多年凍土區(qū)天然氣管道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

李欣澤， 金會(huì)軍

（1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026； 4.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院/東北多年凍土區(qū)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站/寒區(qū)科學(xué)與工程研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

北極地區(qū)油氣資源豐富，為實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，多年凍土區(qū)的油氣管道建設(shè)正引起廣泛重視［1］。2017 年11 月中國(guó)石化、中投海外、中國(guó)銀行和阿拉斯加州政府、阿拉斯加天然氣開(kāi)發(fā)公司共同簽署了中美聯(lián)合開(kāi)發(fā)阿拉斯加LNG 項(xiàng)目意向性文件。項(xiàng)目包括天然氣處理裝置，一條長(zhǎng)1 287 km 的管線，以及一套年產(chǎn)2 000×104t LNG 的天然氣液化裝置。2018 年1 月中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布《中國(guó)的北極政策》，明確提出支持企業(yè)通過(guò)各種合作形式，在保護(hù)北極生態(tài)環(huán)境的前提下，積極參與北極油氣和礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)。

多年凍土區(qū)特殊的地質(zhì)和巖土條件決定著管道設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理等許多方面都有別于溫帶地區(qū)的管道。已建多年凍土區(qū)管道工程中，最為經(jīng)典的是美國(guó)的阿拉斯加（Alaska）原油管道［2-3］、加拿大的羅曼井（Norman Wells）原油管道［4］。格爾木-拉薩成品油管線是我國(guó)在多年凍土區(qū)建設(shè)的第一條管道，基本沿青藏公路鋪設(shè)，于1974—1977 年建設(shè)并投入運(yùn)行，全長(zhǎng)1 076 km，有900 km 多的管線處在海拔4 000 m以上嚴(yán)寒地區(qū)，560 km多管線鋪設(shè)在多年凍土區(qū)；埋深1.2～1.4 m，管道干線直徑159 mm，壁厚6 mm。工程修建十分艱巨、復(fù)雜，管道自運(yùn)行以來(lái)，由于局部管道管基土凍脹，導(dǎo)致管道破裂，出現(xiàn)過(guò)幾次泄漏事故［5-6］。

2008—2011年和2016—2018年建設(shè)、投產(chǎn)的中俄原油管道I 線和II 線（漠大線）是我國(guó)多年凍土區(qū)管道建設(shè)的里程碑式工程。中俄管道在中國(guó)境內(nèi)管道全長(zhǎng)約為933 km，管徑為813 mm，壁厚為12.5～17.5 mm，設(shè)計(jì)壓力為8.0～10.0 MPa。管道敷設(shè)方式采用“修訂的埋設(shè)”（Modified conventional burial construction mode）施工方式，埋深1.6～1.8 m，接近多年凍土上限附近。采用常溫密閉輸送工藝，輸送俄羅斯低凝（-18 ℃）原油。中國(guó)境內(nèi)的中俄原油管道沿線的多年凍土區(qū)約為512 km，其中島狀及零星不連續(xù)多年凍土區(qū)205 km；季節(jié)凍土區(qū)約為441 km。該管道在借鑒美國(guó)、加拿大、俄羅斯等國(guó)外多年凍土區(qū)管道工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，投入上千萬(wàn)科研經(jīng)費(fèi)開(kāi)展工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)、預(yù)報(bào)及管道熱、應(yīng)力分析和數(shù)值模擬，多年凍土地區(qū)和林區(qū)、沼澤濕地輸油管道施工、地溫監(jiān)測(cè)和管道位移監(jiān)測(cè)等課題的研究，采取了增加壁厚、保溫、地基土換填、熱管等融沉防治措施。但在管道投產(chǎn)后由于原油溫度與俄方提供的設(shè)計(jì)輸入條件相差較大，全年正溫輸送，多年運(yùn)維監(jiān)測(cè)資料顯示管道主要風(fēng)險(xiǎn)為融沉［7-12］。

