輸油管道的沉降分析與有效防護(hù)

卜含碩，來海國，張永鑫(浙江油品儲(chǔ)運(yùn)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

石油及石油產(chǎn)品在人民的生活中占據(jù)著舉足輕重的社會(huì)地位[1-2]，而能夠保障社會(huì)各界順利使用石油的重點(diǎn)工程就是石油的運(yùn)輸，在石油運(yùn)輸過程中，管道運(yùn)輸起著不可替代的關(guān)鍵作用[3]。石油管道具有運(yùn)行時(shí)間長、跨度大、管道建設(shè)總體長、運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)問題等特點(diǎn)[4]。

近些年來，不少學(xué)者針對(duì)石油管道的管理現(xiàn)狀以及存在的問題進(jìn)行深入的分析。商莉莉、錢崑[5]從目前的石油管道的管理方法和保養(yǎng)以及全面的科學(xué)的管理策略和手段進(jìn)行深入分析，其對(duì)維持油氣田管道穩(wěn)定輸送具有重要意義。本文主要分析產(chǎn)生管道沉降的原因以及對(duì)這些原因進(jìn)行系統(tǒng)地闡述，并提供解決方法，為以后的管道沉降搶修工作提供重要的理論依據(jù)。

1 管道沉降案例

1.1 管道沉降發(fā)生經(jīng)過

2019年11月14日0時(shí)17分左右，地鐵7號(hào)線機(jī)場西站-坎機(jī)風(fēng)井區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)過程中打穿位于地下20 m深的DN600中壓(3 MPa)燃?xì)夤艿?，發(fā)生燃?xì)庑孤┮鹈皾{，導(dǎo)致鎮(zhèn)杭管道DN355.6開挖敷設(shè)段地面沉降開裂，鎮(zhèn)杭管道該段埋深為1.7 m左右，最后通過開挖后檢測管道沉降長度為126 m，管道最大沉降量達(dá)1.81 m。

1.2 管道最大允許沉降量計(jì)算

根據(jù)GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.2條：采用彈性敷設(shè)時(shí)，穿越管段曲率半徑不宜小于 1 500倍鋼管外徑，且不應(yīng)小于1 200倍鋼管外徑，根據(jù)GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》第6.1.3條：定向鉆穿越的曲率半徑應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，曲率半徑不宜小于1 500 D，且不應(yīng)小于1 200 D。此段所涉及成品油管線為直埋敷設(shè)，參照以上規(guī)范運(yùn)行的曲率半徑進(jìn)行管道沉降量計(jì)算，管道允許沉降量結(jié)果如表1所示。

表1 隧道下穿石油管道允許沉降計(jì)算結(jié)果

1.3 應(yīng)急處置措施

管理人員現(xiàn)場查看管道沉降情況，并上報(bào)省公司、政府部門，現(xiàn)場派專人24 h應(yīng)急值守。(1)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，同時(shí)聯(lián)系搶修隊(duì)伍盡快進(jìn)場。(2)中石化銷售公司管道處專家卜文平來到沉降處現(xiàn)場勘察，分析管道埋深數(shù)據(jù)對(duì)比情況，初步判斷管道有可能承受側(cè)向應(yīng)力導(dǎo)致撕裂，建議換管處理，并提出9條安全要求，立即落實(shí)相關(guān)安全措施。(3)安排專業(yè)單位開展地質(zhì)勘察、管道應(yīng)力監(jiān)測和沉降監(jiān)測工作。(4)經(jīng)專業(yè)單位監(jiān)測管道兩端兩處突然沉降點(diǎn)應(yīng)力最為集中，如圖1所示。(5)開挖出7處焊縫，由專業(yè)單位對(duì)W2、W3焊口進(jìn)行了測厚、磁粉、相控陣、超聲檢測。對(duì)W2、W3焊口進(jìn)行了材料半定量分析檢測、超聲殘余應(yīng)力測試，合金元素符合管材L290要求。通過超聲殘余應(yīng)力測試，認(rèn)為W2、W3處管道承受側(cè)向力矩?？紤]該管道埋地敷設(shè)條件及最大殘余應(yīng)力的情況，經(jīng)專業(yè)單位應(yīng)力分析計(jì)算該段管道最大允許使用壓力為1.1 MPa。(6)在落實(shí)相關(guān)安全措施的情況下、為避免機(jī)場斷供風(fēng)險(xiǎn)，將沉降點(diǎn)運(yùn)行壓力控制在0.4 MPa以下。站場中控室24 h專人監(jiān)控沿線閥室、進(jìn)出站壓力和流量的變化，每半小時(shí)記錄數(shù)據(jù)。(7)現(xiàn)場奮戰(zhàn)11天，24日19時(shí)17分起泵恢復(fù)輸油。(8)請(qǐng)專業(yè)單位繼續(xù)對(duì)此處管道沉降監(jiān)測。

