沿海成品油輸油站內(nèi)管道應(yīng)力釋放的措施

舒獻成

〔國家管網(wǎng)華東分公司甬臺溫管道管理處 浙江溫州 325200〕

作為能源大動脈的長輸管線，許多管線和場站建設(shè)在沿海地區(qū)。由于沿海地區(qū)地形地貌主要以海積平原、沖積平原、低山丘陵、灘涂為主，該地形地貌最主要的特點就是土地基礎(chǔ)強度低，壓縮性較大，多屬于欠固結(jié)狀態(tài)，較易發(fā)生沉降，可流塑性較大[1]。另外，沿海地區(qū)多屬于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，管線附近多有其它單位進行施工，會在管線周圍堆砌大量棄土、棄渣等。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點及天氣等不可控因素，部分棄土、棄渣會發(fā)生塑性變形，流至管線上方、鄰側(cè)，增加管線的流動荷載[2]。當(dāng)流動荷載達到一定程度后，管線發(fā)生應(yīng)力變形，因埋地管線應(yīng)力自然釋放量較大，導(dǎo)致場站內(nèi)地上管線應(yīng)力集中，發(fā)生變形，增加站內(nèi)管線焊口、法蘭處橫向、縱向荷載，從而嚴(yán)重危害管道和設(shè)備的正常運行。

溫州某長輸管道站場由于站外埋地管線附近有其它單位堆砌大量棄土、棄渣，因天氣原因?qū)е聴壨?、棄渣流至管線上方，站外埋地管線受到橫向、縱向擠壓，站內(nèi)管線應(yīng)力集中，無法自然釋放，導(dǎo)致站內(nèi)部分管線發(fā)生偏移、站場內(nèi)管線輕微拱起變形、閥門支墩懸空、放空管線傾斜等情況。為保證管線運行安全，需采取相應(yīng)的措施來釋放應(yīng)力。

1 工程概況

該場站位于溫州市甌江入?？诘娜侵蕖`昆島，站場北側(cè)距離甌江僅0.5 km，且站外管線兩側(cè)均為魚塘，管線附近有某高速復(fù)線工程正在施工。站場于2017年11月建成，于2018年4月正式投產(chǎn)投用。工藝區(qū)管線下有管樁、筏板支撐，進站管線尺寸為Φ 406.4 mm×12.5 mm，出站管線尺寸為Φ 323.9 mm×12.5 mm，管道材質(zhì)為L 415M，管道設(shè)計壓力為9.5 MPa，運行壓力為3.5 MPa。管道運行一年，因站外管線受到不均勻擠壓，導(dǎo)致站內(nèi)管線發(fā)生變形。

站外管線不均勻沉降、偏移，導(dǎo)致站內(nèi)進/出站第一道球閥前管線向下彎曲，因站內(nèi)球閥支墩均為固定式管托，無法移動，導(dǎo)致站內(nèi)管線以此為基點，球閥后管線向上拱起(如圖1)，說明進站管線縱向方向受到垂直向下的分力F1。

圖1 進站MOV4101處主視圖

從管道軸向看，進出站第一道閥門支墩一側(cè)偏懸空，說明管道徑向存在水平向右的扭力F2(如圖2)。

圖2 MOV4101處左視圖

根據(jù)現(xiàn)場察看淤泥的流動方向，淤泥擠壓對于地面進出站軸線推力F3(如圖3)。

圖3 站場進/出站管線布置圖

場站內(nèi)地上進/出站管線受到垂直向下的分力F1、水平向右的分力F2、沿進站油流方向的軸向力的分力F3(如圖4)[3]。

圖4 站內(nèi)地面進站管線受力圖

管道位移導(dǎo)致的風(fēng)險分析：①閥門受力不均勻，極易導(dǎo)致閥門發(fā)生內(nèi)漏；②站內(nèi)應(yīng)力繼續(xù)增加，易造成墊片損壞，從而造成油品泄漏；③站外管線應(yīng)力集中，易造成站外絕緣法蘭處斷裂；④焊縫軸向受力增大，易造成焊縫撕裂。以上任何一個隱患都會影響管線的正常運行。

2 管線應(yīng)力釋放施工方法

2.1 站內(nèi)埋地管線降低荷載

站內(nèi)進/出站埋地管線上方覆土開挖，卸載站內(nèi)管道負(fù)荷，然后進行站場固定管托改造[4]。管托改造施工步驟：①在原管墩兩側(cè)增設(shè)臨時管托；②將原管墩、閥墩降低200 mm；③安裝可調(diào)節(jié)式管托。

