严寒地区土层冻胀对管系破坏及解决方案的探讨

龙红伟

(中国石化集团洛阳石化工程有限公司，河南 洛阳 471003)

我国北方大部分地区冬季极度严寒，极端最低气温在-40℃左右，最冷月平均气温也在-20℃以下;另外，随着国外工程项目的增多，有些地区的气温甚至更低。在这些地区，最大冻土深度很大，而且有些地区地下水资源又比较丰富，全年平均降雨量大，导致地下水位线很浅。在这些地区的石油化工企业管道布置设计中，通常大家都会考虑管道、设备的防冻、防凝设计，但是往往把土层的冻胀对管道设计的影响忽视，导致某些石油化工企业在实际生产中，在进入严冬时因管道系统受冻胀力影响而被破坏导致的事故频发。本文从土层冻胀基本原理并结合石油化工企业工程设计和生产实例进行分析阐述，从管道的自然补偿、支撑型式等方面对冻胀力对管道的破坏进行解决，以期对土层冻胀在石油化工企业管系里的影响得以解决。

1 土层冻胀机理

1.1 冻土层的概念及特点

冻土层(Tundra)，在地质学上是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤的特殊土体。一般可分为短时冻土(数小时、数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(数年至数万年以上)。当天气变暖时冻土层就会融化，我们称这种冻土为季节冻土。但在有些地方存在一种持续多年不化的冻土，那就是多年冻土。如在北极、青藏高原，因为那里常年温度都在零度以下，所以冻土就会保持常年不化，即使在温度偏高的年份，只是表面一小层土壤被融化，深层仍然是坚硬的冻土。

冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。冻土层的厚度与地表、地下温度关系密切。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正是由于这些特点，在冻土区工程建设就必须面临两大危险:冻胀和融沉。中国的青藏铁路就有一段路段需要通过冻土层。工程师需要透过多种方法去使冻土层的温度稳定，以避免因为冻土层的转变而使铁路的路基不平导致的意外发生。

1.2 土层冻胀量的大小与冻土层和地下水深度关系

根据冻土层特点可以知道，在石油化工装置中，对管道造成影响的主要应为短时冻土(数小时、数日以至半月)、季节冻土(半月至数月)，因为这类冻土存在时间和季节性上的差别，在零摄氏度以上时，冻土会慢慢消失，在零摄氏度以下时冻土层开始累积，随着气温不断下降或者上升会变化。一般来讲，冻土层的冻结深度与当地自然条件-最冷月平均气温的高低有关，温度越低冻结深度就会越深;最大冻土深度与当地极端最低气温有关，当地极端最低气温越低最大冻土深度就会越深。

土壤里面或多或少的都含有水分，尤其是地下水位线下含有丰富的地下水，当温度降到零度或零度以下时，土壤里的水分就会凝结成冰将土壤冻结，形成冻土层。一般来讲，冻土层的冻结深度与与当地水文地质条件有关，地下水位线越浅冻结深度就会越深。

由于冰的密度小于水的密度，就会引起冻土层的体积自由膨胀，产生一定的冻胀量，最大冻土深度越深，地下水位线越浅，土层冻胀量就会越大。

1.3 举例验证

下面对北方某石油化工一工程项目的工程场地的土层冻胀量进行举例验证。

该地基本自然条件:

最冷月(一月)平均气温-25.1℃

最热月(七月)平均气温 27.8℃

极端最高气温 37.1℃

极端最低气温-36.2℃

累年年平均温度 3.2℃

采暖期天数 (10月15日-4月15日)

场地标准冻结深度 1.8-2.0m

最大冻土层 2.2m

该地水文地质条件:

场地地下水埋藏较浅，地下水属上部潜水型，补给源主要为大气降水。勘察时，初见水位在3.40-3.60 米，静止水位为2.40-2.60 米。丰水期时(每年的8、9、10月)，水位抬升约1.20-1.80 米。

该地工程场地地质特征自上而下描述如下:

第①层 表土:黄色，埋深:0.2-0.8 米，以粉质粘性土为主，夹少量的粉土及砂类土，含大量的植物根系，欠固结。不宜作地基主要受力层。

第②层 粉质粘土:埋深:0.2-0.8 米，厚度:0.4-1.5 米之间。黄色-黄褐色，可塑，饱和，局部夹粉土及粉砂，中压缩性土(在冻深范围内)。为强冻涨土，地基承载力特征值fak =130kpa，Es=4.1MPa。

第③层 粉细砂:埋深:0.4-1.90 米，厚度:0.7-2.0 米。黄色- 黄褐色，湿，含铁质氧化物，分选好，中密。fak =180kpa，Es=12MPa。

根据以上资料并结合该企业多年实际生产经验，地下水位(W1)按照0.8m 考虑，冻土层(W2)按照2.2 米考虑，以上数值是根据极端条件下假设的。

下面根据以上假设情况，粗略计算该地区土层冻胀量:

以1m^3 水冻胀为例，边长为a，结冰后边长为b，结冰后冻胀量为c，假定条件下该地区土层冻胀量为C(水的密度ρ 水=1.0 ×10^3kg/m^3 冰的密度ρ 冰=0.9 ×10^3kg/m^3)计算示意简图见图1

图1 土层冻胀量计算示意简图

∵1m^3 水结冰后质量不变

∴m 水=ρ 水V 水=ρ 冰V 冰

∴V 冰=ρ 水V 水/ρ 冰=10/9V 水

∴1m^3 水结冰等于10/9m^3 冰

∴b^3 =10/9a^3b=(10/9)^(-3)a

∴1m^3 水冻胀量c = b- a = (10/9)^(- 3)- 1 = 0.035744m(定值)

∴假定条件下土层的冻胀量C =(W2-W1)* (10/9)^(-3)-(W2-W1)=(W2-W1)【(10/9)^(-3)-1】=(W2-W1)* c=(2，2-0.8)* 0.035744 =0.050m=50mm

从上面计算结果，不难看出，冻土层越深，地下水位越浅，土层冻胀量越大。

2 土层冻胀对石油化工企业管系的破坏

2.1 冻胀力对管系的破坏的四种情况

进入冬季气温下降到0℃以下后，场地土层就会不断冻结，随着气温的不断下降，冻胀不断累积，场地土层就会一点点自由膨胀，在自由膨胀受到约束时就会产生通常所说的冻胀力。冻胀量越大，冻胀力就越大，冻胀力越大对管系的影响和破坏就会越大。因此，在我国北方严寒地区工程项目设计时，冻胀力对管系的影响和破坏应该引起管道专业的高度关注。通常来讲，冻胀力对管系的破坏有以下四种情况:1)土层冻胀力引起的管道应力过大或金属疲劳引起管道破坏;2)管道应力过大使管道连接处产生泄漏;3)管道推力和/或力矩过大，使与其相连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行;4)管道各处冻胀量不同引起管道受力不均，也会对管道产生1)2)所述的破坏。根据第1 节里的计算结果，可以看出在该地区条件苛刻的情况下，冻胀量可达到50mm，若不给于足够的重视，在这种情况下安全事故恐怕将会难以避免。

2.2 冻胀力对管系的破坏举例

在图 1 所示的管道上设置支架的位置，由于管道支架对地面冻胀的约束，将会产生冻胀力，冻胀力通过支架作用在管道上形成管道应力，当管道应力很大时就会对相关管系形成破坏，造成安全事故。据了解，大庆地区某石化公司 1 万立事故罐入口线( 沿地面敷设) ，设备管嘴处支架直接支撑到地面，严冬时由于土层冻胀的原因，发现支架附近管线严重变形，亏得及时发现并未造成安全事故。

