多年冻土区长输管道工程冻害防治技术 3页

万方数据40国外油田工稃第24卷第12期(2008．12)多年冻土区长输管道工程冻害防治技术摘要在多年冻土区建设长输管道的主要技术难题就是如何解决由于多年冻土对管道造成的冻害问题，这也是困扰在多年冻土区建设长输管道工程技术人员的一大难题。本文详细介绍了国内外多年冻土区长输管道工程的工程概况和预防冻害的主要工程措施，并结合近年来的研究成果，介绍了我国高纬度多年冻土区管道预防冻害的一些处理措施关键词长输管道多年冻土冻胀融沉防治技术1引言在广袤的多年冻土地区蕴藏着丰富的油气资源，随着对该地区油气资源的开发和油气管道的建设，相应的科研工作也迅速发展。目前，国外对多年冻土区管道建设的相关研究已经有三十多年的历史，尤其在加拿大、美国及前苏联，在多年冻土研究方面做了大量工作，取得了丰硕的成果，在多年冻土地区铺设了多条油气管道，积累r宝贵的经验。但我国在多年冻土区管道建设方面的研究在2007年以前还非常少，只是在最近几年由于在多年冻土区建设管道的需要才有了相当的发展。2多年冻土区管道工程的主要工程问题在多年冻土区敷设的管道，根据其输送的介质温度不同可分为高温段(所输送产品温度在全年都是正温)、温暖段(仅是产品的年平均温度是正温)和寒冷段(输送产品年平均温度为负温)。寒冷管道段义可分成输送产品温度全年都是负温的管段和输送产品的温度仅仅是年平均温度是负温，但在一年内某些时段里可能是正温的管段。对于在多年冻土敷设的高温段，其主要工程问题为由于管道热影响而产生的融沉问题及管道经过冻土边坡的边坡稳定性问题，而温暖段和寒冷段不但存在融沉问题，还存在冻胀问题。管道内介质温度较高时，可能造成管道周围冻土融化下沉，导致管道下沉变形，甚至断裂i管道内介质为负温时，管道周同的冻土就会发展，融土区内就可能形成冻编译：郝加前(大庆油ttl工程有限公司)审校；高东方(大庆油田工程有限公司)结圈，产生冻胀变形，管道受到冻胀力作用而产生变形和破坏。总而言之，在多年冻土区敷设管道，其冻害主要表现为冻胀破坏和融沉破坏。主要有：◇管道凶土层的冻胀差异而破坏。在不同冻胀性土层的交界处、刚性体与柔性土层的过渡带等，管线最易冈冻胀差异而破坏。埋入地中的中小直径油气管道、小1：I径的给排水管道均可能因土层冻胀隆起而扯断。冰椎、冰丘曾使埋地的格拉输油管道多处拱出地面而出现类似弓状的严重变形，给管道的安全运行构成威胁。◇管线因土温快速下降产牛收缩力而破坏。◇管线冈融冻滑塌、融冻泥流作用而破坏。◇管线因不同冻土类型的不均匀沉降而破坏。3国外多年冻土区管道冻害防治措施国外在多年冻土区管道冻害防治技术的研究较早，从上世纪70年代已经开始r大规模的研究工作，尤其是加拿大和美国，在建设NormanWells、Alaska输油管道前，为确保管道运营的安全，冻土研究专家们进行了大量系统和详细的管道冻害防治技术研究，其中最重要的是差异性冻胀和融沉的防治技术。以下对NormanWells、Alaska输油管道的冻害防治技术进行简单的介绍。3．1NormanWells管道冻害防治技术NormanwelIs管道从NormanWells到Zama湖(Alberta省北部)长869km、口径323．8mm，设计压力为1440psi(1psi=6．895kPa)，原油凝点为一14℃，年平均油温为一1℃，该管道予1985年开始运营，是加拿大冻土区第一条完全埋设的输油管道。从管道项目一启动，加拿大地质调查局(GSC)冻土项日的地形科学部就参与了该管道沿线的多年冻土和地形研究与监测项目。这个项目南DIAND和Enbridge公司(该管道的业主和运行者)之问根据所达成的环境协议进行实施，后来又有许多的公司参与。该管道采用了许多特殊设计和减灾措施，尽量减少对融化敏感的冻土环境的扰动，确保管道整体性。该管道所采取的主要冻害防治措施如下：3．1．1融沉防治在融沉防治方面，该管道设计时对管道进行了\n万方数据标准分享网www.bzfxw.com免费下载郝加前：多年冻土区长输管道工程冻害防治技术41应力分析，主要是采取增加管材壁厚、减小管道的径厚比来解决由于多年冻土融化而带来的融沉问题。