在全球多年凍土區(qū)，目前已建的油氣管道不超過(guò)十條，多為原油管道。雖經(jīng)多次論證、幾度沉浮，限于經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性，20世紀(jì)80年代規(guī)劃建設(shè)的阿拉斯加天然氣輸送系統(tǒng)至今未建成投產(chǎn)。可見(jiàn)，多年凍土區(qū)（特別是北極地區(qū)）天然氣管道的設(shè)計(jì)、修建和維運(yùn)仍然是個(gè)懸而未決的全球性凍土工程難題［13-14］。目前，我國(guó)在多年凍土區(qū)建設(shè)天然氣管道的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)非常有限，尚難以保證極地寒區(qū)和極端低溫條件管道工程的設(shè)計(jì)、施工和安全運(yùn)行。因此，研究和解決極地和其他多年凍土區(qū)天然氣管道工程所遇到的難題對(duì)我國(guó)國(guó)家利益最大化和人類命運(yùn)共同體的福祉具有重大而深遠(yuǎn)的意義?？v觀多年凍土區(qū)的油氣管道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)以及教訓(xùn)，本文站在管道工程設(shè)計(jì)者的角度，分析總結(jié)了以下亟待解決的寒區(qū)管道工程關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 我國(guó)多年凍土區(qū)天然氣管道研究進(jìn)展

我國(guó)多年凍土區(qū)天然氣管道研究主要圍繞中俄東線天然氣管道工程（黑河-上海）和格爾木-拉薩天然氣管道工程展開(kāi)。中俄東線是國(guó)內(nèi)首條外徑（OD）1 422 mm 大口徑輸氣管道，途徑東北北部嚴(yán)寒地區(qū)，最冷月平均氣溫約-24～-14 ℃，極端最低溫度-48.1 ℃或更低，最大季節(jié)凍深221～298 cm。管道北段黑河至長(zhǎng)嶺段于2019 年10 月建成投產(chǎn)。該管道形成了系列OD 1 422 mm 設(shè)計(jì)、施工集成技術(shù)。其中，與多年凍土有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)包括輸氣管道可靠性設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)技術(shù)、多年凍土開(kāi)挖與回填技術(shù)、站場(chǎng)OD 1 422 mm低溫管件設(shè)計(jì)與研制等。

輸氣管道可靠性設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)是基于概率的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，針對(duì)管道所對(duì)應(yīng)的極限狀態(tài)和狀態(tài)方程，定量計(jì)算管道的可靠性水平，優(yōu)化管道設(shè)計(jì)并指導(dǎo)運(yùn)行維護(hù)，適用于一般地段和特殊地段。多年凍土開(kāi)挖與管溝回填技術(shù)明確了多年凍土開(kāi)挖設(shè)備（挖掘機(jī)液壓鎬、推土機(jī)松土器和挖掘機(jī)）配置方式以及回填方式（篩分斗+外購(gòu)細(xì)土、篩分斗和直接回填）優(yōu)化。站場(chǎng)OD 1 422 mm 低溫管件設(shè)計(jì)與研制是從設(shè)計(jì)溫度的確定、材料的選擇、結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)、性能指標(biāo)的制定等方面進(jìn)行全面研究，制定中俄東線站場(chǎng)低溫環(huán)境用管件制造技術(shù)條件，研發(fā)站場(chǎng)低溫環(huán)境用管件新產(chǎn)品。

另外，規(guī)劃在青藏高原工程廊帶內(nèi)與已建格拉成品油管道并行新建格拉油氣管道（同溝敷設(shè)）。其中，輸氣管道推薦管徑OD 559 mm，設(shè)計(jì)壓力6.3～12.0 MPa；在多年凍土區(qū)管頂埋深1.8～2.0 m。采取低溫輸送工藝，為應(yīng)對(duì)冷季可能加劇活動(dòng)層的凍結(jié)過(guò)程，導(dǎo)致凍脹類病害的增多和加劇，全線采用了保溫防護(hù)措施，保溫層厚度80 mm；在高含冰量多年凍土地段采取“保溫+換填”等技術(shù)處理措施來(lái)應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的管基土的融沉問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 管土水、熱、力耦合系列

