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管道研究

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山区坡体段管道本质安全的思考

来源:《管道保护》杂志 作者:王学军;佟雷;王东源;崔少东;余志峰;杨建 时间:2021-1-20 阅读:

王学军 佟雷 王东源 崔少东 余志峰 杨建

中国石油天然气管道工程有限公司



摘  要:山区管道建设环境复杂、运行环境多变,导致管道安全风险远大于平原管道。通过分析典型事故案例,提出坡体失稳是目前较为突出的风险,严控坡体失稳风险可以有效提升山区管道本质安全。开展了坡体段管道建设运行的国内外对标分析,指出目前均缺少成熟的防控标准体系。提出了提升山区坡体段管道勘察、设计及监测水平和能力的措施和方向,如加大勘察范围和深度、综合运用InSAR新技术等,提升坡体失稳风险识别能力;设计阶段从管材、焊接、敷设等方面提升管道应对不稳定斜坡风险的变形能力;运行阶段通过增加坡体监测手段来提升对坡体段管道安全风险的管控能力。

关键词:山区管道;本质安全;设计标准;突出风险


我国是一个多山的国家, 山区面积占全国陆地面积的三分之二,长输油气管道在山区建设环境复杂,主要体现在山区地形地貌多变、地质条件复杂、小流域气候显著、管道通行空间受限等方面[1-2]。近年来较为严重的管道事故多发生在山区,表明山区管道安全风险尚未得到有效控制。从国内外山区管道典型事故分析入手,指出坡体失稳是目前影响山区管道本质安全的突出风险之一,并从勘察、设计和运行监测等方面对加强风险防控提出了措施建议。

1  山区管道面临的突出风险

近年来国内外发生了数起严重的山区管道断管事故,对于深入了解和认识山区管道风险特征具有重要借鉴意义。

(1)马来西亚某天然气管道2013年建成,管道外径为914 mm(36英寸),钢管等级为X70,长度512 km,管道沿线通过山区坡地、茂密森林、沼泽湿地等。2014年6月发生管道环焊缝断裂事故。为了全面调查事故、开展技术研究和现场修复,管道停运近2年,期间完成了管道全线地质灾害调查,重新检查所有施工期间拍摄的X射线底片,并对断裂失效环焊缝进行了试验分析,在完成几百个焊口修复后,于2016年恢复通气。2018年1月该管道再次发生环焊缝破裂事故。该案例表明,在坡体失稳或者蠕滑条件下,管道承受巨大的复杂载荷,焊接质量是保证管道承载能力的关键。

(2)国内晴隆县某天然气管道管径1016 mm,设计压力10 MPa,钢管等级为X80,2013年建成投产。2017年7月2日发生泄漏引发燃烧爆炸,事故分析认为,由于持续降雨与公路旁弃土共同作用引发边坡侧滑,挤断边坡中敷设的天然气管道,边坡滑动情况如图 1所示。2018年6月10日,事故管道附近再次发生断管事故,经调查,环焊缝脆性断裂是导致事故发生的直接原因,坡脚土体饱和蠕滑,发生显著偏移,管道受到附加荷载,加上施工残余应力及运行波动压力是事故的间接原因。

(3)国内南丹县某成品油管道时隔两年在同一区域发生两次破裂漏油事故,事故地点位于山区某长距离缓坡地带,在新建高速公路路基弃渣和软弱下卧层地质共同作用下,管道沿线坡体向下缓慢蠕滑造成事故发生。公路路基边坡如图 2所示。

(4)国内沁水县某输气管道管径610 mm,设计压力6.3 MPa,2009年建成投产,2011年9月30日发生断裂事故,泄漏点距焊口40 mm左右。分析认为事故直接原因是管道受挤压严重变形,钢管本体被撕裂泄漏。间接原因是泄漏点附近为新修的中木亭连接公路及边坡,公路近20 m路基为回填土,坡体滑塌引发坡底附近土体凸起及管道破裂。

上述案例表明坡体失稳是目前山区管道面临的较为突出风险之一。坡体失稳一般需要具备三种条件:一是存在地形起伏(陡坡或长距离缓坡);二是存在特定地质(碳质泥岩、回填素土、破碎岩体、薄弱构造等);三是存在环境条件变化(例如第三方建设活动、填土、暴雨、洪水等)。山区地形、地质、气候条件再加上受限空间的人为活动,为坡体失稳提供了所有条件。