图2 沿地敷设管道支架设置不当现场

图3 沿地敷设管道支架设置不当现场

举例说明:图2，云形线内支架的设置就不合适，在严冬季节里由于冻胀力的作用，就有可能使管道焊口处或者法兰连接处管道应力或力矩过大，导致焊口撕裂或法兰泄漏，之事安全事故的发生。

举例说明:图3，在水平管道上有两个落地支架，由于在地面上位置的不同，冻胀量也会有差异，冻胀力也会不一样，造成管道受力不匀，在管道和法兰处或者焊口处就会产生弯矩，有可能造成法兰的泄露和焊口的撕裂，也会带来安全故。

因此，在石油化工装置设计的时候，由于管道设计的不合理，土层冻胀对管道的破坏应该引起我们的高度重视。

3 冻胀对管系的破坏的解决方案

3.1 受冻胀影响的管道类别

为了避免冻胀问题对管系造成的破坏，在进行管道设计时，就应该高度重视，从源头抓起。石油化工装置里受冻胀影响的管道不外乎是室外沿地面敷设的管道，大致有:1)地面布置的设备附属的管道2)管、构架地面敷设的一些阀组或管线等。

3.2 解决方案

3.2.1 解决方案一

对于沿地敷设的小管道，因荷载比较小，通常其支撑不必在地面上设置管墩，在条件允许的情况下，建议其支架尽量从临近的钢结构、大基础及建构筑物上生根或采取吊、挂等办法，要最大限度减少管线地面支撑。见图4。

该解决方案适用的管道范围:1)高压厚壁(PN ≥15.0MPa)公称直径DN≤80 的管道;2)中低压薄壁(PN ＜15.0MPa)公称直径DN≤100 的管道

图4 沿地敷设管道可调式支架设置现场

图5 沿地敷设管道管墩支撑现场

3.2.2 解决方案二

对于高压厚壁大直径管道或中低压薄壁大直径管道的支撑可以采取在管道支架下设置管墩，即浅基础解决问题。

对于相对较小的管墩可以采取深700-1000mm，下边垫填300mm 以上的沙子;对于相对较大管墩底座应降至冻土层以下。在管墩上可以用弹簧架或用固定支架等支撑管道。这种办法可以从根本上最大限度减少土层冻胀对管系的破坏。见图5。

通常，沿地面敷设的管道，为防止冻胀的影响，管墩设置范围如下:1)对于高压厚壁管道(PN≥15.0MPa)公称直径DN≥100 的管道，需要在管道支架下设置管墩;2)对于中低压薄壁管道(PN ＜15.0MPa)公称直径DN≥150 的管道，需要在管道支架下设置管墩。

3.2.3 解决方案三

对于沿地敷设的小管道的支撑，如果附近钢结构、建筑物等结构梁柱没有条件设支架，管道的支撑(架)只能直接作用在地坪上，此时建议设置可调节式支架支撑，不过需手动调节支架螺母，进而调节支架的高度来减缓地表冻胀引起的冻胀力。见图6。

图6 沿地敷设管道可调式支架设置现场

该解决方案适用的管道范围:1)高压厚壁(PN ≥15.0MPa)公称直径50≤DN≤80 的管道;2)中低压薄壁(PN ＜15.0MPa)公称直径50≤DN≤100 的管道

对于特别小的管道(DN≤40)的管道，由于管道柔性相对较好，可以不必过多考虑冻胀对其影响。

4 结束语

在严寒地区石油化工企业里，进入严冬后，土层冻胀问题一直以来都在困扰着生产人员，严寒地区里冻胀力对管系的影响和破坏应该引起工程设计人员的高度重视，应该从源头抓起，不断完善和提高管道布置的设计质量，把因土层冻胀引发的安全事故发生的可能性降到最低。

［1］刘鸿绪.再论冻胀量与冻胀力之关系

［2］王延宗.寒冷地区石油化工装置防冻设施的设计

［3］高鹏鹏.冻胀现象及管线上浮形变的分析

［4］马金国，唐永进，张发有.石油化工管道柔性设计规范(SH/T 3041-2002)