天然氣的密度和比熱容與原油相比有很大差異。天然氣在壓氣站增壓后出站溫度能達(dá)到30～50 ℃。因此，在多年凍土區(qū)，為防止管基土的融化，需要人為降溫至接近圍巖溫度進(jìn)行輸送。但負(fù)溫氣流輸送可能導(dǎo)致管道周圍凍、融土中熱量散失，在周圍土體中產(chǎn)生凍結(jié)圈，形成強(qiáng)烈凍脹，結(jié)果可能導(dǎo)致管道過(guò)量變形、彎曲或橢圓化變形［15-16］。因此，在多年凍土區(qū)進(jìn)行管道工程設(shè)計(jì)，對(duì)輸氣管道溫度調(diào)控要求要嚴(yán)格得多。為防止輸氣溫度過(guò)高而導(dǎo)致管體周邊凍土融化和管基土融沉，根據(jù)實(shí)際情況可能需采取保護(hù)多年凍土的原則，采用負(fù)溫輸送工藝，壓氣站出站溫度需要控制不高于-1 ℃。而單一的空冷器達(dá)不到理想的降溫效果，需要增設(shè)換熱器聯(lián)合對(duì)管輸氣流進(jìn)行冷卻。

對(duì)于多年凍土區(qū)輸油管道來(lái)說(shuō)，由于管道全年是正溫輸送，埋地管道相當(dāng)于一個(gè)熱源，主要關(guān)注的管基穩(wěn)定問(wèn)題是融沉變形過(guò)大［17-20］。阿拉斯加原油管道全長(zhǎng)1 287 km，其中有676 km 的管道為了穿越富含冰高溫多年凍土區(qū)（融化不穩(wěn)定區(qū)），采用了地上架空的穿越方式，就是為了避免管道向周圍土壤散熱，造成多年凍土融化并失去對(duì)管道的支撐能力。與多年凍土區(qū)輸油管道不同，多年凍土區(qū)天然氣管道主要關(guān)注的問(wèn)題是管基土的凍脹［21-22］。

多年凍土區(qū)天然氣管道對(duì)管內(nèi)流體溫度的計(jì)算精度要求非常高，因?yàn)樗苯佑绊懝艿揽稍试S的最低金屬溫度的確定、基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)管段的選取以及運(yùn)營(yíng)期間管基的（差異性）融沉和凍脹預(yù)測(cè)。常規(guī)的長(zhǎng)距離輸氣管道計(jì)算模擬仿真商業(yè)軟件如TGNET 和SPS 可能不適用于多年凍土區(qū)管道設(shè)計(jì)，其采用總傳熱系數(shù)法進(jìn)行傳熱計(jì)算，沒(méi)有考慮土壤相變潛熱和管基土中的對(duì)流換熱等問(wèn)題［23-24］。因此，多年凍土區(qū)管道設(shè)計(jì)需要采用完全的管基土的水、熱、力耦合模型，對(duì)管輸氣流溫度和管周巖土和水分、溫度耦合計(jì)算，考慮土中水分的相變潛熱和對(duì)流換熱等。為精確預(yù)測(cè)氣流溫度，耦合模型需要針對(duì)每個(gè)管段輸入一系列有限元地形數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)、初始地溫、含水（冰）率和管基土的結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)。從區(qū)域?qū)用娣治?，在季?jié)凍土區(qū)，由于管道運(yùn)行溫度、土的特性、地下水位、覆土厚度、空氣水平運(yùn)動(dòng)和巖土溫濕度等參數(shù)影響，管基存在（差異性）凍脹的情況；在多年凍土區(qū)，由于管道運(yùn)行溫度、巖土的特性、地溫、從安裝到投運(yùn)周期、地表擾動(dòng)和掃線施工等影響，可能存在管基（差異性）融沉情況。從管道本體層面分析，氣流溫度沿著管線受管周巖土溫度的影響，在管道投產(chǎn)以及壓氣站陸續(xù)投運(yùn)過(guò)程，沿線的管道中氣流溫度是變化的，若輸氣管道運(yùn)行溫度低于水合物的形成溫度和氣源水露點(diǎn)，管道容易出現(xiàn)冰堵事故［25］；在夏季，管線上方地溫升高，降低了管線的上浮阻力，管線產(chǎn)生應(yīng)變；由于施工和氣候變化造成的地溫升高會(huì)增加管體的蠕變速率。上述情況均與管道運(yùn)行溫度相關(guān)，是管線和設(shè)備設(shè)計(jì)所應(yīng)考慮的因素，都需要在水、熱、力耦合計(jì)算模型中予以考慮。

2.2 材料、應(yīng)力系列

2.2.1 輸氣管道斷裂控制技術(shù)