在不考虑多年冻土的情况下，管道的设计壁厚为5．6mm，但这个壁厚不能满足冻土带来的其他荷载的作用，因此采取了增加壁厚的处理措施，采取措施后在矿物质土壤地段，管道设计的容许融沉量为0．7～o．8m，在腐殖土壤地段，管道设计容许融沉量为1．2In。表1NormanWells管道设计壁厚位置／km设计融沉量／m管道设计肇厚／mm0～79O．87．1679～4400．756．91440～8680．76．35厚腐植层地段1．26．35河流穿越9．543．1．2差异性冻胀防治由于管道内原油负温的存在，管道经过多年冻土和融土过渡段时将产生差异性冻胀，为预防差异性冻胀对管道的破坏，NormanWeIls管道设计时采用了纵向(中间下凹)弯头，并对弯头进行了保温。3．1．3边坡稳定治理为确保多年冻土边坡的稳定，NormanWells管道工程根据不同的边坡坡度和冻土条件，对冻土边坡采取了不同的处理措施(如木屑隔热、碎石隔热等)。从管道运行30多年的效果来看，在高含冰地段采用木屑隔热的边坡依然稳定。3．1．4减少对施工作业带的扰动多年冻土环境是多年冻土存在的首要因素，多年冻土环境的稳定是多年冻土稳定的基础，而多年冻土工程的稳定则以多年冻土的稳定为基础。为减少对施工作业带多年冻土的扰动，NormanWells管道丁程选取了冬季施工，在作业带清理时保留了地表植被发树根，并制作了冰雪覆盖层，从而最大限度地减少了对多年冻土的扰动。管道运行30多年的作业带内冻土的融沉量比相邻地段2003年夏季为隔离森林火灾砍出的隔离带融沉量要小得多。3．1．5水土侵蚀防治为防治水土侵蚀对管道的危害，NormanWells管道工程在斜坡地段设置了截水墙，其设置原则如表2所列：表2斜坡地段截水墙设置坡度序号坡度／(％)间距／m】<5100～50025～1050310～1525415～2017520～25123．1．6冻土温度和管道位移监测为了预防多年冻土融沉、冻胀对管道的破坏和对冻土环境进行保护，NormanWells管道1二程在管道沿线典型地段(木屑隔热护坡地段、沼泽地段等)设置温度与位移监测装置，以便及时掌握管道的状况，对管道可能出现的冻害进行处理和预防。3．2Alaska输油管道冻害防治措施Alaska输油管道全长1287km，该管道采取的是加热输送方式(+57～+60℃)，管道沿线有％的里程下伏多年冻土，其中至少50％的地段含有较多地下冰。该管道主要难题是如何解决多年冻土的融沉问题，Alaska输油管道采取如下三种敷设方式：◇架空敷没和管堤敷设的方式，该方式主要用于穿越多年冻土融化不稳定区，长度为673km。架空桩基则采用热管进行冷却。另外，为吸收管道由于气温变化或管内油温变化而造成的热胀冷缩，管道一般设成Z字型。◇常规地下埋设，全长605km，主要用于穿越多年冻土的融化稳定区，有些地段进行了换填。◇特殊地下埋设管道，全长6．5km，主要用于穿越融化不稳定区且不易采用架空敷设的地段或穿越公路段，具体做法是在保温层内设置冷冻管，通过冷冻管把管道散发出来的热量带走，保持多年冻土层的稳定。4国内多年冻土地区管道冻害防治措施国内对多年冻土区管道冻害的防治研究起步较晚，系统的研究工作近几年刚刚开始。目前我国通过多年冻土区的已建管道是格尔木一拉萨成品油管道。格尔木一拉萨成品油输送管道建设于有“世界屋脊”之称的青藏高原(平均海拔400m)，纵跨青海、西藏两省区，是我国第一条高海拔、长距离输送成品油的管线。该管线1973年开始建设，1977年建成投产，管线运行至今已有30年。管线北起青海省格尔木市，南至约30km处的南山雪水河，终点位于拉萨市西约18km处的拉萨分输站，线路全长约1076．3km。该管道在建设时期，对多年冻土对管道造成的冻害认识不足，在管道建设期间曾因多年冻土严重融化使管道多处改线，投运31年来，发生管道穿孔泄漏等事故30多起，其中重要原因就是低温引起的管道冰堵涨裂和冻胀引\nwww.bzfxw.com万方数据42国外油田工程第24卷第12期(2008．