淺析天然氣站場(chǎng)管道的沉降與防護(hù)

劉同燕

摘 要：埋地管道由于鋪設(shè)在土體中，受力狀態(tài)較地上管道復(fù)雜，尤其是敷設(shè)在軟土地基上的管道及設(shè)備，地基對(duì)管道承載能力差，設(shè)備和管道在建設(shè)過程中或?qū)㈦S著時(shí)間的推移發(fā)生沉降現(xiàn)象，影響天然氣站場(chǎng)的安全運(yùn)行，所以應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，保證設(shè)備和管道的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：管道；預(yù)防；沉降

1. 前言

天然氣作為一種環(huán)保性氣體能源，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，天然氣的輸送、儲(chǔ)存和輸配是天然氣工業(yè)的重要組成部分，其主要的輸送方式為管道輸送，天然氣站場(chǎng)作為長輸管道的重要組成部分，管道內(nèi)天然氣經(jīng)過分輸站的過濾分離、計(jì)量、調(diào)壓輸送給用戶，所以天然氣輸氣站場(chǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

天然氣輸氣站場(chǎng)在站場(chǎng)選址時(shí)，由于規(guī)劃、征地、安全等原因，輸氣站可能坐落于不良地質(zhì)條件上，如淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等軟土地基，此時(shí)如果地基處理不當(dāng)，地面新建設(shè)備、管線等載荷大于淤泥質(zhì)黏土的承載能力，在施工過程中或施工完成后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生沉降，使埋地管線、設(shè)備傾斜或變形，影響站場(chǎng)的安全運(yùn)行，甚至引發(fā)泄露或爆炸等事故。因此對(duì)工藝管道的沉降問題的防護(hù)在天然氣管道站場(chǎng)建設(shè)中是很重要的。

2. 天然氣站場(chǎng)的構(gòu)成及特點(diǎn)

2.1天然氣站場(chǎng)分類

天然氣站場(chǎng)可以分為清管站、分輸站、壓氣站和聯(lián)絡(luò)站，具有流量計(jì)量、過濾分離、對(duì)下游用戶的分輸控制，以及對(duì)介質(zhì)進(jìn)行增壓輸送的功能。站內(nèi)主要的工藝設(shè)備有收發(fā)球裝置、旋風(fēng)過濾裝置、計(jì)量調(diào)壓裝置、壓縮機(jī)、排污罐、放空設(shè)施以及各類閥門等配套設(shè)施。

2.2天然氣站場(chǎng)管道的特點(diǎn)

天然氣長輸管道工程具有以下特點(diǎn)：1）相對(duì)流動(dòng)性，管道與介質(zhì)之間是相對(duì)流動(dòng)的，因此，要求管道內(nèi)部盡可能光滑，以減少摩阻力。2）固定性，天然氣管道經(jīng)焊接或法蘭連接固定后，除改造等特殊原因外，管道一般不會(huì)發(fā)生位移。3）輸送的連續(xù)性。天然氣管道建成、投產(chǎn)后，一般情況下均需連續(xù)運(yùn)行。4）危險(xiǎn)性，管道系統(tǒng)中或泄漏的天然氣和空氣混合后達(dá)到一定的程度，一遇到明火就會(huì)發(fā)生火災(zāi)、爆炸的危險(xiǎn)。天然氣能與空氣形成爆炸性混合物，且爆炸下限較低（3.6～6.5%V），輸氣管道一旦發(fā)生泄漏，短時(shí)間內(nèi)會(huì)有大量天然氣泄漏到空氣中，在特定條件下，在泄漏源周圍有可能形成爆炸性天然氣團(tuán)，遇到火源時(shí)將發(fā)生爆炸。

2.3天然氣站場(chǎng)沉降的影響

在役天然氣管道站場(chǎng)發(fā)生沉降時(shí)，埋地管線、設(shè)備傾斜或變形，嚴(yán)重時(shí)可能撕裂管道，造成天然氣泄漏、擴(kuò)散。天然氣的泄漏不僅會(huì)影響管道的正常輸送，還會(huì)污染周圍的環(huán)境，空氣中氧含量明顯降低，使人窒息，同時(shí)增加了火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)。當(dāng)管道系統(tǒng)密封不嚴(yán)時(shí)，天然氣極易發(fā)生泄漏，并可隨風(fēng)四處擴(kuò)散，遇到明火極易引起火災(zāi)或爆炸。