輸氣管道在運(yùn)行時(shí)，管道中積聚了大量的彈性壓縮能，一旦發(fā)生破裂，材料的裂紋擴(kuò)展速度極快，斷裂速度將超過(guò)聲速，且不易止裂，其斷裂長(zhǎng)度也會(huì)很大。為確保鋼管避免脆性斷裂擴(kuò)展，控制其延性斷裂擴(kuò)展，一般是對(duì)鋼管制造商提出嚴(yán)格的控制韌性指標(biāo)，依靠材料自身止裂。沖擊韌性反映材料的塑性變形和斷裂過(guò)程吸收能量的能力，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合反映，是抗斷裂和止裂的主要指標(biāo)，可以通過(guò)結(jié)合夏比V 形缺口試驗(yàn)和落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）來(lái)確定。經(jīng)濟(jì)合理的韌性要求與鋼種的強(qiáng)度等級(jí)、管徑、壁厚、焊接方法和使用環(huán)境、溫度等因素有關(guān)。如果韌性指標(biāo)過(guò)高，實(shí)物鋼管制造時(shí)也會(huì)存在難以達(dá)到的情況，即如果不能從鋼管本身的高韌性指標(biāo)獲得充足的固有止裂性能，那么就必須采取其他防止延性斷裂的止裂措施，如沿管道每隔一段距離安裝止裂器。

溫帶地區(qū)天然氣管道韌性指標(biāo)制管企業(yè)一般均能滿足，在國(guó)內(nèi)還未有安裝止裂器的管道。但多年凍土區(qū)情況則不同，在低溫條件下，金屬材料韌性降低，脆性增加。尤其要十分注意暴露在氣溫特別低的地區(qū)的管道和設(shè)施。在這些場(chǎng)合選用材料時(shí)，應(yīng)慎重考慮其低溫力學(xué)性能。國(guó)內(nèi)外輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：管道根據(jù)沿線居民戶數(shù)和（或）建筑物的密集程度，劃分為四個(gè)地區(qū)等級(jí)，其中一級(jí)地區(qū)人員和（或）建筑物密集程度最低，選用最大的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；相同鋼級(jí)和設(shè)計(jì)壓力情況下，選取設(shè)計(jì)壁厚最薄。一般多年凍土區(qū)位于一級(jí)地區(qū)的高等級(jí)鋼管，止裂所需的的夏比沖擊功過(guò)高，實(shí)物制造有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。因此，這部分管道要想實(shí)現(xiàn)止裂要考慮應(yīng)用止裂器。止裂器可采用鋼套筒、鋼絲繩卷、厚壁鋼管、復(fù)合材料或其他適當(dāng)型式的組件。

2.2.2 “基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)”新技術(shù)

傳統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)是基于應(yīng)力設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上是有一定安全系數(shù)的彈性設(shè)計(jì)方法。通過(guò)判斷管道復(fù)合應(yīng)力是否滿足管材許用應(yīng)力，確定設(shè)計(jì)管道是否可靠。該方法局限性在于推薦的安全系數(shù)不能完全反映管材性能水平，無(wú)法證實(shí)和量化其有效性，設(shè)計(jì)結(jié)果往往是雖然安全，但偏于保守［26-29］。

“基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)”新方法來(lái)源于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)思想。通常指在位移控制為主或部分以位移控制為主的狀態(tài)下，為了保證管道在塑性變形下（應(yīng)變大于0.5%），仍能滿足極限狀態(tài)而進(jìn)行的設(shè)計(jì)方法。作用于管道結(jié)構(gòu)的載荷分為負(fù)載控制型載荷和位移控制型載荷。位移控制型載荷包括熱膨脹、凍脹、強(qiáng)迫位移等。載荷大小則取決于結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移和變形。管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)應(yīng)遵循如圖1所示的流程。

基于應(yīng)變的強(qiáng)度設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)表達(dá)式與傳統(tǒng)的基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法類似：

式中：ε為設(shè)計(jì)應(yīng)變，可采用解析法和有限元軟件編程計(jì)算法（主要手段）確定，一般常用的有限元分析軟件為Abaqus和ANSYS［30］；[ε]為許用應(yīng)變；εs為管材所能承受的極限應(yīng)變；F為安全系數(shù)，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)管材性能、管道穿越類型、地區(qū)等級(jí)、地質(zhì)災(zāi)害類型及危險(xiǎn)等級(jí)等指標(biāo)確定。

