,PE材料防腐层的压深比也仅为5%左右。

通常植物根系的生长适宜温度在35℃以下。由此看来,对于采用3PE为管道外防腐层的管道,可不必过多考虑植物根系生长扩展及根系分泌物对管道防腐层的破坏影响。

开展的管道外防腐层PE材料及防腐层补口材料(PE热收缩带)顶破强度(抗穿刺力)实验试验结果证实:在材料下方未附着刚性支撑物的情况下,试件顶破时所需的顶破力(顶破压强)均大于葡萄根系所能承受3.0MPa的最大土壤推顶力(即:葡萄根系生长发育扩张力),管道外防腐层PE材料试件的顶破强度均大于3.0MPa这一葡萄根系生长发育最大压力值,见图3。由此可见,葡萄植物根系生长发育产生的扩展力是不能穿透、冲破3PE腐层的。

2.2 不同区域地段管道外防腐层选型的要求

鉴于石油沥青防腐层易被植物根茎穿透,国家标准《钢质管道外防腐控制规范》 (GB21447-2008)规定:在芦苇地带和细菌腐蚀较强的地区,不应使用石油沥青等易被植物穿透和不耐细菌腐蚀的材料做防腐层;石油行业标准《埋地钢制管道石油沥青防腐层技术标准》(SY/T0420-97)中也指明:石油沥青外防腐层管道不宜敷设在水下或沼泽及芦苇地带。若选用沥青材料作为管道外防腐层的管道,在管道路由选线时应尽量避绕沼泽、芦苇地带和细菌腐蚀较强的地区,以防止芦苇等植物根系对管道防腐层的破坏。若采用石油沥青外防腐层的管道通过芦苇地带和细菌腐蚀较强的地区,应对管道防腐层进行更换。

对于红柳、梭梭、膜果麻黄等我国新疆、甘肃、内蒙古等西部沙漠地区广泛分布的植物,其根系较为发达,大部分主根深达2m以上,最深者可达4m~5m以下的地下水层。沙丘下的红柳,根扎得更深,最深、最长的可达30多米,以汲取水分。若条件适宜,这些沙漠植物多是遍地生根、开花、结果。因此,在这些沙漠植物分布较多的地区,应慎重选用类似石油沥青等表面强度低的管道防腐层材料。

为防止深根植物对管道损伤、破坏,应从管道本质安全入手,提高管道自我抵御外界破坏的能力。在管道防腐层选型和管道路由确定时应充分考虑植物根系可能对防腐层产生的不利影响,尽量选用优异的抗渗透性、抗生物降解、抗机械穿刺能力强的外防腐层类型,如3PE防腐层。

2.3 合理确定管道周围限种植物种类

对于采用石油沥青等易发生微生物降解、表面强度低的管道防腐层,在管道中心线两侧各5m范围内应禁止种植深根植物;对于采用3PE为外防腐层的管道,其防腐层自身可以有效抵御植物根系的破坏,管道上方及周围植物的限种应主要从是否影响管道运行维护及抢险角度考虑。

维抢修工作最重要环节就是用尽可能短的时间到达事故地点,清除泄漏点周围的障碍物,快速开挖进行抢修。类似葡萄、枸杞等树干根茎不是很粗壮,人工可以快速清除的,且种植区域车辆可以进入的,对管道维修与抢修不会产生影响的植物,在管道的上方或周围是可以种植的。类似黄角树、香樟树等高大乔木,成年树木根系发达,树干粗壮,出现紧急情况时,树木砍伐、根系清除十分困难,有可能延误抢险处置时间,使险情得不到及时、有效的处置,在管道中心线两侧各5m范围内不宜种植。类似芦苇、竹子等在特定区域内以自然繁殖为主的植物,若其枝干未过于粗壮,出现紧急情况时,易于砍伐、可快速清除,正常情况下应允许其自然生长,不必砍伐、清除。若枝干粗壮,不易砍伐、清除,且有可能妨碍维抢修作业的,应及时砍伐、清除。

3 关于实施管道保护法第三十条

管道保护法第三十条规定在管道中心线两侧5m的地域范围内禁止种植乔木、灌木、藤类、芦苇、竹子或者其他深根植物的主要理由,是基于植物的根系可能损坏管道防腐层使防腐层失效、妨碍管道的正常维护及应急抢险作业。根据本文的分析研究,提出如下建议。

1)根据调查、了解的信息,植物根系对管道防腐层的损伤仅限于石油沥青管道防腐层,管道保护法第三十条规定是否针对所有类型的管道防腐层,建议相关部门审慎考虑。

2)我国地域辽阔,植物种类繁多,不同种类的植物其根系发育特点差异显著,即使同种类型的植物,因生长地域和环境的不同,根系的生长发育差异也不尽相同。有关管道上方及周围限制种植植物的规定,应充分考虑管道通过区域的环境特点、不同植物的生长发育及根系分布特点以及不同类型防腐层的抗植物根系损伤的能力,区别对待。

3)加强法律相关条款的基础研究,充分了解、掌握国内干线管道通过区域农作物、树木等植物的生长及根系发育特点,确定其对管道防腐层和管道维抢修作业的影响程度和范围,科学、合理地加以限制。 ◢

参考文献

[1].石锦安. 深根植物对埋地天然气输气管沥青涂层的影响[J]. 四川林业科技, 2005, 26(2): 56-60.

(作者:罗锋,高级工程师,1965年生,北京化工学院应用化学系毕业,主要从事油气储运项目前期规划、防腐专业设计及科研工作)

2014年第3期(总第16期)

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