改進壓重效果以提高長輸管道系統可靠性

唐培連，常懷民，劉艷東，任文明

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

改進壓重效果以提高長輸管道系統可靠性

唐培連，常懷民，劉艷東，任文明

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

長輸管道系統的可靠性是由許多要素共同決定的，管道壓重效果便是其中之一。總結得出了決定管道壓重效果的兩個核心要素——抗飄浮計算和壓重形式。通過對兩種抗飄浮計算理論的對比分析，得出了“抗飄浮不應全部按凈水壓力計算，在特殊情況下應采用動水壓力計算”的結論。通過對不同壓重形式優缺點進行比較，得出了“一般地層宜采用土工平衡壓袋穩管，堅硬巖層宜采用混凝土連續澆注穩管”的結論。

長輸管道；可靠性；壓重形式；抗飄浮計算；動水壓力；靜水壓力

長輸管道工程是一個由眾多環節組成的復雜系統工程，穿越段管道開挖是復雜系統工程中的薄弱一環。在已運營的管道工程中，開挖段管道被沖出（即漂管）現象時有發生。如蘭成渝輸油管道石亭江段穿越管道雖埋深在沖刷線下3 m多，大大超過《油氣輸送管道穿越工程設計規范》[1]“埋深大于1.2 m”的要求，但因管道上游后建水壩和特大洪水等原因，使D 610 mm×9.5 mm鋼管（材質為X65）于2013年7月發生漂管及護岸沖毀（見圖1），給管道安全運營帶來很大威脅。管道漂管主要有三方面原因：其一，人為破壞（如挖沙等）；其二，設計采用的沖刷值小于河道實際沖刷值，致使管道埋深不足；其三，壓重效果差。人為破壞本身可控性差，河道沖刷數據由勘察單位和防洪評價單位提供，是設計的基礎條件，設計很難從上述兩方面做出有效調整來提高管道系統的可靠性，因此本文，僅從壓重這一角度出發論證如何通過改進壓重效果來提高管道系統的可靠性。

圖1　蘭成渝石亭江穿越管道漂管及護岸破壞

1　管道壓重效果影響因素分析

管道壓重最理想的效果是管道被沖出后不發生漂管問題，可為運營單位搶修贏得時間。若壓重能抵抗水壓且壓重與管道在水壓作用下依然能緊密結合在一起，則上述預期效果是能實現的。管道壓重效果主要由壓重數量和壓重形式決定[2]。

壓重數量可解決管道運營中受到的浮力問題，通過管道抗漂浮計算確定。目前主要有兩種抗漂浮計算理論，即靜水壓力計算理論和動水壓力計算理論。通過不同理論計算可得到不同的壓重量。因此不同抗漂浮計算理論直接決定了壓重的數量，是決定壓重效果的關鍵因素之一。目前壓重設計數量絕大多數是通過管道靜水壓力抗漂浮計算確定的。

壓重形式可解決管道被沖出后壓重與管道緊密結合的問題，即其在水壓作用下的穩定性問題。管道壓重形式很多，如土工平衡袋、馬鞍式、鐲式、混凝土連續覆蓋、混凝土連續澆注等，壓重形式通常是根據地層特性及工程經驗確定的。壓重形式是決定管道壓重效果的另一關鍵因素。

2　管道抗漂浮計算理論適用條件及適用性分析

2.1兩種計算理論

管道壓重數量是通過管道抗漂浮計算確定的，目前有兩種抗漂浮計算理論[3]，即靜水壓力分析計算和動水壓力分析計算，靜水壓力理論計算公式為[3]：

w≥KFs（1）

式中：w為單位長度管段總重力（包括管身結構自重、配重層重；不含管內介質重力），N/m；K為穩定安全系數，大、中型穿越工程取1.30，小型穿越工程取1.20；Fs為單位長度管段靜水浮力，N/m。