圖1 管道基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的流程Fig.1 Flow diagram of strain-based design of pipeline

使用有限元軟件計(jì)算設(shè)計(jì)應(yīng)變的步驟是：首先確定管材特性模型和管道載荷等參數(shù)，接著選擇合適單元類型建立管土耦合作用模型，然后采用合適方式模擬邊界條件，最后確定計(jì)算對(duì)象的結(jié)果輸出類型和輸出方式［31］。部分采取基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的凍土區(qū)管道項(xiàng)目確定的拉伸應(yīng)變極限和壓縮應(yīng)變極限見(jiàn)表1。對(duì)于多年凍土區(qū)天然氣管道，關(guān)注的是差異性凍脹位移計(jì)算方法，主要方法有基于統(tǒng)計(jì)模型的凍脹量估算方法和基于分凝勢(shì)模型的計(jì)算方法［14］。對(duì)于多年凍土區(qū)輸油管道，關(guān)注的是差異性融沉位移計(jì)算方法，主要方法有基于崔托維奇公式的融沉量估算方法和基于管道融化圈的融沉量估算方法［32-33］。

表1 基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)管道的拉伸應(yīng)變極限和壓縮應(yīng)變極限［34］Table 1 Tensile strain limit and compressive stain limit of strain-based design of pipeline［34］

2.3 公用配套系列

2.3.1 連續(xù)多年凍土區(qū)接地

極寒多年凍土地區(qū)的土的電阻率高，導(dǎo)致常規(guī)的接地技術(shù)無(wú)法滿足設(shè)備的接地需求。除考慮接觸電壓、跨步電壓需滿足規(guī)程要求外，自控、通信等設(shè)備對(duì)接地電阻值的要求也是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。極寒地區(qū)的接地技術(shù)主要包括：連續(xù)多年凍土區(qū)對(duì)接地設(shè)計(jì)的影響、接地方案比選、接地材料的選型、接地系統(tǒng)的維護(hù)方案等。

2.3.2 不連續(xù)多年凍土區(qū)陰極保護(hù)

對(duì)于不連續(xù)多年凍土區(qū)，多年凍土帶和非多年凍土帶斷續(xù)分布或頻繁過(guò)渡。土的特性不僅在管道沿線差異很大，而且同一管段的土的電阻率也有可能隨季節(jié)和凍融狀態(tài)變化存在較大差異，影響長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［35］。長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)技術(shù)的研究包括合理可行的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方案研究、適合不連續(xù)多年凍土區(qū)工況條件下的相關(guān)陰極保護(hù)設(shè)備和材料的研究、陰極保護(hù)系統(tǒng)的管理維護(hù)等。

2.3.3 站場(chǎng)基礎(chǔ)和地上管道支撐

對(duì)于低溫（＜-1 ℃）、連續(xù)多年凍土區(qū)的輸氣管道沿線站場(chǎng)，采用鉆孔+插入鋼管樁+泥漿灌縫的技術(shù)方案，保證鋼管與地基土有效凍結(jié)。對(duì)于高溫（≥-1 ℃）、不連續(xù)多年凍土（多年性凍土）站場(chǎng)，采用鉆孔+插入鋼管樁+熱管技術(shù)的技術(shù)方案。其中站場(chǎng)內(nèi)儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)尤其要注意是否有潛在凍脹敏感性風(fēng)化巖土，否則會(huì)增加處理成本。

阿拉斯加原油管道全線地上管道支撐共有9種不同形式，有的是兩根鋼管支撐，有的是四根鋼管支撐。管托與上部管道固定，在地震等情況下，管托連同上部管道可以在下部鋼支撐（Vertical supporting members，VSM）上移動(dòng)，管托與鋼支撐接觸面是薄薄一層四聚氟乙烯板。鋼支撐上部熱管個(gè)數(shù)、高度也不相同，決定因素取決于多年凍土管基的含水量、地溫和土的性質(zhì)（是否是凍脹敏感性土或融化不穩(wěn)定土）［36-37］。圖2 表示的是北極某油氣處理站場(chǎng)架空基礎(chǔ)。

圖2 北極某油氣處理站場(chǎng)架空基礎(chǔ)Fig.2 Overground foundation of one oil and gas processing station in Arctic