3.對(duì)沉降的分析

3.1埋地管道的受力分析

1）管道自身所受重力：包括埋地管道自身重力、埋地管道連接的管道及閥門等重力傳遞至埋地管道上的載荷和管道輸送介質(zhì)所受重力（將管道與輸送介質(zhì)作為整體）；

2）管溝對(duì)管道本體向上的支撐力；

3）管道輸送介質(zhì)時(shí)介質(zhì)波動(dòng)對(duì)管道產(chǎn)生的動(dòng)載荷；

4）管頂覆土對(duì)管道的壓力載荷，載荷數(shù)值隨埋深的增加而增加；

3.2管道沉降因素分析

1）回填土

埋地管道管溝進(jìn)行回填，回填土?xí)?duì)管道會(huì)產(chǎn)生較大載荷。管溝回填土發(fā)生不均勻沉降，則導(dǎo)致管道受力發(fā)生變化，破壞受力平衡狀態(tài)，過度沉降變形，也會(huì)拉迫地上管線傾斜變形，變形超過極限值時(shí)，工藝管線將受到破壞。回填土沉降變形與回填土夯實(shí)程度、回填土材料等因素有關(guān)系?；靥詈粚?shí)程度越密，承載力就越大，沉降變形就越??；易達(dá)到高密實(shí)度的回填材料，承載力大，不易發(fā)生沉降變形。

2）地面上的其他設(shè)施也會(huì)形成地面載荷，并通過回填土體傳遞給工藝管道，破壞埋地管道的受力平衡，使管道發(fā)生變形。

3）地基處理不當(dāng)

天然氣站場(chǎng)場(chǎng)地平整時(shí)，通常會(huì)形成較深填方區(qū)，然而埋地管道管溝一般未開挖到持力，并且管道施工周期較長，期間會(huì)由于天氣導(dǎo)致管溝溝底積水等因素致使管溝溝底土質(zhì)受到擾動(dòng)，管溝基層變軟而承載力下降。同時(shí)埋地管道管溝回填過程中，回填土可能夯實(shí)程度不夠等多種因素，地表水下滲到管溝溝底，引起滲流破壞作用使管溝地基穩(wěn)定性下降、強(qiáng)度變小，承載力下降引起管道下沉。

在淤泥質(zhì)黏土等不良地質(zhì)條件中的站場(chǎng)，地面新建管線、設(shè)備等載荷大于土層的承載能力，如果沒有對(duì)管線進(jìn)行支撐或基礎(chǔ)處理措施不當(dāng)，在應(yīng)力集中的地方，廠區(qū)回填土壓迫工藝管線一起沉降，造成工藝裝置區(qū)起伏不平，管線受壓變形。

4.設(shè)計(jì)過程中沉降的預(yù)防措施

4.1對(duì)管道的防護(hù)

1）對(duì)管線進(jìn)行有效的支撐

管道安裝時(shí)盡量地上安裝，同時(shí)設(shè)置管墩或支吊架，對(duì)管道進(jìn)行支撐；對(duì)埋地管道入土點(diǎn)設(shè)置管墩，減小埋地管道對(duì)地上管道的拉力。

2）對(duì)與管道連接的閥門進(jìn)行支撐

與管道連接的閥門，應(yīng)設(shè)置閥門基礎(chǔ)，減小管道的承受力。

4.2地基的有效處理

1）基礎(chǔ)強(qiáng)夯

如果管道落于原狀土地基上，地基承載力一般能夠滿足要求。在填方區(qū)的站場(chǎng)，應(yīng)對(duì)回填土進(jìn)行分層壓實(shí)，必要時(shí)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)夯，使回填土的壓實(shí)度和性能滿足管道安裝的需要。

