改進壓重效果以提高長輸管道系統(tǒng)可靠性

唐培連，常懷民，劉艷東，任文明

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

改進壓重效果以提高長輸管道系統(tǒng)可靠性

唐培連，常懷民，劉艷東，任文明

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

長輸管道系統(tǒng)的可靠性是由許多要素共同決定的，管道壓重效果便是其中之一。總結(jié)得出了決定管道壓重效果的兩個核心要素——抗飄浮計算和壓重形式。通過對兩種抗飄浮計算理論的對比分析，得出了“抗飄浮不應(yīng)全部按凈水壓力計算，在特殊情況下應(yīng)采用動水壓力計算”的結(jié)論。通過對不同壓重形式優(yōu)缺點進行比較，得出了“一般地層宜采用土工平衡壓袋穩(wěn)管，堅硬巖層宜采用混凝土連續(xù)澆注穩(wěn)管”的結(jié)論。

長輸管道；可靠性；壓重形式；抗飄浮計算；動水壓力；靜水壓力

長輸管道工程是一個由眾多環(huán)節(jié)組成的復(fù)雜系統(tǒng)工程，穿越段管道開挖是復(fù)雜系統(tǒng)工程中的薄弱一環(huán)。在已運營的管道工程中，開挖段管道被沖出（即漂管）現(xiàn)象時有發(fā)生。如蘭成渝輸油管道石亭江段穿越管道雖埋深在沖刷線下3 m多，大大超過《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》[1]“埋深大于1.2 m”的要求，但因管道上游后建水壩和特大洪水等原因，使D 610 mm×9.5 mm鋼管（材質(zhì)為X65）于2013年7月發(fā)生漂管及護岸沖毀（見圖1），給管道安全運營帶來很大威脅。管道漂管主要有三方面原因：其一，人為破壞（如挖沙等）；其二，設(shè)計采用的沖刷值小于河道實際沖刷值，致使管道埋深不足；其三，壓重效果差。人為破壞本身可控性差，河道沖刷數(shù)據(jù)由勘察單位和防洪評價單位提供，是設(shè)計的基礎(chǔ)條件，設(shè)計很難從上述兩方面做出有效調(diào)整來提高管道系統(tǒng)的可靠性，因此本文，僅從壓重這一角度出發(fā)論證如何通過改進壓重效果來提高管道系統(tǒng)的可靠性。

圖1　蘭成渝石亭江穿越管道漂管及護岸破壞

1　管道壓重效果影響因素分析

管道壓重最理想的效果是管道被沖出后不發(fā)生漂管問題，可為運營單位搶修贏得時間。若壓重能抵抗水壓且壓重與管道在水壓作用下依然能緊密結(jié)合在一起，則上述預(yù)期效果是能實現(xiàn)的。管道壓重效果主要由壓重數(shù)量和壓重形式?jīng)Q定[2]。

壓重數(shù)量可解決管道運營中受到的浮力問題，通過管道抗漂浮計算確定。目前主要有兩種抗漂浮計算理論，即靜水壓力計算理論和動水壓力計算理論。通過不同理論計算可得到不同的壓重量。因此不同抗漂浮計算理論直接決定了壓重的數(shù)量，是決定壓重效果的關(guān)鍵因素之一。目前壓重設(shè)計數(shù)量絕大多數(shù)是通過管道靜水壓力抗漂浮計算確定的。

壓重形式可解決管道被沖出后壓重與管道緊密結(jié)合的問題，即其在水壓作用下的穩(wěn)定性問題。管道壓重形式很多，如土工平衡袋、馬鞍式、鐲式、混凝土連續(xù)覆蓋、混凝土連續(xù)澆注等，壓重形式通常是根據(jù)地層特性及工程經(jīng)驗確定的。壓重形式是決定管道壓重效果的另一關(guān)鍵因素。

2　管道抗漂浮計算理論適用條件及適用性分析

2.1兩種計算理論

管道壓重數(shù)量是通過管道抗漂浮計算確定的，目前有兩種抗漂浮計算理論[3]，即靜水壓力分析計算和動水壓力分析計算，靜水壓力理論計算公式為[3]：

w≥KFs（1）

式中：w為單位長度管段總重力（包括管身結(jié)構(gòu)自重、配重層重；不含管內(nèi)介質(zhì)重力），N/m；K為穩(wěn)定安全系數(shù)，大、中型穿越工程取1.30，小型穿越工程取1.20；Fs為單位長度管段靜水浮力，N/m。