動水壓力理論除考慮了靜水壓力外，尚考慮了動水推力和動水上舉力，其計算公式為：

式中：Fdy為單位長度管段動水上舉力，N/m；Fdx為單位長度管段動水推力，N/m；f為管段與河床的滑動摩擦系數，根據試驗或工程經驗確定（無試驗時，三層PE、環氧粉末涂層的管段可取0.25，其他涂層或加配重段的管段可取0.30）；Cy為浮力系數，取0.60；Cx為推力系數，取1.20；D0為管身結構（含防護、配重層）的外徑；γw為穿越水域水的重度，N/m3；v為管段處設計洪水水流速度，m/s；g為重力加速度，取9.80 m/s2。

2.2兩種理論適用性分析

《油氣輸送管道穿越工程設計規范》規定：“當管道埋深符合規范要求時，抗漂浮采用靜水壓力計算；當管道埋深不符合規范要求時，抗漂浮按動水壓力計算”。在開挖設計中，由于管道在沖刷線下的埋深都滿足規范要求，因此皆采用靜水壓力進行計算，最終通過浮力來確定壓重的數量。這種做法符合規范要求，但忽略了一個問題，即設計時采用的沖刷數據與工程實際最大沖刷值不符。由于沖刷數據本身是一個很難準確確定的參數，雖然防洪評價或勘察單位在提供沖刷數據時適當考慮了安全余量，但面對各地如此眾多的河流開挖穿越工程及復雜的外界條件，亦難免有考慮不充分的情況。因此當設計采用沖刷數據小于河道實際沖刷值時，將會導致管道埋深并不滿足實際“沖刷線下一定深度”的要求，此時就應按照規范規定的按動水壓力計算管道受到的浮力。若依然按靜水壓力計算，會導致工程安全系數降低，管道被沖出后會發生漂管現象。

2.3小結

由于設計采用的沖刷值可能比實際沖刷值小，因此全部采用靜水壓力進行計算是不合理的。同時考慮到動水壓力計算壓重增加的工程投資占整個開挖穿越的比重很小，就整個項目而言這部分增加的費用基本可忽略不計，因此筆者建議在下列情況下采用動水壓力確定壓重數量：

（1）當沖刷數據有誤或根據經驗判斷沖刷數據可能與實際不符時，除一方面核實沖刷數據外，另一方面壓重塊的計算應考慮動水浮力。

（2）管道穿越位置可能遭人為破壞時，如附近有挖沙等情況。

（3）外界條件有可能變化時，如附近有相應的水利規劃等。

（4）穿越位置附近曾發生過管道被沖出破壞等情況時。

（5）穿越位置河道沖刷情況復雜多變且經驗欠缺時。

3　壓重形式比選及適用性分析

3.1常見壓重形式分類

管道工程中常用的壓重形式有土工平衡袋壓重[4]、馬鞍式壓重、鐲式壓重、混凝土連續覆蓋壓重、混凝土連續澆注壓重等形式。

（1）土工平衡袋壓重。土工壓袋適用地層廣泛，用于黏性土、粉土、粉細砂、角礫、圓礫等地層。由于在堅硬巖層中尖銳巖尖可能刺穿土工袋，因此應慎用或采取抗沖刺措施后使用。土工壓袋能與管道緊密結合在一起，因此其在動、靜水壓力下皆具有良好的抗傾覆穩定性。另外，該壓重方式施工簡單，取材便捷，造價低。

（2）馬鞍式壓重。馬鞍式壓重是長輸管道系統中最常見的壓重形式，具有技術簡單、施工工藝成熟的優點。但該壓重形式在動水壓力下抗傾覆穩定性差，容易與管道脫節，導致壓重失效。另外由于單個壓重塊重量較大，施工中顯得尤其笨重[5]。