在管道下溝前，將基底的積水、雜物等清理干凈后，再對(duì)管溝基礎(chǔ)進(jìn)行分層強(qiáng)夯，每層鋪土的厚度應(yīng)根據(jù)土質(zhì)、密實(shí)度要求和機(jī)具性能確定。夯壓時(shí)，夯跡應(yīng)互相搭接，防止漏壓、漏夯。進(jìn)行分層強(qiáng)夯可增加土體密實(shí)度，減小地表水下滲量，降低滲流破壞的可能。強(qiáng)夯法對(duì)軟土基礎(chǔ)的加固有較好的效果，并且簡單易行、適用性廣，在施工中，遇到軟土層厚、濕陷性變形大，且管道自重大，對(duì)管道安全性要求高的情況下，可采用強(qiáng)夯法來處理地基。

2）裝置區(qū)設(shè)置鋼混凝土底板

在工藝裝置區(qū)設(shè)置一定厚度的混凝土底板，設(shè)備及管道支墩基礎(chǔ)均植根于大底板，整個(gè)裝置區(qū)的基礎(chǔ)形成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，使新建設(shè)備、管道的載荷均勻分布在底板上，能有效防止裝置區(qū)的不均勻沉降。

3）打樁加固

對(duì)于淤泥質(zhì)黏土等軟地基的廠區(qū)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況對(duì)設(shè)備和管道的基礎(chǔ)進(jìn)行打樁加固，樁基應(yīng)坐落于原狀土層上。按施工方法可分為預(yù)制樁和灌注樁。預(yù)制樁是在工廠或施工現(xiàn)場(chǎng)制成的各種形式的樁，然后用錘擊、靜壓、振動(dòng)或水沖沉入等方法打樁入土。一般有混凝土預(yù)制樁與鋼樁。灌注樁則就地成孔，然后在鉆孔中放置鋼筋籠、灌注混凝土成樁。

必要時(shí)也可采用樁基加混凝土底板的方式，使裝置區(qū)更加穩(wěn)定，既可以避免不均勻沉降，也可以避免裝置區(qū)整體沉降。

4）合理選擇回填土材料

回填土應(yīng)選擇土質(zhì)均勻，粗顆粒占一定比例，級(jí)配連續(xù)的優(yōu)質(zhì)土，不得含有雜草、爛泥等垃圾物。同時(shí)在平整前，應(yīng)先清除表層浮土、淤泥、植物根系等雜物。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂顥l件，以及含水量、載荷等環(huán)境條件，選擇土質(zhì)均勻，粗顆粒占一定比例，級(jí)配連續(xù)的優(yōu)質(zhì)土。淤泥和淤泥質(zhì)土不能用作填料，但是軟土地區(qū)，該類土經(jīng)過處理后，其含水量符合壓實(shí)要求后，可用于回填中的次要部位。填土前，應(yīng)將基底表面上的垃圾或樹根等雜物、洞穴都處理完，清理干凈；并檢驗(yàn)各種土料的含水率是否在控制范圍內(nèi)，如含水率偏高可采用翻松、涼曬等措施；如含水率偏低，可采用預(yù)先澆水潤濕等措施。

4.3嚴(yán)格控制施工質(zhì)量

在地基處理，管溝回填等施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求及施工工序進(jìn)行，并加強(qiáng)驗(yàn)收與監(jiān)督，避免因施工質(zhì)量問題對(duì)管道和設(shè)備的影響。

5.結(jié)束語

管道輸送的介質(zhì)為可燃天然氣，由于存在很多不確定性因素導(dǎo)致埋地管道沉降發(fā)生，一旦管道失效，導(dǎo)致輸送介質(zhì)泄漏，不僅影響正常運(yùn)行，導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，而且可能會(huì)引發(fā)安全事故，對(duì)人身安全、社會(huì)和環(huán)境超成惡劣影響。因此在天然氣站場(chǎng)的建設(shè)過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況，采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，選擇合理的施工方法，提高施工質(zhì)量，確保工藝管道和設(shè)備的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 石繼. 回填土對(duì)管道穩(wěn)定性影響的分析[J].給水排水，2007.33（11）：197-199.