嚴(yán)寒地區(qū)土層凍脹對(duì)管系破壞及解決方案的探討

龍紅偉

(中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石化工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

我國(guó)北方大部分地區(qū)冬季極度嚴(yán)寒，極端最低氣溫在-40℃左右，最冷月平均氣溫也在-20℃以下;另外，隨著國(guó)外工程項(xiàng)目的增多，有些地區(qū)的氣溫甚至更低。在這些地區(qū)，最大凍土深度很大，而且有些地區(qū)地下水資源又比較豐富，全年平均降雨量大，導(dǎo)致地下水位線很淺。在這些地區(qū)的石油化工企業(yè)管道布置設(shè)計(jì)中，通常大家都會(huì)考慮管道、設(shè)備的防凍、防凝設(shè)計(jì)，但是往往把土層的凍脹對(duì)管道設(shè)計(jì)的影響忽視，導(dǎo)致某些石油化工企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中，在進(jìn)入嚴(yán)冬時(shí)因管道系統(tǒng)受凍脹力影響而被破壞導(dǎo)致的事故頻發(fā)。本文從土層凍脹基本原理并結(jié)合石油化工企業(yè)工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)例進(jìn)行分析闡述，從管道的自然補(bǔ)償、支撐型式等方面對(duì)凍脹力對(duì)管道的破壞進(jìn)行解決，以期對(duì)土層凍脹在石油化工企業(yè)管系里的影響得以解決。

1 土層凍脹機(jī)理

1.1 凍土層的概念及特點(diǎn)

凍土層(Tundra)，在地質(zhì)學(xué)上是指零攝氏度以下，并含有冰的各種巖石和土壤的特殊土體。一般可分為短時(shí)凍土(數(shù)小時(shí)、數(shù)日以至半月)、季節(jié)凍土(半月至數(shù)月)以及多年凍土(數(shù)年至數(shù)萬(wàn)年以上)。當(dāng)天氣變暖時(shí)凍土層就會(huì)融化，我們稱這種凍土為季節(jié)凍土。但在有些地方存在一種持續(xù)多年不化的凍土，那就是多年凍土。如在北極、青藏高原，因?yàn)槟抢锍Ｄ隃囟榷荚诹愣纫韵拢詢鐾辆蜁?huì)保持常年不化，即使在溫度偏高的年份，只是表面一小層土壤被融化，深層仍然是堅(jiān)硬的凍土。

凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有豐富的地下冰。凍土層的厚度與地表、地下溫度關(guān)系密切。因此，凍土具有流變性，其長(zhǎng)期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時(shí)強(qiáng)度特征。正是由于這些特點(diǎn)，在凍土區(qū)工程建設(shè)就必須面臨兩大危險(xiǎn):凍脹和融沉。中國(guó)的青藏鐵路就有一段路段需要通過(guò)凍土層。工程師需要透過(guò)多種方法去使凍土層的溫度穩(wěn)定，以避免因?yàn)閮鐾翆拥霓D(zhuǎn)變而使鐵路的路基不平導(dǎo)致的意外發(fā)生。

1.2 土層凍脹量的大小與凍土層和地下水深度關(guān)系

根據(jù)凍土層特點(diǎn)可以知道，在石油化工裝置中，對(duì)管道造成影響的主要應(yīng)為短時(shí)凍土(數(shù)小時(shí)、數(shù)日以至半月)、季節(jié)凍土(半月至數(shù)月)，因?yàn)檫@類凍土存在時(shí)間和季節(jié)性上的差別，在零攝氏度以上時(shí)，凍土?xí)В诹銛z氏度以下時(shí)凍土層開(kāi)始累積，隨著氣溫不斷下降或者上升會(huì)變化。一般來(lái)講，凍土層的凍結(jié)深度與當(dāng)?shù)刈匀粭l件-最冷月平均氣溫的高低有關(guān)，溫度越低凍結(jié)深度就會(huì)越深;最大凍土深度與當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫有關(guān)，當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫越低最大凍土深度就會(huì)越深。

