冻土区埋地油气管道管沟融陷机理

冻土区埋地油气管道管沟融陷机理

罗勇军

罗勇军

华油工建公司河北任丘062552

摘要：现阶段，我国在能源、电力以及交通行业都获得了迅猛的发展，这也使得铺设埋地油气管道极易与高压输电网、机动轨车等产生平行或交叉，部分区段甚至出现了输电线路、铁路和埋地油气管道集中的走廊现象。而冻土灾害作为管道地质灾害的一种类型，对管道工程的危害主要是冻胀和融沉对管道的影响。冻胀是在冻结过程中水分在温度梯度下发生迁移而使土体发生膨胀的现象。过饱和的细粒土在负温的作用下，使土中的液态水变成固态的冰晶体，导致体积膨胀，造成土体向自由面的变形隆起，处在冻土地基上的管道就会因地基土性质的不同、土壤冻胀力不同，发生变形。融沉是由于冻土中的冰融化所引起的。当有外界热量输入引起冻土融化后，土质失去支撑能力，并因融化深度、含冰量和土体颗粒大小等的不同，融沉量也有差异，从而引起管道的弯曲。由冻胀和融沉引起的地层和土体应变的变化将使管道产生高应变，是穿越冻土区管线面临的潜在风险。在严重环向焊缝缺陷出现的地方，这些应变能引起管道拉伸破坏；考虑到由冻胀和融沉引起的局部管道曲率的变化，即使对于健康的管道，也能引起管道的屈曲破坏。

关键词：冻土区；埋地油气管道管沟；融陷机理

引言

1冻土区管道病害类型

1.1坡面蠕滑

对于冻土区布设于横坡上的油气管道，在季节活动层逐渐融化过程中，融化土体中的水分会在重力作用下在融化层底部位置向坡底发生渗流，形成层上水。融化与未融化土体的分界面位置为坡体内部的薄弱面，另外在层上水的渗流作用下，导致坡面融化土体会向坡底发生蠕滑变形。当坡面蠕滑深度达到埋设管道位置时，则可能导致管道发生侧向位移，影响管道运营安全。

1.2管沟融陷

①融化稳定区，当有外界热量输入而引起冻土融化后，其土体土质仍是稳定的；②融化不稳定区，当有外界热量输入而引起冻土融化后，土的热物理力学性质剧变，尤其是在高含冰量冻土区，冻土融化后会产生大量的下沉，从而发生管沟融沉现象。由于融化深度、含冰量和土质类型等的不同，不同段管道的融沉量也存在差异，会引起管道弯曲，特别是在融化稳定区和融化不稳定区的过渡带，埋设于该处的油气管道将会出现较大变形，可能造成管道发生屈曲等强度破坏问题。

1.3冻胀翘曲

在进入寒季后，土体中水分在温度梯度作用下冻结锋面迁移，在有一定的水源补给条件下，冻结时所产生的冻胀变形是非常显著的，在地表可形成一定规模的巨大冻丘。土体的冻胀力推动管道向上运动，引起管道翘曲，甚至拱出地面。如格尔木—拉萨成品油管道乌丽附近冻胀丘发育，冻结融化后导致管道翘曲变形。该处地表以上管道最大翘曲高度达到约0.5m。

2防治措施

2.1确定合理的埋设深度

管道设置在季节活动层中，在冻胀严重地区，会在强烈冻胀作用下将管道拱出地面，造成管道翘曲。管道设置在季节活动层以下，管道放热对管周冻土产生热扰动，在管周形成一定范围融化圈。当融化圈与季节活动层相连接时，导致管沟位置层上水大量聚集，进一步发展形成融化槽，从而发生管沟融陷病害。因此，管道应有一定的埋深，并采取保温隔热措施，避免管周融化圈与季节活动层相连接而形成融化槽。

2.2加强监测与管理

首先，应加强沿线地质调查，对管道沿线各类灾害进行风险识别与评价。其次，要建立管道安全运行监测体系，随时掌握管道实际运行状态，采用科学的监测技术手段，对管道运行过程中各关键部位的参数（管道应力、变形、温度等）、管道附近地质灾害的发展变化、地表环境等信息做到实时掌握与监控。