2  国内外标准规范的相关规定

目前我国油气管道工程设计、施工、运行等相关标准体系较为完整,对山区管道均规定了相关的技术条款。如GB 50253―2014《输油管道工程设计规范》和GB 50251―2015《输气管道工程设计规范》对滑坡等地质灾害首先要求避让,对于避让不开的,提出需要采取相应防护措施,但规范中并没有规定具体防护措施,对于采取的防护措施是否充分也未给出具体指南。GB/T 50568―2019《油气田及管道岩土工程勘察规范》对滑坡等不良地质勘察提出了明确要求,以往管道项目勘察主要执行此规范,而规范中重点关注滑坡,未包括不稳定斜坡。CDP-G-OGP-PL-096《油气管道工程地质灾害防治技术规定》对通过地质灾害地段的通行原则进行了规定,包括定性措施要求等,规范在失稳工况分析中考虑了地震和暴雨工况,未明确第三方加载工况。CDP-G-OGP-PL-073《油气管道工程线路技术规定》对山区选线进行了原则性规定,如选择地形相对完整地段通过,避让地灾地段,建议沿山脊敷设,采用山体隧道敷设等,对于必须穿越不稳定斜坡地段风险应对,规范未做规定。SY/T 6828―2017《管道地质灾害风险管理技术规范》推荐了地质灾害风险半定量和定量评价方法,为评估不同方案相对风险高低提供了方法,但对如何降低坡体段管道通行风险,如何评估最大轴向应变,未给出具体针对性建议。

欧美国家同样有完整的标准规范体系。加拿大CSA Z662《油气管道系统》在应力设计中重点关注了内压、温差、重力等荷载,对于其他载荷,例如地震、滑坡、断层、地灾、融沉、冻胀等,要求由设计者确定是否需要考虑以及如何考虑。美国最新版的ASME B31.8《气体输送和分配管道系统》标准规定,当管道必须通过地质灾害点时,包括不稳定斜坡,或者其他可能引起严重位移荷载或非常规载荷情况,管道应采取合理预防措施,包括增加壁厚、结构护岸、防冲刷、锚固等。俄罗斯规范GOST R 55989《Trunk gas pipelines Design standard》规定在山区和地形急剧起伏地区,应当避开不稳定的陡坡地区,将管道敷设于水淹地带以外的河谷地区,或沿分水岭敷设。横坡段应避让滑坡区域敷设。当滑动层厚度较小时,管道应埋设在潜在滑移面以下等。

综上所述,国内外标准规范是成熟经验的总结,重点是对工程建设提出基本要求,对于常规环境条件有较详细及足够的指导,而对于特殊环境条件大多只有指导性意见。山区坡体段管道尚未形成公认成熟的标准体系。

3   勘察识别方面提升

工程勘察是对管道沿线地形、地质、水文条件的勘察,包括沿线地质灾害地段的识别与评估。对于山区管道,识别沿线所有可能的坡体失稳风险点,是后续管道设计采取针对性措施的基础,是合理应对山区管道突出风险的前提。

在发生坡体失稳的管道事故中,多数并非发生在既有滑坡附近,而是发生在不稳定斜坡地段。前者已经发生过滑塌,现场地貌特征明显,通过滑坡勘察,可以判断滑动的年代以及是否可能再次发生滑塌,进而判定目前是否处于稳定状态;后者是尚未发生过滑塌的斜坡地段,属于潜在的滑坡地段,相对于滑坡现场地貌特征不明显。山区管道沿线经过大量斜坡,其稳定性需要考虑地形、地质、环境等条件,其中环境条件具有很强随机性,给坡体失稳风险段的识别及评估等勘察工作造成很大难度。

为了提高坡体失稳风险段的检出率,除按照规范对滑坡进行勘察外,建议对沿线所有可能的不稳定斜坡进行勘察,并判断其稳定性,提高勘察广度。同时在不稳定斜坡稳定性分析中,建议考虑增加存在第三方加载工况分析,加大勘察深度。尽管这可能导致勘察工作量大幅增加,但可以对沿线不稳定斜坡进行全方位排查,提前识别出某些潜在的风险点(包括坡体蠕动)。

除了上述常规手段外,有条件时建议利用遥感、无人机和地面调查相结合的方式,即天、空、地一体化多层次综合勘察技术。尝试采用合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)对管道沿线地表形变进行监测,筛选形变区域,识别沿线灾害隐患位置,再结合现场地面调查,基于综合数据提升山区坡体隐患识别能力。

4  设计应对方面提升

对于勘察中识别和评估为较大风险的地段,设计中会采取针对性安全措施,这在绝大多数工程中能够起到有效防控作用。然而管道在复杂的运行环境中,某些影响因素仍可能致使风险事故发生,这就要考虑在设计中提升管道适应该风险状况的能力。

坡体失稳发生时,对管道最主要的作用是附加土体位移载荷。该载荷的大小由坡体失稳的形态决定。目前设计规范规定考虑内压、温差、重力等载荷作用下,轴向和当量应力都不应超过屈服强度的0.9倍。当考虑附加土体位移荷载时,轴向应力往往都会超出这个准则。以某外径559 mm、壁厚11.1 mm、X65管道为例,通过滑坡体长度超过6 m,其轴向应力就会超过0.9倍的屈服强度(注:此处按直管考虑,未考虑存在弯管的情况)。