動水壓力理論除考慮了靜水壓力外，尚考慮了動水推力和動水上舉力，其計算公式為：

式中：Fdy為單位長度管段動水上舉力，N/m；Fdx為單位長度管段動水推力，N/m；f為管段與河床的滑動摩擦系數(shù)，根據(jù)試驗或工程經(jīng)驗確定（無試驗時，三層PE、環(huán)氧粉末涂層的管段可取0.25，其他涂層或加配重段的管段可取0.30）；Cy為浮力系數(shù)，取0.60；Cx為推力系數(shù)，取1.20；D0為管身結(jié)構(gòu)（含防護、配重層）的外徑；γw為穿越水域水的重度，N/m3；v為管段處設(shè)計洪水水流速度，m/s；g為重力加速度，取9.80 m/s2。

2.2兩種理論適用性分析

《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“當(dāng)管道埋深符合規(guī)范要求時，抗漂浮采用靜水壓力計算；當(dāng)管道埋深不符合規(guī)范要求時，抗漂浮按動水壓力計算”。在開挖設(shè)計中，由于管道在沖刷線下的埋深都滿足規(guī)范要求，因此皆采用靜水壓力進行計算，最終通過浮力來確定壓重的數(shù)量。這種做法符合規(guī)范要求，但忽略了一個問題，即設(shè)計時采用的沖刷數(shù)據(jù)與工程實際最大沖刷值不符。由于沖刷數(shù)據(jù)本身是一個很難準(zhǔn)確確定的參數(shù)，雖然防洪評價或勘察單位在提供沖刷數(shù)據(jù)時適當(dāng)考慮了安全余量，但面對各地如此眾多的河流開挖穿越工程及復(fù)雜的外界條件，亦難免有考慮不充分的情況。因此當(dāng)設(shè)計采用沖刷數(shù)據(jù)小于河道實際沖刷值時，將會導(dǎo)致管道埋深并不滿足實際“沖刷線下一定深度”的要求，此時就應(yīng)按照規(guī)范規(guī)定的按動水壓力計算管道受到的浮力。若依然按靜水壓力計算，會導(dǎo)致工程安全系數(shù)降低，管道被沖出后會發(fā)生漂管現(xiàn)象。

2.3小結(jié)

由于設(shè)計采用的沖刷值可能比實際沖刷值小，因此全部采用靜水壓力進行計算是不合理的。同時考慮到動水壓力計算壓重增加的工程投資占整個開挖穿越的比重很小，就整個項目而言這部分增加的費用基本可忽略不計，因此筆者建議在下列情況下采用動水壓力確定壓重數(shù)量：

（1）當(dāng)沖刷數(shù)據(jù)有誤或根據(jù)經(jīng)驗判斷沖刷數(shù)據(jù)可能與實際不符時，除一方面核實沖刷數(shù)據(jù)外，另一方面壓重塊的計算應(yīng)考慮動水浮力。

（2）管道穿越位置可能遭人為破壞時，如附近有挖沙等情況。

（3）外界條件有可能變化時，如附近有相應(yīng)的水利規(guī)劃等。

（4）穿越位置附近曾發(fā)生過管道被沖出破壞等情況時。

（5）穿越位置河道沖刷情況復(fù)雜多變且經(jīng)驗欠缺時。

3　壓重形式比選及適用性分析

3.1常見壓重形式分類

管道工程中常用的壓重形式有土工平衡袋壓重[4]、馬鞍式壓重、鐲式壓重、混凝土連續(xù)覆蓋壓重、混凝土連續(xù)澆注壓重等形式。

（1）土工平衡袋壓重。土工壓袋適用地層廣泛，用于黏性土、粉土、粉細(xì)砂、角礫、圓礫等地層。由于在堅硬巖層中尖銳巖尖可能刺穿土工袋，因此應(yīng)慎用或采取抗沖刺措施后使用。土工壓袋能與管道緊密結(jié)合在一起，因此其在動、靜水壓力下皆具有良好的抗傾覆穩(wěn)定性。另外，該壓重方式施工簡單，取材便捷，造價低。

（2）馬鞍式壓重。馬鞍式壓重是長輸管道系統(tǒng)中最常見的壓重形式，具有技術(shù)簡單、施工工藝成熟的優(yōu)點。但該壓重形式在動水壓力下抗傾覆穩(wěn)定性差，容易與管道脫節(jié)，導(dǎo)致壓重失效。另外由于單個壓重塊重量較大，施工中顯得尤其笨重[5]。