土壤里面或多或少的都含有水分，尤其是地下水位線下含有豐富的地下水，當(dāng)溫度降到零度或零度以下時(shí)，土壤里的水分就會(huì)凝結(jié)成冰將土壤凍結(jié)，形成凍土層。一般來(lái)講，凍土層的凍結(jié)深度與與當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件有關(guān)，地下水位線越淺凍結(jié)深度就會(huì)越深。

由于冰的密度小于水的密度，就會(huì)引起凍土層的體積自由膨脹，產(chǎn)生一定的凍脹量，最大凍土深度越深，地下水位線越淺，土層凍脹量就會(huì)越大。

1.3 舉例驗(yàn)證

下面對(duì)北方某石油化工一工程項(xiàng)目的工程場(chǎng)地的土層凍脹量進(jìn)行舉例驗(yàn)證。

該地基本自然條件:

最冷月(一月)平均氣溫-25.1℃

最熱月(七月)平均氣溫 27.8℃

極端最高氣溫 37.1℃

極端最低氣溫-36.2℃

累年年平均溫度 3.2℃

采暖期天數(shù) (10月15日-4月15日)

場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度 1.8-2.0m

最大凍土層 2.2m

該地水文地質(zhì)條件:

場(chǎng)地地下水埋藏較淺，地下水屬上部潛水型，補(bǔ)給源主要為大氣降水。勘察時(shí)，初見(jiàn)水位在3.40-3.60 米，靜止水位為2.40-2.60 米。豐水期時(shí)(每年的8、9、10月)，水位抬升約1.20-1.80 米。

該地工程場(chǎng)地地質(zhì)特征自上而下描述如下:

第①層 表土:黃色，埋深:0.2-0.8 米，以粉質(zhì)粘性土為主，夾少量的粉土及砂類土，含大量的植物根系，欠固結(jié)。不宜作地基主要受力層。

第②層 粉質(zhì)粘土:埋深:0.2-0.8 米，厚度:0.4-1.5 米之間。黃色-黃褐色，可塑，飽和，局部夾粉土及粉砂，中壓縮性土(在凍深范圍內(nèi))。為強(qiáng)凍漲土，地基承載力特征值fak =130kpa，Es=4.1MPa。

第③層 粉細(xì)砂:埋深:0.4-1.90 米，厚度:0.7-2.0 米。黃色- 黃褐色，濕，含鐵質(zhì)氧化物，分選好，中密。fak =180kpa，Es=12MPa。

根據(jù)以上資料并結(jié)合該企業(yè)多年實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，地下水位(W1)按照0.8m 考慮，凍土層(W2)按照2.2 米考慮，以上數(shù)值是根據(jù)極端條件下假設(shè)的。

下面根據(jù)以上假設(shè)情況，粗略計(jì)算該地區(qū)土層凍脹量:

以1m^3 水凍脹為例，邊長(zhǎng)為a，結(jié)冰后邊長(zhǎng)為b，結(jié)冰后凍脹量為c，假定條件下該地區(qū)土層凍脹量為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)計(jì)算示意簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1

圖1 土層凍脹量計(jì)算示意簡(jiǎn)圖

∵1m^3 水結(jié)冰后質(zhì)量不變

∴m 水=ρ 水V 水=ρ 冰V 冰

∴V 冰=ρ 水V 水/ρ 冰=10/9V 水

∴1m^3 水結(jié)冰等于10/9m^3 冰

∴b^3 =10/9a^3b=(10/9)^(-3)a

∴1m^3 水凍脹量c = b- a = (10/9)^(- 3)- 1 = 0.035744m(定值)