不稳定斜坡风险形成的位移载荷具有自限性,类似的载荷为穿越断层的位移载荷,但与穿越断层不同的是,坡体失稳发生的位置及形态更具不确定性。借鉴穿越活动断层段管道设计经验,通过一系列技术措施可提高管道承受附加土体位移载荷的能力。在山区管道沿线不稳定斜坡风险较高地段,可改变管道设计准则,以应变为准则来增强相应风险承载能力。以上述外径559 mm管道为例,在考虑附加技术措施后管道允许应变能力可以达到1%,管道承载土体位移变形能力可得到较大改观。通过滑坡体的安全长度从6 m增至35 m,如图 3所示,有效提高了管道在该类风险发生时的承载能力,可为后续应对或应急赢得时间。

附加技术措施根本目的是提升管道轴向应变能力,因为管道承受土体位移载荷的能力主要依赖于管道的轴向应变能力,当管道轴向应变能力足够时,在土体位移载荷下,管道可适应土体变形,而保证管道结构完整性(即不破裂)。美国ASME规范中有应变设计准则,但是没有具体的指导标准。国标输气/输油管道设计规范中,尚未明确推荐可采用基于应变设计方法。SY/T 7403―2018《油气输送管道应变设计规范》有应变设计的具体做法,在附加技术措施上主要包括增加钢管纵向拉伸性能测试,保证管道纵向具备较理想延展能力;限制纵向强度的波动范围,保证环焊缝超强匹配,确保环焊缝不成为承载过程中的薄弱环节;控制热涂敷对钢管拉伸性能的影响,例如屈服强度与屈强比升高等。SY/T 7403―2018对坡体段的管道敷设没有规定,具体需要考虑斜坡失稳形态的不确定性,进行大量模拟分析,分析不同敷设和布置因素的影响,经综合分析后给出推荐的敷设方案,包括埋深、回填要求等。

5  运行监测方面提升

对于山区管道面临的突出风险,还需要考虑运行监测措施。通过监测可及时发现坡体位移,以便采取相应的应急措施,防止风险事件发生,最终实现山区管道本质安全提升。 

目前常用的监测预警技术中,多用于局部管段或地质灾害体的非连续重点监测,一般监测精度较高,部分监测为相关物理量监测,其中分布式光纤(COTDR)振动监测可用于沿线大范围连续监测,但重点是监测周边震动,不能用于沿线的土体位移监测。

布里渊传感技术是分布式光纤传感技术的一种,它是随着光时域反射技术发展起来的,不仅具有一般光纤传感器的优点,而且可以在沿光纤路径上同时得到被测量信息在时间和空间上的分布,如图 4所示。该传感技术最大的优势在于光纤既是传感元件又是传输媒介。布里渊传感技术与传统监测技术相比有其特点,首先,可实现长距离连续(实时/大范围)监测,为及时发现管道沿线可能的土体位移风险迹象提供可能;其次,尽管监测精度不及一些传统监测技术,但可满足山区管道面临不稳定斜坡土体位移风险监测,与全线高精度监测的成本相比,费用相对低廉;最后,该监测技术以应变光纤为传感器,耐候性强,适合于运行期的长期监测。建议在山区管道不稳定坡体地段采用这种监测技术。

InSAR技术在勘察阶段可以用于管道沿线大范围地表变形筛查,同时也可以在运行期间用于管道沿线相应风险监测,该技术虽然属于定期监测,不属于实时监测,但其监测范围可以扩展至管道周边范围,为管道周围坡体失稳迹象的监测提供手段,在山区管道沿线也可考虑采用这种监测技术。

6  结论与建议

(1)相对于平原地区的管道,山区管道复杂的环境条件,决定了其具有较高的风险,其中坡体失稳是山区管道较为突出的风险。目前国内外对于防控山区坡体失稳段管道的风险尚未形成具体、公认、成熟的标准规范体系。

(2)山区坡体段管道风险应通过设置多道防线进行防控,勘察风险识别、设计风险应对、运行风险监测为三道有效防线。此外,建设质量控制也是一道重要的防线,限于篇幅不再展开讨论。

(3)除了坡体失稳风险外,山区管道仍面临诸多其他安全风险,需要关注和应对,例如山区管道穿越沟谷面临山洪冲刷风险等,尽管这类风险相对于坡体失稳风险来说,影响程度较低,但不容忽视。

 

参考文献:

[1] 罗志强,夏敏,敖波.山区天然气管道地质灾害防治工作思考[J].石化技术,2020,27(1):132-134.

[2] 王春华.试论长输管道山区特殊地形的施工要点[J].工程建设与设计,2018(5):211-212,215.

 

作者简介:王学军,中国石油天然气管道工程有限公司(原管道设计院)总经理、党委副书记,教授级高级工程师,管道局技术专家,世界燃气联盟(IGU)输气委员会专家。1997年7月重庆建筑大学城市燃气工程专业毕业,2009年1月获中国石油大学(北京)石油天然气工程硕士学位。长期从事石油天然气长输管道设计与管理工作。 

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