（3）鐲式壓重。地層適用性廣，抗傾覆能力強。壓重塊預(yù)制工藝較復(fù)雜，現(xiàn)場安裝不方便，連接難度大，且螺栓會銹蝕，運營中存在壓重失效風(fēng)險[6]。

（4）混凝土連續(xù)覆蓋壓重。優(yōu)點同鐲式壓重。其缺點為預(yù)制、施工工藝復(fù)雜，甚至需要工廠預(yù)制。

（5）混凝土連續(xù)澆注壓重。通過在管道溝槽內(nèi)局部或全部澆注混凝土，達到管道壓重的目的，常用于基巖地段的管道壓重。此方法施工較簡單，由于混凝土用量較大，造價較高。

3.2壓重形式優(yōu)缺點分析及選型結(jié)論

各種壓重形式優(yōu)缺點對比分析見表1。

表1　壓重形式優(yōu)缺點對比

3.3壓重選型結(jié)論

由于壓重的穩(wěn)定性對壓重效果非常重要，因此在選型時應(yīng)優(yōu)先考慮其抗傾覆能力，即壓重在各種復(fù)雜水壓力條件下能與管道緊密結(jié)合從而起到壓重效果的能力；其次考慮經(jīng)濟性，由于壓重造價所占比重非常小，因此在壓重形式、造價差別不大的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮施工便捷。

在綜合考慮壓重效果、施工難易程度及對工程造價進行對比分析后，得出如下壓重選型原則：一般地層中應(yīng)以土工平衡壓重袋作為首選的壓重形式；堅硬巖層中應(yīng)以混凝土連續(xù)澆注作為首選的壓重形式。

4　結(jié)束語

工程建成后可能會面臨許多極端情況或外界不利因素，而在設(shè)計階段這些問題是很難全面考慮到的，因此，在工程運營過程中出現(xiàn)了一些管道被沖毀的問題，一旦局部出現(xiàn)問題，整個長輸系統(tǒng)即處于癱瘓狀態(tài)。本文對管道壓重計算理論及壓重形式結(jié)合實際工程經(jīng)驗進行了深入分析，對提高壓重效果非常有益，因此可在很大程度上減少管道被沖毀的概率，具有實際工程意義。

[1]GB 50423-2013，油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范[S].

[2]宋鵬，楊立明.壓重袋在大口徑管道穩(wěn)管中的應(yīng)用[J].油氣儲運，2010，29（2）：148-149，157.

[3]孫東坡.水利學(xué)[M].黃河水利出版社，2009.

[4]曾佳軍，孫海鵬，師紅杰，等.管道浮力平衡壓袋穩(wěn)管技術(shù)研究[J].石油工程建設(shè)，2012，38（2）：31-33.

[5]王毓民.混凝土加重穩(wěn)管在管道穿越水域中的應(yīng)用[J].天然氣與石油，1999，17（1）：1-6.

[6]陳國祥，馮士明.國外長輸管道穩(wěn)管新技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2004，30（3）：8-12.

[7]候海軍，李瑋，胡那拉.管道配重新材料的探討[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012（15）：59.

[8]楊智鵬.淺談抗漂浮、穩(wěn)管技術(shù)在河流穿越中的應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（24）：60-61.

[9]張文斌，譚家華.土工織物充填管狀帶的設(shè)計研究[J].中國港灣建設(shè)，2004（5）：25-29.

To Enhance L ong-distance Pipeline System Reliability by Improving Weight L oading Effect

TANG Peilian，CHANG Huaimin，LIU Yandong，REN Wenming
China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China

The reliability of the long-distance pipeline system is determined by many factors，the weight loading effect is one of them.In this paper，it is concluded that the weight loading effect is decided by two core elements-floating resistance calculation and weight loading form.Through the contrastive analysis on the two kinds of floating resistance calculation theory，it is further concluded that“Pipe floating resistance should not be calculated by hydrostatic pressure only，hydrodynamic pressure calculation should be adopted in special circumstances”.Through the comparisive study on the advantages and disadvantages of different weight loading forms，the conclusion is also obtained that“Earth balanced weight bags are fit for generalformation；but continuous concrete casting is fit for hard formation”.

long-distance pipeline；reliability；weight loading form；floating resistance calculation；hydrodynamic pressure；hydrostatic pressure

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.009

唐培連（1979-），男，山東昌樂人，工程師，2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)橋隧專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事管道穿跨越設(shè)計工作。

Email：tangpeilian@cnpc.com.cn

2016-02-19；

2016-07-11