∴假定條件下土層的凍脹量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

從上面計(jì)算結(jié)果，不難看出，凍土層越深，地下水位越淺，土層凍脹量越大。

2 土層凍脹對(duì)石油化工企業(yè)管系的破壞

2.1 凍脹力對(duì)管系的破壞的四種情況

進(jìn)入冬季氣溫下降到0℃以下后，場(chǎng)地土層就會(huì)不斷凍結(jié)，隨著氣溫的不斷下降，凍脹不斷累積，場(chǎng)地土層就會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)自由膨脹，在自由膨脹受到約束時(shí)就會(huì)產(chǎn)生通常所說(shuō)的凍脹力。凍脹量越大，凍脹力就越大，凍脹力越大對(duì)管系的影響和破壞就會(huì)越大。因此，在我國(guó)北方嚴(yán)寒地區(qū)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，凍脹力對(duì)管系的影響和破壞應(yīng)該引起管道專業(yè)的高度關(guān)注。通常來(lái)講，凍脹力對(duì)管系的破壞有以下四種情況:1)土層凍脹力引起的管道應(yīng)力過(guò)大或金屬疲勞引起管道破壞;2)管道應(yīng)力過(guò)大使管道連接處產(chǎn)生泄漏;3)管道推力和/或力矩過(guò)大，使與其相連接的設(shè)備產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備正常運(yùn)行;4)管道各處凍脹量不同引起管道受力不均，也會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生1)2)所述的破壞。根據(jù)第1 節(jié)里的計(jì)算結(jié)果，可以看出在該地區(qū)條件苛刻的情況下，凍脹量可達(dá)到50mm，若不給于足夠的重視，在這種情況下安全事故恐怕將會(huì)難以避免。

2.2 凍脹力對(duì)管系的破壞舉例

在圖 1 所示的管道上設(shè)置支架的位置，由于管道支架對(duì)地面凍脹的約束，將會(huì)產(chǎn)生凍脹力，凍脹力通過(guò)支架作用在管道上形成管道應(yīng)力，當(dāng)管道應(yīng)力很大時(shí)就會(huì)對(duì)相關(guān)管系形成破壞，造成安全事故。據(jù)了解，大慶地區(qū)某石化公司 1 萬(wàn)立事故罐入口線( 沿地面敷設(shè)) ，設(shè)備管嘴處支架直接支撐到地面，嚴(yán)冬時(shí)由于土層凍脹的原因，發(fā)現(xiàn)支架附近管線嚴(yán)重變形，虧得及時(shí)發(fā)現(xiàn)并未造成安全事故。

圖2 沿地敷設(shè)管道支架設(shè)置不當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 沿地敷設(shè)管道支架設(shè)置不當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)

舉例說(shuō)明:圖2，云形線內(nèi)支架的設(shè)置就不合適，在嚴(yán)冬季節(jié)里由于凍脹力的作用，就有可能使管道焊口處或者法蘭連接處管道應(yīng)力或力矩過(guò)大，導(dǎo)致焊口撕裂或法蘭泄漏，之事安全事故的發(fā)生。

舉例說(shuō)明:圖3，在水平管道上有兩個(gè)落地支架，由于在地面上位置的不同，凍脹量也會(huì)有差異，凍脹力也會(huì)不一樣，造成管道受力不勻，在管道和法蘭處或者焊口處就會(huì)產(chǎn)生彎矩，有可能造成法蘭的泄露和焊口的撕裂，也會(huì)帶來(lái)安全故。

因此，在石油化工裝置設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于管道設(shè)計(jì)的不合理，土層凍脹對(duì)管道的破壞應(yīng)該引起我們的高度重視。

3 凍脹對(duì)管系的破壞的解決方案

3.1 受凍脹影響的管道類別

為了避免凍脹問(wèn)題對(duì)管系造成的破壞，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該高度重視，從源頭抓起。石油化工裝置里受凍脹影響的管道不外乎是室外沿地面敷設(shè)的管道，大致有:1)地面布置的設(shè)備附屬的管道2)管、構(gòu)架地面敷設(shè)的一些閥組或管線等。