2.2 降低站外管線流動荷載

因站外管線上方堆積淤泥，且流動性較大，采用機械開挖無法正常施工，故用高壓沖溝工藝對管線上方覆土進行清理，以降低管線上方荷載。

2.3 固定墩增加混凝土方樁支護

站外管線固定墩檢查完成后，對固定墩四周及兩側(cè)的管道打緊密的混凝土方樁(10 cm×10 cm×600 cm)進行固定，防止在管道降低流動荷載過程中固定墩產(chǎn)生橫向位移或偏轉(zhuǎn)，造成管道的損傷及變形[5]。

2.4 站外管線平衡壓帶更換配重塊

站外管線原平衡壓帶被海水腐蝕，無法滿足配重要求，故更換為馬鞍形鋼筋混凝土配重塊。

2.5 管溝回填及地貌恢復(fù)

站外管線增設(shè)沉降觀測點，然后將管溝兩側(cè)少量淤泥沖入管溝，覆蓋管線。

站內(nèi)管溝采用密度較小的珍珠巖(密度不大于80 kg/m3)和細砂進行換填，減小管線荷載。

3 應(yīng)力檢測及管道應(yīng)力釋放

3.1 管道應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)

管道應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)采用東華測試的DH3816N 靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，站外施工前在進/出站管線各兩處共設(shè)16點，每處設(shè)上下左右4個觀測點，監(jiān)測管道應(yīng)變的變化，應(yīng)變傳感器貼片布置如圖1所示。該應(yīng)變檢測設(shè)備每秒測量一次應(yīng)變，每20 min保存一組數(shù)據(jù)[6]。應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)變測量范圍±19 999 με，最高分辨率1 με。

3.2 應(yīng)變檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

由胡克定律：

σ=Eε

式中：E為材料彈性模量，2.07×105MPa；ε為材料應(yīng)變。

由胡克定律結(jié)合測得的應(yīng)變值計算監(jiān)測點的應(yīng)力值見表1，管道工作參數(shù)見表2。

表1 施工過程中管線測量點應(yīng)力 MPa

表2 成品油管道工作參數(shù)

管道設(shè)計的許用應(yīng)力[σS]的計算式如下：

[σS]=FD·SMYS=298.8 MPa

式中：FD為設(shè)計系數(shù)；SMYS為屈服強度。

施工過程中，各檢測點的軸向應(yīng)力最大值均小于管道的許用應(yīng)力，管道處于彈性變形階段[7]。

由于站場為露天站場，管道表面溫度受天氣變化影響較大，且工程施工集中在白天，管道應(yīng)變受多方面因素影響，應(yīng)力釋放數(shù)值變化不明顯[8]。相對于白天，早晨的溫度較為穩(wěn)定，且站外無施工，影響較小，管道應(yīng)力釋放情況對比較直觀。

管道徑向初始受力可分解為水平向下的力F2和垂直管道向右的力F1，施工過程中的軸向應(yīng)力如圖5和圖6。

圖5 進站軸向應(yīng)力變化1—通道18右；2—通道17下；3—通道16左；4—通道15上

圖6 出站管線軸向應(yīng)力變化1—通道7下；2—通道4右；3—通道6左；4—通道5上

從圖5和圖6可以看出，施工結(jié)束時進站管道檢測點軸向應(yīng)力釋放最小值為7 MPa(通道16左)，最大值為41 MPa(通道18右)；出站管道檢測點軸向應(yīng)力釋放最小值為10 MPa(通道6左)，最大值為63 MPa(通道5上，7下)。

4 總結(jié)及建議

(1)采用可調(diào)節(jié)式活動管托可以均勻的承載管道/閥門負(fù)荷，并能反映出管道應(yīng)力的受力方向，可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)節(jié)螺栓高度，減小管道、設(shè)備應(yīng)力。

(2)采用DH3816N 靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，實時監(jiān)測施工過程中的管道應(yīng)變變化情況，施工過程中測得管道監(jiān)測點的軸向應(yīng)力逐漸釋放情況。

(3)站外管線位置調(diào)整后，兩側(cè)增設(shè)水泥方樁(寬度100 mm)，加固兩側(cè)土質(zhì)強度，減低兩側(cè)淤泥的可流塑性。

(4)站外管線上方降低流動荷載，站內(nèi)內(nèi)管線上方采用密度小的珍珠巖和細砂換填覆土，降低管線上方荷載。

建議：

(1)針對沿海地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點，增設(shè)管線應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備；

(2)淤泥、灘涂地段管線回填后，管線兩側(cè)增加土質(zhì)、管線加固措施，減少管線周圍應(yīng)力集中，產(chǎn)生應(yīng)力變形；

(3)埋地管線易發(fā)生管線變形地段增設(shè)管線監(jiān)測點；

(4)站內(nèi)管托、閥托宜采用可調(diào)節(jié)式結(jié)構(gòu)，從而減少應(yīng)力對管線造成的影響。