2.3.4 建筑物模塊化和設(shè)備撬裝化

北極地區(qū)施工窗口期只有不到4 個(gè)月（12 月底至次年4月中旬），且Alaska北坡地區(qū)北冰洋的口岸海冰解凍窗口期只有9—10 月這兩個(gè)月；11 月—次年1月為溫度很低的極夜時(shí)期（北極圈內(nèi)）［38］。由于天氣嚴(yán)寒，北極地區(qū)整體施工效率低于通常情況下的50%。為充分利用有限的窗口期，降低現(xiàn)場(chǎng)施工工作量，管道站場(chǎng)需盡可能建筑物模塊化和設(shè)備撬裝化。采用模塊化建筑物和撬裝化設(shè)備，將主要構(gòu)件制成模塊，從口岸運(yùn)到建設(shè)營(yíng)地的地方，將節(jié)省45%～55%的施工工程量。建議的模塊化建筑物包括發(fā)電機(jī)房、配電室、控制室、辦公室、倉(cāng)庫(kù)和宿舍等。建議的撬裝化設(shè)備包括計(jì)量設(shè)備、調(diào)壓設(shè)備、加熱設(shè)備、空氣壓縮設(shè)備和水罐等。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

（1）在北極地區(qū)，修筑永久性道路將破壞苔原苔蘚等脆弱、敏感植被，不符合環(huán)保要求，除非特殊需要才修建礫石便道或工作臺(tái)。因此，只需要修成冰雪公路等臨時(shí)性施工便道。施工開(kāi)始于11 月中旬，通過(guò)在附近湖中開(kāi)采冰塊或收集積雪，運(yùn)至工地粉碎，壓實(shí)鋪設(shè)。同時(shí)每日在寒冷天氣條件下不斷噴灑水層（到積雪或冰面），可修建30 cm 厚的冰面公路，能承載重型車輛通過(guò)。冰路每隔一段距離安裝溫度檢測(cè)儀表，數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)傳，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冰路狀態(tài)。冰路融化后現(xiàn)場(chǎng)無(wú)遺留痕跡，對(duì)環(huán)境無(wú)破壞。每年都需要進(jìn)行冰路修建，同時(shí)進(jìn)行除雪作業(yè)維護(hù)［39-40］。圖3所示的是冰路施工場(chǎng)景。

圖3 冰路施工Fig.3 Ice road construction

（2）在可以進(jìn)行修筑永久性公路的地方，筑路材料的來(lái)源是一個(gè)很大問(wèn)題。北極地區(qū)地表至4 m深度處為粉土夾碎石，不適宜用于筑路。埋深4 m以下為碎石，是比較好的筑路材料。為此需要進(jìn)行爆破，采用空氣鉆井技術(shù)，成孔直徑約8 cm，深度4 m，裝入炸藥后起爆，將其上多年凍土層清除，可開(kāi)采下面的碎石土進(jìn)行筑路。

（3）施工設(shè)備需進(jìn)一步改造后才能適應(yīng)北極極端的自然環(huán)境，即施工設(shè)備是專門針對(duì)北極地區(qū)的特殊化設(shè)計(jì)。這需額外增加防凍等系統(tǒng)，比常規(guī)設(shè)備費(fèi)用高出25%，用特殊設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)極寒天氣和氣候環(huán)境。各種機(jī)動(dòng)車輛24 h 不熄火。車輛要求是多用途，主要零部件可以拆卸組裝實(shí)現(xiàn)鑿冰、運(yùn)冰、鏟冰等不同功能。鋼架、吊桿以及其他裸露受力的鋼結(jié)構(gòu)等都必須使用耐低溫的鋼材。液壓循環(huán)系統(tǒng)要用特殊的液壓油和特殊的潤(rùn)滑油。自動(dòng)焊機(jī)等設(shè)備需要24 h 不停機(jī)。燃料包括施工用的油料和潤(rùn)滑油、汽車、飛機(jī)用油和取暖用燃油，冬季用量極大?？紤]對(duì)苔原環(huán)境的影響，采用寬履帶、特寬輪胎的特種車輛，如氣缸軟胎羅林岡運(yùn)輸汽車（relligons）可以通行［41］。圖4所示的是履帶式推雪車。