（3）鐲式壓重。地層適用性廣，抗傾覆能力強。壓重塊預制工藝較復雜，現場安裝不方便，連接難度大，且螺栓會銹蝕，運營中存在壓重失效風險[6]。

（4）混凝土連續覆蓋壓重。優點同鐲式壓重。其缺點為預制、施工工藝復雜，甚至需要工廠預制。

（5）混凝土連續澆注壓重。通過在管道溝槽內局部或全部澆注混凝土，達到管道壓重的目的，常用于基巖地段的管道壓重。此方法施工較簡單，由于混凝土用量較大，造價較高。

3.2壓重形式優缺點分析及選型結論

各種壓重形式優缺點對比分析見表1。

表1　壓重形式優缺點對比

3.3壓重選型結論

由于壓重的穩定性對壓重效果非常重要，因此在選型時應優先考慮其抗傾覆能力，即壓重在各種復雜水壓力條件下能與管道緊密結合從而起到壓重效果的能力；其次考慮經濟性，由于壓重造價所占比重非常小，因此在壓重形式、造價差別不大的情況下，應優先考慮施工便捷。

在綜合考慮壓重效果、施工難易程度及對工程造價進行對比分析后，得出如下壓重選型原則：一般地層中應以土工平衡壓重袋作為首選的壓重形式；堅硬巖層中應以混凝土連續澆注作為首選的壓重形式。

4　結束語

工程建成后可能會面臨許多極端情況或外界不利因素，而在設計階段這些問題是很難全面考慮到的，因此，在工程運營過程中出現了一些管道被沖毀的問題，一旦局部出現問題，整個長輸系統即處于癱瘓狀態。本文對管道壓重計算理論及壓重形式結合實際工程經驗進行了深入分析，對提高壓重效果非常有益，因此可在很大程度上減少管道被沖毀的概率，具有實際工程意義。

[1]GB 50423-2013，油氣輸送管道穿越工程設計規范[S].

[2]宋鵬，楊立明.壓重袋在大口徑管道穩管中的應用[J].油氣儲運，2010，29（2）：148-149，157.

[3]孫東坡.水利學[M].黃河水利出版社，2009.

[4]曾佳軍，孫海鵬，師紅杰，等.管道浮力平衡壓袋穩管技術研究[J].石油工程建設，2012，38（2）：31-33.

[5]王毓民.混凝土加重穩管在管道穿越水域中的應用[J].天然氣與石油，1999，17（1）：1-6.

[6]陳國祥，馮士明.國外長輸管道穩管新技術[J].石油工程建設，2004，30（3）：8-12.

[7]候海軍，李瑋，胡那拉.管道配重新材料的探討[J].內蒙古石油化工，2012（15）：59.

[8]楊智鵬.淺談抗漂浮、穩管技術在河流穿越中的應用[J].中國高新技術企業，2012（24）：60-61.

[9]張文斌，譚家華.土工織物充填管狀帶的設計研究[J].中國港灣建設，2004（5）：25-29.

To Enhance L ong-distance Pipeline System Reliability by Improving Weight L oading Effect

TANG Peilian，CHANG Huaimin，LIU Yandong，REN Wenming
China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China

The reliability of the long-distance pipeline system is determined by many factors，the weight loading effect is one of them.In this paper，it is concluded that the weight loading effect is decided by two core elements-floating resistance calculation and weight loading form.Through the contrastive analysis on the two kinds of floating resistance calculation theory，it is further concluded that“Pipe floating resistance should not be calculated by hydrostatic pressure only，hydrodynamic pressure calculation should be adopted in special circumstances”.Through the comparisive study on the advantages and disadvantages of different weight loading forms，the conclusion is also obtained that“Earth balanced weight bags are fit for generalformation；but continuous concrete casting is fit for hard formation”.

long-distance pipeline；reliability；weight loading form；floating resistance calculation；hydrodynamic pressure；hydrostatic pressure

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.009

唐培連（1979-），男，山東昌樂人，工程師，2008年畢業于北京交通大學橋隧專業，碩士，現主要從事管道穿跨越設計工作。

Email：tangpeilian@cnpc.com.cn

2016-02-19；

2016-07-11