复杂地质地形条件下长输管道的铺设与维护

从地文

(长江大学 城市建设学院， 湖北 荆州 434023)

复杂地质地形条件下长输管道的铺设与维护

从地文

(长江大学 城市建设学院， 湖北 荆州 434023)

经济的发展、人们生活水平条件的提升导致资源需求紧张，长输管道作为输送油气的主要运输方式被广泛采用。恶劣的地质地形给管道的铺设与维护带来了难度。我国幅员辽阔，冻土带、海底、地下采空区、地质断层带、山地丘陵等复杂地形铺设管道常常面对难题。文章介绍了各种复杂地质地形条件下管道的铺设技术与维护模式，探讨了各种技术方法的利弊，提出了今后的发展趋势。

长输管道;地形;地质;油气

一、概述

长输管道作为油气运输的主要方式具有无可比拟的快捷性和经济性，但长输管道铺设工程中常常会遇到多种复杂的地质地形情况。恶劣的地质地形会对管道造成破坏从而导致管体变形，出现油气泄露现象，不仅会造成经济损失也会对管道周围生态环境造成污染。 因此管道铺设过程中对于处于复杂地质地形区，如冻土带、海底、采空区、地质断层带、山地丘陵等区域的管道往往采用不同的、特殊的施工工艺以保证施工质量。这些特殊地区的管道更容易受到管-土作用的破坏，对其采用科学的监测、管理模式是区域管道正常运行的重要保障。

二、复杂地质地形下的管道施工与管理

(一)冻土管道

冻土是指温度等于或低于零摄氏度且含有冰的各类土。根据冻土的冻结时间分为永冻土、季节冻土、瞬时冻土[1]18-19。冻土工程地质一直是各项工程建设项目的难题，尤其是在季节性冻土发育区，冻土危害作用更加明显，施工难度更高，施工技术要求也更严格。冻土危害主要表现为冻胀和融沉。土体在冻结状态时，虽然其压缩性变小且强度更高，但是在土体冻结过程中其体积会随之膨胀变大，造成地面隆起和地基鼓胀；冻土融化后，土体中的冰屑的骨架支撑作用消失，土体体积缩小，地基承载力降低，压缩性增大，会使岩土体下沉陷落[2]118-136。土体体积的变化，以及沉降变形都会造成管道的变形，当超过管道变形允许的范围后会引起管道的破坏失效、油气泄漏。

目前在冻土带的管道敷设施工方式大致有：埋地法、地表铺设法及架空法。笔者认为在冻土带的管道敷设可参照我国著名铁道工程项目“青藏铁路”的成功经验，探索出更科学经济的施工方式。

为了解决永冻土地区管道所面临的冻胀、融沉导致的管道变形翘曲风险，未来主要从以下三个方面着手[3]：首先，加强地质勘测并建立完善的线路地质风险识别与评价体系。不同区域管道线路上要建立不同的风险识别点，并对这些识别点定期进行信息采集和跟踪，同时，根据这些风险点的特征进行风险危害性排序，及时关注其发展进程，一旦对管道构成威胁，便迅速治理。其次，超前与计划管理，合理采用内检测技术。国外在管道内检测管理上已经进行了法律上的规定，其技术也更先进。通过定期的管道内检测能够及时掌握管道安全情况，为今后的超前管理奠定基础。最后，积极开展修复工作。在管道运行初期尤其要重视勘测各类建设期遗留下的隐患和风险，及时的修复能够防患于未然，减少经济损失，同时也能最大限度地降低对环境的影响。未来需要进一步研究冻土管道破坏的基本规律，制定相应的工程处理措施和管理政策(规范)，结合现场观测试验、试验室模拟及模型计算和预测，研究其动态变化。

(二)海底管道

海底油气输送管道是指最高水位时，位于海面以下的那部分管道。直径一般为 20 cm至1 m，是海上油气田开发中油气传输的主要方式。由于陆地资源紧张加上过度开发，当今世界各国都把目光瞄向了海洋油气资源的开发。

根据海底管道的铺设状态将其分为三类：挖沟不埋管道、平铺在海床上的管道、挖沟浅埋管道。铺设施工主要包括海上定位、管道铺设和开沟等作业[4]。管道铺设主要有三种方法：铺管船铺设、牵引法铺设和卷筒船铺设。通过管径大小、海水深浅、海况和距岸远近等条件确定施工方法[5]。