圖4 履帶式推雪車Fig.4 Track bulldozer

（4）北極地區(qū)不僅溫度低、黑暗，風(fēng)也很大。極寒施工環(huán)境的焊接工藝技術(shù)主要包括焊接方法的選取、焊接材料的選擇研究、通過(guò)焊接工藝評(píng)定的對(duì)比分析提出母材的合金成分體系范圍、制定環(huán)焊縫焊接性能指標(biāo)、焊前預(yù)熱方式、焊后熱處理方式、焊接質(zhì)量的檢測(cè)與試驗(yàn)等一系列焊接技術(shù)細(xì)節(jié)。比如所有焊接接頭應(yīng)進(jìn)行全周長(zhǎng)100%無(wú)損檢測(cè)，宜選擇射線或超聲波無(wú)損檢測(cè)方法，在焊接作業(yè)過(guò)程中，低溫焊接棚是必備的。

4 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理關(guān)鍵技術(shù)

筆者針對(duì)多年凍土區(qū)天然氣管道項(xiàng)目建設(shè)，識(shí)別出的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)主要有自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)［42-44］、政治環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、政策、法律環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)人文風(fēng)險(xiǎn)，非系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)主要有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)對(duì)項(xiàng)目的建設(shè)承攬范圍進(jìn)行決策，決策方案有只承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)、只承擔(dān)施工任務(wù)和作為EPC 承包商承擔(dān)設(shè)計(jì)、采購(gòu)和施工任務(wù)。構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖5。通過(guò)邀請(qǐng)具有管道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、熟悉凍土環(huán)境的專家，由他們給出判斷矩陣，進(jìn)而計(jì)算出權(quán)重，見(jiàn)表2和3。

圖5 用于項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析的層次結(jié)構(gòu)模型圖Fig.5 Hierarchical model diagram for project risk analysis

表2 用于判別項(xiàng)目系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的矩陣及權(quán)重Table 2 Matrix and weight for judging project system risk

表3 用于判別項(xiàng)目非系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的矩陣及權(quán)重Table 3 Matrix and weight for judging project non-system risk

將風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)尺度V 分為5 個(gè)等級(jí)，V=（5，4，3，2，1），分別表示（可能性大風(fēng)險(xiǎn)，比較大風(fēng)險(xiǎn)，中等風(fēng)險(xiǎn)，不大風(fēng)險(xiǎn)，較小風(fēng)險(xiǎn)）。對(duì)本項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)各風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重值沿用層次分析法計(jì)算出的權(quán)重值，本項(xiàng)目綜合得分為4.3，屬于高風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略和應(yīng)對(duì)措施概述見(jiàn)表4。與在溫帶地區(qū)建設(shè)管道相比，需要重點(diǎn)關(guān)注自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、社會(huì)人文風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。北極地區(qū)有極晝、極夜特殊自然現(xiàn)象。極晝一般在每年5—7月，“白盲”增加了對(duì)人身安全的威脅；極夜在每年11月—次年1月，長(zhǎng)期的低溫條件和黑暗大氣環(huán)境對(duì)人的工作效率影響很大，在生理上使人產(chǎn)生厭倦的情緒，甚至導(dǎo)致抑郁和自殺、殺人傾向，必須適時(shí)安排度假或輪換工種等。當(dāng)?shù)毓?huì)名目眾多，土著居民利益、文化、民族和環(huán)境保護(hù)意識(shí)強(qiáng)烈，但其勞動(dòng)技能和熟練程度遠(yuǎn)達(dá)不到管道項(xiàng)目建設(shè)要求，需要額外培訓(xùn)上崗，會(huì)極大增加勞動(dòng)力成本，要盡量采用運(yùn)籌學(xué)技術(shù)降低人力資源成本。輸氣管道也是高危工程設(shè)施，一旦泄露爆炸，其破壞是環(huán)境的巨大浩劫，將對(duì)國(guó)家、企業(yè)的利益和榮譽(yù)造成毀滅性的打擊。因此，有些或有時(shí)保守或額外的設(shè)計(jì)是必須和強(qiáng)制性的。