圖1 管道應(yīng)力集中點(diǎn)

1.4 管道沉降經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

應(yīng)急處置結(jié)束后通過梳理此次管道沉降事件全過程的作業(yè)步驟、數(shù)據(jù)記錄，總結(jié)應(yīng)急搶修、油品保供、生產(chǎn)調(diào)度等經(jīng)驗(yàn)，為今后類似的突發(fā)事件提供處置借鑒，同時(shí)也為管道管理部門在制定完善類似事件應(yīng)急預(yù)案提供很好的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。

2 沉降勘測

管道的沉降會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而可能會(huì)導(dǎo)致材料屈服變形，甚至?xí)?dǎo)致管道的破裂，釀成重大的安全事故。因此準(zhǔn)確對(duì)沉降位置以及沉降深度進(jìn)行勘測具有重要意義。楊濤等[6]介紹了一種新的管道沉降勘測技術(shù)，采用磁應(yīng)力檢測技術(shù)能夠靈活有效地對(duì)管道沉降進(jìn)行快速評(píng)估，為管道的安全運(yùn)輸提供技術(shù)支持。但是這種技術(shù)只能為我們提供管道的應(yīng)力集中狀態(tài)，保障管道在完成沉降治理之前能夠安全運(yùn)行，不能替代管道的沉降治理工作。

3 石油管道發(fā)生沉降的原因分析

在對(duì)石油管道的鋪設(shè)施工過程中許多因素都可導(dǎo)致石油管道沉降的發(fā)生。比較常見的因素有以下幾中，管道填埋時(shí)基礎(chǔ)較差，填埋回填土?xí)r出現(xiàn)不均勻沉降，以及后期的外力作用等等。管道進(jìn)行填埋時(shí)，會(huì)受到管道及其配件自身的重力和運(yùn)輸介質(zhì)的重力。同時(shí)，管道會(huì)受到管道基礎(chǔ)對(duì)管道的支持力。除此之外，管道還會(huì)受到運(yùn)輸介質(zhì)流動(dòng)而產(chǎn)生的荷載力，以及回填土對(duì)管道的壓力，這種力隨著管道深度的改變而改變。

3.1 管道基礎(chǔ)對(duì)管道沉降的影響

管道基礎(chǔ)是影響管道沉降的首要因素。當(dāng)管道所受到的負(fù)載力和管道自身的重力之和大于管道基礎(chǔ)的承載力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致地基下沉，從而導(dǎo)致管道壓縮變形，如圖2所示。因?yàn)槭凸艿赖氖┕さ乩項(xiàng)l件不確定性較大，并且施工周期比較長，在施工期間難免會(huì)遇到雨水天氣，從而導(dǎo)致管道基礎(chǔ)底部積水，使得管道基礎(chǔ)的土質(zhì)變得松軟，地表承載下降，后期就會(huì)導(dǎo)致管道沉降的發(fā)生。此外，再進(jìn)行管道回填時(shí)，如果回填土的夯實(shí)強(qiáng)度不夠或者是回填土量不夠就會(huì)導(dǎo)致地表水下滲比較嚴(yán)重。長期下滲會(huì)導(dǎo)致管道周圍土壤變得松散，管道基礎(chǔ)的承載力下降從而引發(fā)管道沉降。

圖2 管道受力分析

3.2 管道回填對(duì)管道沉降的影響

回填土的不均勻回填會(huì)引起管道基礎(chǔ)發(fā)生改變或者是開裂，從而導(dǎo)致管道發(fā)生沉降。因此，回填土的夯實(shí)程度、回填量以及回填土的材質(zhì)對(duì)石油管道的沉降都有著至關(guān)重要的影響。首先回填土的夯實(shí)程度越大，管道基礎(chǔ)所具備的承載力越高，發(fā)生管道沉降的可能性就越小。其次，回填土的量越充足，夯實(shí)密度越大管道基礎(chǔ)的承載力越大，不易發(fā)生管道沉降。最后使用防水性能較好的回填材料，能夠有效的防止地表水的下滲，從而避免管道基礎(chǔ)的沉降和變形的發(fā)生。