3.2 解決方案

3.2.1 解決方案一

對(duì)于沿地敷設(shè)的小管道，因荷載比較小，通常其支撐不必在地面上設(shè)置管墩，在條件允許的情況下，建議其支架盡量從臨近的鋼結(jié)構(gòu)、大基礎(chǔ)及建構(gòu)筑物上生根或采取吊、掛等辦法，要最大限度減少管線地面支撐。見(jiàn)圖4。

該解決方案適用的管道范圍:1)高壓厚壁(PN ≥15.0MPa)公稱直徑DN≤80 的管道;2)中低壓薄壁(PN ＜15.0MPa)公稱直徑DN≤100 的管道

圖4 沿地敷設(shè)管道可調(diào)式支架設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)

圖5 沿地敷設(shè)管道管墩支撐現(xiàn)場(chǎng)

3.2.2 解決方案二

對(duì)于高壓厚壁大直徑管道或中低壓薄壁大直徑管道的支撐可以采取在管道支架下設(shè)置管墩，即淺基礎(chǔ)解決問(wèn)題。

對(duì)于相對(duì)較小的管墩可以采取深700-1000mm，下邊墊填300mm 以上的沙子;對(duì)于相對(duì)較大管墩底座應(yīng)降至凍土層以下。在管墩上可以用彈簧架或用固定支架等支撐管道。這種辦法可以從根本上最大限度減少土層凍脹對(duì)管系的破壞。見(jiàn)圖5。

通常，沿地面敷設(shè)的管道，為防止凍脹的影響，管墩設(shè)置范圍如下:1)對(duì)于高壓厚壁管道(PN≥15.0MPa)公稱直徑DN≥100 的管道，需要在管道支架下設(shè)置管墩;2)對(duì)于中低壓薄壁管道(PN ＜15.0MPa)公稱直徑DN≥150 的管道，需要在管道支架下設(shè)置管墩。

3.2.3 解決方案三

對(duì)于沿地敷設(shè)的小管道的支撐，如果附近鋼結(jié)構(gòu)、建筑物等結(jié)構(gòu)梁柱沒(méi)有條件設(shè)支架，管道的支撐(架)只能直接作用在地坪上，此時(shí)建議設(shè)置可調(diào)節(jié)式支架支撐，不過(guò)需手動(dòng)調(diào)節(jié)支架螺母，進(jìn)而調(diào)節(jié)支架的高度來(lái)減緩地表凍脹引起的凍脹力。見(jiàn)圖6。

圖6 沿地敷設(shè)管道可調(diào)式支架設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)

該解決方案適用的管道范圍:1)高壓厚壁(PN ≥15.0MPa)公稱直徑50≤DN≤80 的管道;2)中低壓薄壁(PN ＜15.0MPa)公稱直徑50≤DN≤100 的管道

對(duì)于特別小的管道(DN≤40)的管道，由于管道柔性相對(duì)較好，可以不必過(guò)多考慮凍脹對(duì)其影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

在嚴(yán)寒地區(qū)石油化工企業(yè)里，進(jìn)入嚴(yán)冬后，土層凍脹問(wèn)題一直以來(lái)都在困擾著生產(chǎn)人員，嚴(yán)寒地區(qū)里凍脹力對(duì)管系的影響和破壞應(yīng)該引起工程設(shè)計(jì)人員的高度重視，應(yīng)該從源頭抓起，不斷完善和提高管道布置的設(shè)計(jì)質(zhì)量，把因土層凍脹引發(fā)的安全事故發(fā)生的可能性降到最低。

［1］劉鴻緒.再論凍脹量與凍脹力之關(guān)系

［2］王延宗.寒冷地區(qū)石油化工裝置防凍設(shè)施的設(shè)計(jì)

［3］高鵬鵬.凍脹現(xiàn)象及管線上浮形變的分析

［4］馬金國(guó)，唐永進(jìn)，張發(fā)有.石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范(SH/T 3041-2002)