5 解決方案或路徑

本文在國(guó)內(nèi)外多年凍土區(qū)油氣管道建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和成果基礎(chǔ)上，結(jié)合管道建設(shè)最新技術(shù)，以實(shí)事求是、因地制宜解決多年凍土區(qū)特殊問(wèn)題為目標(biāo)，綜合歸納出了多年凍土區(qū)管道設(shè)計(jì)、施工、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理3 個(gè)大項(xiàng)14 個(gè)子項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。它們主要包括管土水、熱、力耦合系列的管輸氣冷卻技術(shù)和傳熱計(jì)算技術(shù)，材料和應(yīng)力系列的管道斷裂控制技術(shù)和“基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)”新技術(shù)，公用配套系列的連續(xù)多年凍土接地技術(shù)、不連續(xù)多年凍土區(qū)陰極保護(hù)技術(shù)、多年凍土區(qū)站場(chǎng)基礎(chǔ)和地上管道支撐設(shè)計(jì)技術(shù)和建筑物模塊化和設(shè)備撬裝化技術(shù)，施工系列的特殊施工裝備、冰路修建、低溫焊接和焊縫100%檢測(cè)技術(shù)，以及自然環(huán)境、社會(huì)人文、技術(shù)等風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)。具體關(guān)鍵技術(shù)及解決方案或路徑見(jiàn)表5。

表4 多年凍土區(qū)天然氣管道建設(shè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)一覽表Table 4 The risk list of natural gas pipeline construction in permafrost regions

表5 多年凍土區(qū)天然氣管道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)Table 5 Key techniques for building of natural gas pipelines in permafrost regions

5 結(jié)論和建議

（1）多年凍土區(qū)輸油管道與天然氣管道最大的不同在于輸送介質(zhì)和輸送溫度的不同。凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì)，凍土地基出現(xiàn)病害的主要原因是凍脹和融沉。輸油管道若正溫輸送，往往關(guān)注管基土的（差異性）融沉問(wèn)題；天然氣管道如負(fù)溫輸送，往往更關(guān)注管基土的（差異性）凍脹問(wèn)題。

（2）低溫將帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)和難題，一方面可以因地制宜，利用增強(qiáng)換熱技術(shù)或裝置，比如在壓縮機(jī)入口設(shè)置換熱器，利用進(jìn)站冷氣流進(jìn)行出站氣體換熱，同時(shí)滿足壓縮機(jī)入口來(lái)氣預(yù)熱和壓氣站出站氣流降溫的需要。另一方面積極采取措施應(yīng)對(duì)由于低溫帶來(lái)的新問(wèn)題，消除負(fù)面影響。比如止裂器的研發(fā)來(lái)控制管道大面積斷裂；地上斷層穿越處或輸氣站場(chǎng)低溫閥門、管道、收發(fā)球筒等設(shè)備等研發(fā)應(yīng)對(duì)極端環(huán)境溫度；通過(guò)增加管壁厚度或采用大應(yīng)變鋼管來(lái)提高管道的許用應(yīng)變應(yīng)對(duì)凍脹引發(fā)的位移載荷；在低溫、連續(xù)多年凍土區(qū)的站場(chǎng)，采用鉆孔+插入鋼管樁+泥漿灌縫的技術(shù)方案，保證鋼管與地基土有效凍結(jié)。

（3）多年凍土區(qū)的管-土多場(chǎng)耦合傳熱計(jì)算技術(shù)最亟待解決，需要進(jìn)一步加強(qiáng)水、熱、力三場(chǎng)耦合機(jī)理的研究，研發(fā)水、熱、力三場(chǎng)耦合數(shù)值分析平臺(tái)，采用完全的管基土的水、熱、力耦合模型，對(duì)管輸氣流溫度、管周土和水分、溫度耦合計(jì)算，考慮土壤相變潛熱和對(duì)流換熱等影響因素，精確預(yù)測(cè)流體溫度，為管道允許最低金屬溫度的確定、“基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)”管段的選取以及運(yùn)營(yíng)期間管基的融沉和凍脹預(yù)測(cè)等提供準(zhǔn)確依據(jù)。

（4）在多年凍土區(qū)建設(shè)天然氣管道，在嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求和惡劣的自然環(huán)境條件下，施工技術(shù)十分關(guān)鍵。需要采用特殊的施工裝備、特殊的施工方法，并進(jìn)行周密的施工組織設(shè)計(jì)才能確保管道建造質(zhì)量和效率。