3.3 其他因素對(duì)管道沉降的影響

除了以上因素外，隨著城市化的進(jìn)程，軌道交通建設(shè)過程中也會(huì)引起石油管道的沉降。如盾構(gòu)隧道[6]的開挖引起管道下沉的主要原因是盾構(gòu)期間，周圍土體為彌補(bǔ)其發(fā)生的地層損失發(fā)生地層遷移從而導(dǎo)致沉降。

4 針對(duì)分析結(jié)果的解決措施

4.1 加強(qiáng)管道自身的防護(hù)

在管道鋪設(shè)過程中通過對(duì)地面管道鋪設(shè)吊架與管墩用于支撐管道，從而有效降低傳遞到管道基礎(chǔ)上的作用力，用于減小石油管道發(fā)生沉降的概率。如圖3所示，當(dāng)石油管道受到的重力(包括石油管道自身的重力和管道內(nèi)石油的重力)大于地基給予的支持力后，地基就會(huì)發(fā)生沉降，而采用管墩結(jié)構(gòu)后，可以減少石油管道與管道基礎(chǔ)的接觸面積。將管道受到的力分散到管墩之上從而可以顯著減少管道對(duì)管道基礎(chǔ)的壓力，可以有效減少管道地基沉降問題。

圖3 地基內(nèi)管墩示意圖

4.2 回填夯實(shí)力度的選擇

在對(duì)管道基礎(chǔ)進(jìn)行夯實(shí)之前，要把管道基礎(chǔ)內(nèi)的雜物以及積水清除干凈，之后對(duì)管道基礎(chǔ)進(jìn)行分層次進(jìn)行回填夯實(shí)。在夯實(shí)過程中要一步接一步地進(jìn)行夯實(shí)，不要有遺漏點(diǎn)，從而加大管道基礎(chǔ)的夯實(shí)密度。

4.3 科學(xué)管理及施工

除了以上方法之外，后期管道的維護(hù)管理也起著重要的作用。在管道運(yùn)行期間要加強(qiáng)對(duì)管道沉降監(jiān)管工作，加強(qiáng)專業(yè)技能的培訓(xùn)工作。除此之外，在第三方作業(yè)期間要加強(qiáng)勘測要求，保證管道的正常運(yùn)行。

4.4 管道發(fā)生沉降處置措施

(1)管道發(fā)生沉降通常是有兩個(gè)或多個(gè)突然沉降點(diǎn)，這時(shí)應(yīng)請(qǐng)應(yīng)力監(jiān)測單位，對(duì)管道沉降段進(jìn)行管道應(yīng)力監(jiān)測，找出開始沉降點(diǎn)位置，在準(zhǔn)確定位管道路由和下沉起終點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在兩側(cè)分別挖探坑檢測管道受力情況，根據(jù)管道沉降深度，進(jìn)一步商討解決方案，如圖4所示。(2)準(zhǔn)確定位(含埋深)管道路由，并設(shè)立明顯標(biāo)志，防止誤傷管道。(3)盡快測量下沉點(diǎn)兩側(cè)的下沉情況(一直到正常埋深點(diǎn))。(4)在準(zhǔn)確定位管道路由和下沉起終點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在兩側(cè)分別挖探坑檢測管道受力情況。(5)降壓運(yùn)行到首站泵最低允許輸量，若經(jīng)營許可應(yīng)盡快停輸，設(shè)。(6)專人加密觀察進(jìn)出站壓力變化和發(fā)、收油量平衡情況。(7)應(yīng)急物資及搶修力量應(yīng)準(zhǔn)備充分隨時(shí)待命。

圖4 管道沉降示意圖

5 結(jié)語

綜上所述，管道沉降的影響因素有很多種，管道一旦發(fā)生事故，不但會(huì)影響石油管道的正常運(yùn)輸，還會(huì)導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人民生命安全。因此，有效避免管道沉降可以降低經(jīng)濟(jì)損失，保障人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全，提高管道運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。