海底管道在后期的维护管理工作上主要从两个方面开展[6]。一方面，加强海底管道的定期检测并建立风险评估响应机制。每5年对海洋石油总公司在役海底管道系统进行一次全面检测，即每年要对全线管道的20%进行检测。对运行10年以上的管道，检测的间隔时间要更短。对检测发现管道存在的各种几何缺陷、腐蚀、 裂纹、椭圆变形、弯曲变形、外力损伤等，及时采取维修措施。另一方面，严密制定管道维修预案。要明确与管道损坏类型相应的维护作业程序，有管道紧急维护预案将大大缩短施工准备、采办周期，可以用最短的维修时间恢复管道的运行，减少油气泄漏造成的海洋污染。

近年来，我国对海洋石油开采的投资大幅增加，海洋石油开采和勘探工业也在迅速发展。但我国海底管道技术还处在初级阶段，主要的施工技术和发达国家有不小的差距。在未来，新型的海底管道焊接技术和防冲刷技术的研发是我国乃至世界今后在海底管道工程领域的主要研究课题。

(三)采空区管道

采空区是由人为挖掘或者地质自然运动在地表下面产生的“空洞”，地下采空区的形成更多应归咎于矿产资源的过度开发，当地下固体矿床开采后会形成较大空间破坏原有的平衡，使得周围围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体下沉弯曲[7]5-6。穿越采空区的输油(气)管道在自身强度允许的范围内本身可以产生一定形变，但当地表变形量超过金属管道允许的最大变形时，管道将处于危险状态[8]。我国改革开放初的“先开发后治理”的经济发展策略使得矿产资源出现大面积的人工采空区。

目前在采空区敷设管道前期施工管理过程中，通过主动措施和被动措施保证施工质量。主动措施是指避让危险采空区，架设支架，采用允许变形量大的管道等。被动措施主要有加强变形监测/预测，以及必要的人工干预等[9]170-172。采空区沉陷变形监测方法主要包括裂缝测量法、地锚应力测量法、全站仪测程法、管道弹性应变法4种。有效的变形监测和在监测数据基础上对变形进行科学预测是及时有效进行人工干预的前提。由于社会安全和环境保护等方面原因，采空沉陷区油气管道安全保护问题近年受到高度重视，但由于时间浅、资料少，各有关企业或机构就此问题还须持续监测，深入研究。下一步的研究应侧重于探索规避、预测和处置采空沉陷对油气管道安全影响的科学方法，并积极应用于实践，确保国家能源高速通道长期、安全、平稳、高效运营。

(四)断层带管道

断层是指地表在地震作用下产生大规模的破裂。地震时的地表断裂运动使埋地管道产生纵向应变和横向应变，管道受拉超过极限应变时会发生断裂破坏，而受压时会由于薄壳失稳产生屈曲破坏[10]。我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震活动频率高、强度大、震源浅、分布广，是属于震灾严重的国家。因此在地震多发地区铺设管道时通常采用架空法铺设管道。当管道必须要埋地时，应当同时考虑地震荷载以及断层位移的影响，正确选择穿越断层的位置并浅埋，同时应选用大壁厚，高延性的金属管道并采用科学的敷设方法。

目前并没有十分有效的方法消除地震的破坏作用，因此建立一套科学有效的断层带管道安全监测预警系统是后期管理工作的重点[11]。采用传感器和数据采集设备分别对断层致灾体、管道承灾体、管土相互作用力等参数进行动态监测,实时评估管道的安全状况。形成地震动加速度预警、断层位移预警、管道应变预警、管道泄漏预警等多级预警，可有效减少突发性灾害导致的管道受损破坏及次生危害的发生。当管道处于不安全状态时,发出声光预警,并通过短信、电子邮件或智能手表发布预警信息,为工作人员提供最佳抢修条件。

(五)山地管道

我国山区、丘陵及崎岖的高原约占全国总面积的三分之二，很多城市，特别是西南地区，建立在此起彼伏的山地、丘陵中。山区管道铺设运输条件差，地形复杂，管道要顺坡铺设等都加大了施工难度。国内山地油气管道可能遭受的主要地质灾害有：滑坡、崩塌、泥石流、水毁、采空塌陷等。管道铺设主要的难点有两方面：管道布置与管道焊接。管道在铺设焊接过程中通常以沟下焊接为主，布管采用人工和机械组合的形式。沟下焊接过程中应当注意管口的对接防止出现因管道晃动和管缝预留不当而产生的焊接缺陷。通常纵向坡度大于30°、带转角的纵坡、“U”形深谷、横向坡度大于15°的山坡等在工程上被称为困难段，困难段的布管方法主要有：小炮车布管法、轻轨布管法、管道预制吊装法[12]。困难段的施工不仅考验施工技术，也考验施工人员的安全意识，施工过程中尤其要注意落石、塌方以及施工机具的滑落。