2.3设置管道隔热保温措施

当在输送过程中管内介质受环境影响，温度降低、压力下降时，需要中间泵站进行加热、加压，以保证管道正常输送。在埋地油气管道工程设计规范中，对冻土区油气管道保温无具体要求，因此，现行冻土区油气管道也有未设置专门保温措施的情况。由于输油气管道自身放热引起的管周冻土融化范围较大（在管周形成2.0～2.5m的融化圈），因此，需要设置管道隔热保温措施。在工业上，聚氨酯等保温材料具有良好的隔热保温效果，使用该材料对管道进行隔热保温，不但能大大降低管内介质的热量损失，节约运行成本，还能降低管道放热对管周冻结土体的扰动影响，减小管沟冻土的融沉变形，从而防止冻土区埋地油气管道发生冻融病害。

2.4冻土区管道应变监测预报系统

2.4.1系统的开发原则

（1）有效性：应变监测预报系统必须能够及时、有效地反映冻土灾害作用下管道的力学变化过程，定量评价管道的力学状态。（2）可靠性：应强调传感器等设备仪器的长期稳定以及采用成熟的安装工艺，确保系统设备在恶劣地质条件和管道实际运行工况下的寿命，以保证监测预报系统的正常运行。（3）经济性：以相对小的投入获取尽可能大的监测效果，是应变监测预报系统开发的重要原则之一。管道沿线冻土灾害分布广泛，控制严重的冻土灾害隐患点是关键。（4）可扩展性：一是所采用的技术手段可实现监测范围的可扩展；二是要强调监测技术的可移植、可扩散。（5）可操作性：监测系统必须满足经简单培训就可以让管理人员掌握。

2.4.2系统开发的技术目标

应变监测预报系统实现数据实时采集、传输、分析、预报、发布于一体化。系统不仅用于监控冻土灾害作用下管道的力学状态，而且能为管道完整性管理的风险评价系统提供科学的数据支持。（1）针对冻土地质灾害区的管线，利用现代传感技术、应变监测技术、现代通信技术及计算机技术，取得完整的管道力学变化基础数据；（2）对基础信息和监测所获取的动态数据进行随时存储，建立管道应变监测数据库；（3）以监测数据库为基础，充分利用软件技术、应变分析评价技术、网络技术，输出直观的定量化力学指标；（4）管道管理者根据力学指标变化，能够及时、准确掌握管道在冻土灾害作用下管道的变形现状和发展趋势。

2.4.3系统的构成

应变监测预报系统由数据采集子系统、数据自动处理子系统和信息发布子系统三部分构成。（1）数据采集子系统由传感器、数据采集设备、通信与传输设备组成数据采集子系统，完成监测基础数据的自动读取和远程传送。（2）数据自动处理子系统由服务器、数据解析软件、数据库软件、数据分析软件等软硬件组成，完成管道力学指标变化的生成。（3）信息发布子系统通过互联网或企业内部局域网，对生成的管道力学指标变化进行可视化表达，让管道管理者实时掌握管道的力学状态。

2.5避开干扰源

管道在勘察设计阶段就应做好杂散电流防护工作，即在满足设计的安全要求前提下避开可能的电流干扰源，如工厂、输电线网、铁路等；对已经遭受电流干扰的管段应当加设绝缘法兰等装置，从而将干扰段管与其他管段分隔。输气管道工程设计标准中规定，除管道专用的隧道和桥梁外，线路严禁通过铁路和公路的隧道、桥梁、大型客运站和变电所等；交流排流保护行业标准中规定，管道与10kV或35kV高压输电线排流点距离2.5m，而与110kV和220kV的高压输电线排流点距离15m和30m。

结语

通过对冻土区埋地油气管道病害类型总结，结合现场勘查、试验测试及温度监测，分析得到管沟融陷病害问题与地层土质，土体含水率、冻土类型、管道热扰动及施工方式等因素有关，并提出了相关防治措施，为冻土区埋地油气管道的设计、施工及安全运营提供借鉴。

参考文献：

[1]杨思忠，金会军，于少鹏，等.中俄输油管道（漠河-大庆段）主要冻土环境问题探析[J].冰川冻土，2010，32（2）：358-366.

[2]高海拔岛状多年冻土区输气管道变形机理及防治技术研究报告[R].兰州：兰州交通大学.2016：15-22