12)起管道接缝处的断裂以及阴极保护等问题。随着长输管道建设的需要，近些年我国对兴安岭多年冻土区管道建设冻害的防治进行了深入系统的研究，并取得了丰富的研究成果。4．1兴安岭多年冻土的特点及其分布兴安岭多年冻土是欧亚大陆多年冻土区的南缘地带，介于46630’～53。30’N之间。气候上为西伯利亚冷带的边缘，主要受蒙古高压和西伯利亚低气压影响，加上地形、地势及局部自然地理诸因素影响，气温由西北向东南或南逐渐升高，其多年冻土分布具有以下特征：◇受大小兴安岭山脉走向及海拔高度与纬度叠加影响造成大小兴安岭多年冻土自然地理南界呈W字形，两山脊处界线向南突出，中间嫩江平原上的多年冻土南界明显北移。◇从大兴安岭整个区域分析，随纬度升高，多年冻土分布的(面积)连续性增加(即多年冻土在平面上分布百分比例增加)。年平均地温由南向北由一1．o～o．2℃降低至一2．o～一1．0℃，局部地段可达一4．0℃。相应地，多年冻土厚度从数十厘米～几米增至百米以上。由北向南多年冻土平面分布逐渐减小。但由于管道多布置于山间沟谷、盆地内，所以比两侧高地多年冻土相应发育。◇由于大小兴安岭山区冬季逆温层的存在以及山间洼地和沟谷阶地有苔藓生长和泥炭层沼泽化发育，造成在同一局部地段内，低洼处多年冻土最发育，地温最低，地下冰发育，多年冻土层亦最厚。◇从目前冻土退化趋势分析，松岭区、加格达奇区这一广阔地带实际上是多年冻土逐渐向季节冻土的过渡带，对地表热交换条件变化极为敏感，是冻土工程地质条件及生态环境极不稳定地区。4．2多年冻土区敷设长输管道地基的设计原则根据兴安岭多年冻土的类型及地质境况，在兴安岭多年冻土区敷设管道时，地基的设计原则可分为以下三种。4．2．1保护多年冻土的设计原则保护多年冻土的设计原则，是指在工程的施工和运营期间人为上限始终控制在设计的深度范围内，其下多年冻土的冻结状态保持不变。保护多年冻土的设计原则适用于多年冻土厚度大、地温低于一l℃、分布范围较广的高含冰量多年冻土地段。4．2．2破坏冻土的设计原则破坏冻土(预先融化或清除多年冻土)原则是指在施工过程中将管道地基一定范围内的多年冻土预先融化或清除。．破坏多年冻土的设计原则适用于厚度不太的多年冻土岛地段及地下冰层埋藏较浅、难以保持其冻结状态的高含冰冻土，或下层为良好少冰冻土或基岩的地段。4．2．3允许地基多年冻土逐渐融化的设计原则在输油管道沿线的少冰、多冰多年冻土地段，或者基岩埋藏较浅的地段，当管道地基多年冻土出现一定融化厚度，基础不会产生不允许的下沉变形时，可采用该原则设计多年冻土地基。4．3多年冻土区管道敷设预防冻害所采取的工程措施根据研究情况，在兴安岭多年冻土区进行管道敷设时，为预防差异性融沉和冻胀对管道的破坏，可采取如下处理措施：◇增加管材壁厚，减小管道的径厚比，增大管道的抗变形能力。◇换填融沉稳定性土。按破坏冻土和允许地基多年冻土逐渐融化原则设计的冻土地段的管道敷设主要采取传统埋设和换填埋设两种敷设方式，换填方式主要用于管底以下饱冰、富冰冻土埋藏较浅的地段，通过换填管底部分饱冰、富冰冻土，使管道在运行期间即使出现管底多年冻土融化，其融沉量也在管道的允许范围内。◇保温。保温措施主要用于采用保护多年冻土设计原则的地段及冻土沼泽地段等水分补给充分的地段，通过保温处理米减少管底多年冻土的融化深度和管底的寒季冻结深度，进而减小管道的冻胀、融沉变形，达到预防冻害的目的。◇选取合理的施工季节。对于采取保护多年冻土设计原则的地段，管道工程的施工应在寒季进行。参考文献[1]AGRAEarth＆EnvironmentalLimitedandNixonGeotechLimited．MonographonNormanWellsPipe—lineGeotechnicalDesignandPerformance[M]．1999Ez]Jo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