山区管道的施工往往伴随着巨大的潜在危险。因此，其管理工作在管道的施工过程中就要展开，为了随时掌握各施工机组的进度和作业量，必须加大施工管理力度，进一步完善控制、监督机制。鉴于山区段河流属于典型的季节性河流，管道运行管理单位要及时关注气候变化等情况，在暴雨季节、上游水库泄洪时重点加强监护。在丰枯水交替间、枯水季节管理单位要认真巡视水工保护措施损毁情况，检测管道埋深情况，利用枯水期及时修护。今后新的山地施工技术的研发仍然是该领域的主要研究课题。

三、结语

石油天然气资源同水资源一样是我国紧缺资源，资源分布不均匀，加之我国幅员辽阔，造成了资源运输困难。南水北调工程是一项耗费大量人力、物力才修建成功的长输管道工程，在实现资源快速运输的同时也潜在着巨大风险。未来管道工程的研究应从两方面进行：一方面，新施工技术的研发。在保证施工质量的前提下提高施工效率，降低施工风险，减少施工对周围生态环境的负面影响。另一方面，新的检测技术和管理机制的研发。在后期管道维护管理中实时有效地监测管道运行情况是保障油气安全运输的前提，快速的风险、事故响应机制是保障油气安全运输的根本。我国石油工程较其他发达国家起步较晚，各方面都有不小的差距，在保证施工质量的同时做到科学性、经济性施工还有很长的路要走。

[1] 陈肖柏.土的冻结作用与地基[M].北京：中国铁道出版社,2002.

[2] 铁道部第三勘测设计院,冻土工程[M].北京：中国铁道出版社，2002.

[3] 刘春厚,潘东民,高峰.海底双重保温管道水下修复工程实例[J].中国海上油气(工程),2003(6):2-4.

[4] 刘梁华,张世富.海底管道发展现状浅述[J].探讨与研究,2011(11)：108-109.

[5] 程艳超，苏伟征，梁栋.海底管道铺管施工安装方法研究[J].化工管理,2013(1)：74-75.

[6] 刘春厚,潘东民,吴谊山.海底管道维修方法综述[J].中国海上油气(工程),2004(1):59-62.

[7] 山西省交通厅，中交通力公路勘察设计工程有限公司.高速公路采空区(空洞)勘察设计与施工治理手册[M].北京：人民交通出版社,2005.

[8] 邓喀中.开采沉陷中岩体结构的效应研究[D].徐州：中国矿业大学，1993.

[9] 黄福昌,倪兴华,张怀新，等．厚煤层综放开采沉陷控制与治理技术[M]．北京：煤炭工业出版社.2007.

[10] 冯启民,郭恩栋.跨断层埋地钢管道抗震计算与方法研究[J].地震工程与工程振动,2000(1):56-62.

[11] 黄建忠,杨永和,刘伟，等.穿越地震断裂带的管道安全监测预警系统[J].天然气工业,2013(12):151-157.

[12] 彭忍社,郭文庆.西气东输工程山区地段管道施工技术[J].油气储运,2005(2)：40-41.

(责任编辑：蔡洪涛)

Laying and Maintenance of Long-distance Pipeline under Complicated Geological Terrain Conditions

CONG Diwen

(School of Urban Construction, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)

With the development of economy, the improvement of people’s living leads to the large demand of resources. The long-distance pipeline is widely used to transport oil and gas. Harsh terrain geological environment has brought great difficulty to the laying of pipes and maintenance management. China is vast, we may encounter many problems when laying the long-distance pipeline in such areas: frozen soil area, submarine, underground mined-out area, geological fault zone, mountainous hills and so on. How to save cost in complex terrain and geological conditions and reduce the difficulty of construction, improve the efficiency of maintenance management have arouse the common concern of the field of pipeline engineering in worldwide. This paper introduces the pipeline laying technology and maintenance management mode under various complicated geological and terrain conditions, discusses the pros and cons of various technical methods and puts forward the development trend in the future.

long-distance pipeline; terrain; geology; gas and oil

2016-12-08

从地文(1991—)，男，河南信阳人，长江大学城市建设学院硕士研究生，研究方向为结构工程。

TE832.2

A

1008—4444(2017)01—0036—03