淺析山區油氣長輸管道的本質安全設計

羅 揚 楊 林 邊彥瑋 諶貴宇 王棠昱 康 凱 張茂林

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司, 四川 成都 610041

0 前言

目前，國內油氣長輸管道建設總里程已達到126 000 km。原油管道總長28 000 km,成品油管道和天然氣管道總長分別超過22 000 km和67 000 km,國家石油天然氣骨干管網已初步形成。隨著中國經濟的發展,長輸管道建設的路由選擇難度越來越大,地勢平坦地區絕大部分為人口密集區、城市規劃區,僅有的少數可選路由又被公路、鐵路、電力線路占用,管道建設不可避免地進入山區地段。山區地段的油氣長輸管道建設易受到地質情況、天氣等多種因素影響,因此山區油氣長輸管道的本質安全設計尤為重要。

1 面臨的挑戰及應對措施

山區油氣長輸管道多處人煙稀少偏遠地段,在建設過程中,不僅面臨路由選擇、管材性能指標確定、管道焊接、不良地質條件處理、山區布管、穩管措施等方面的挑戰,而且在投產后面臨運營維護等的挑戰。因此在設計過程中,應全方位考慮,保證山區油氣長輸管道的本質安全。

1.1 選定線

山區油氣長輸管道建成運行后雖受第三方破壞影響較小,但受惡劣天氣引起的次生地質災害影響較大,因此前期管道選定線應綜合考慮多方面因素,以確保管道安全。

選定線應注意以下幾點。

1)應配備線路、勘察、測量、水工保護及水土保持等專業經驗豐富的工程師,宜配備施工單位土建人員,并應邀請行業內經驗豐富的線路專家進行審線。

2)避免通過滑坡、泥石流和陡坡、陡坎等易造成管道失穩的不穩定邊坡地帶。

3)盡可能不沿山地等高線平行敷設,若必須通過時,應選擇縱向坡度較緩、削山開挖后巖體較穩定的地方,并做好相應的施工和運行安全防護措施。

4)縱向控制線路的整體坡度,盡量選擇坡長較短、坡度平緩、山型完整的地段通過。對于地形高差大、地質條件復雜的地段,要考慮將線路施工難度控制在合理、可接受的范圍內。

5)線路需要翻越山嶺時,應盡量選擇從埡口通過。若山脊線與管線走向一致且山脊寬、順直、施工方便時,可考慮選擇從山脊通過。

1.2 管材選取

高壓大口徑長輸管道選用低合金高強鋼,DN800～DN1 000大部分選用X70,DN1 000以上選用X80;國內大部分鋼廠X70管材抗拉強度上限值為760 MPa,X80管材抗拉強度上限值為825 MPa,實際生產過程中部分X70管材抗拉強度可達到X80管材抗拉強度,鋼管的抗拉強度允許值的范圍較大,環焊接頭實際上成為低強度匹配[1-4]。標準規定的管線鋼管強度要求見表1,某X80管道中屈服強度分布見圖1。

表1 標準規定的管線鋼管強度要求表Tab.1 Strength requirements for pipeline steel tubes specified in the standard

圖1 某X80管道中屈服強度分布圖Fig.1 Yield strength distribution of steel tubes in an X80 pipe

針對具體工程項目的鋼管訂貨,應確定合理的鋼管技術指標。充分調研管道科學研究院、西安管研院、制管廠家、焊培中心,咨詢業內材料、焊接專家,對線路用管的力學性能指標進行優化[5],進一步提升鋼管本質安全。如優化屈強比[6-9]:建議在訂貨時嚴格控制同一批次鋼管抗拉強度上限值,盡量縮小同一批次鋼管力學性能指標差異,有利于管道焊接性能的穩定,進而保證焊接質量。X70鋼管性能指標見表2。

表2 X70鋼管性能指標表Tab.2 X70 steel tube performance indexes

批量生產的鋼管中,鋼管管端相互之間的直徑差或外周長應符合最小錯邊量要求。如:管徑D1 016 mm鋼管周長差不大于6 mm,管口直徑偏差應不大于1.5 mm,應避免在管體焊縫及其對側出現桃尖、內陷或直邊等。管端150 mm范圍內的內、外管體焊縫(如螺旋焊縫、直焊縫),應采用機械方法修磨至余高0～0.5 mm,且與母材圓滑過渡。若傷及到母材,剩余壁厚應不小于鋼管標準壁厚的95%。

1.3 變壁厚焊接

根據近年管道焊口失效分析,變壁厚焊接點在分析的失效焊口中占比較大,為減小變壁厚差引起的焊接裂紋問題及應力集中問題,在山區地段,熱彎較為集中地段,采用等壁厚設計原則[10-11],即直管壁厚選用與所在區段熱彎壁厚相同。

措施1:某工程線路用管壁厚17.5 mm,熱彎用管壁厚19.2 mm,將線路用管壁厚由17.5 mm提高至19.2 mm,采取與熱彎用管等壁厚設計原則。本工程薄壁厚鋼管約39 km,雖然提高壁厚增加耗鋼量約1 600 t,但減少約 1 300 道變壁厚焊口(650個彎頭),大大消減焊接過程中由于壁厚差引起的焊接問題及應力集中問題。

措施2:不等壁厚鋼管非自動焊根焊處理見圖2,當壁厚差小于或等于2 mm的不等壁厚鋼管采用非自動焊進行根焊時,可直接進行焊接;當壁厚差大于2 mm，且δ2/δ1不大于1.5的不等壁厚鋼管采用非自動焊進行根焊時,可在厚度大的部件上進行削薄處理；當δ2/δ1大于1.5時,應按設計文件要求采用壁厚過渡短節,短接長度不應小于管子外徑值。

圖2 不等壁厚鋼管非自動焊根焊處理示意圖Fig.2 Schematic diagram of non-automatic root welding of steel pipe with unequal wall thickness

措施3:采取坡口平滑鏜口設計見圖3。某工程線路用管壁厚22.2 mm,熱彎用管壁厚25 mm,將熱彎兩端直管段坡口在工廠加工,平滑鏜口至與薄壁厚管等壁厚,不僅大大消減焊接過程中由于壁厚差引起的焊接問題及應力集中問題,同時較措施1的等壁厚設計原則更經濟合理。

圖3 坡口平滑鏜口示意圖Fig.3 Schematic diagram of bevel smooth boring port

1.4 軟硬地層交替的處理

山區油氣長輸管道地質情況復雜,管道常處于軟硬地質情況交替頻繁地段,地質軟硬結合點容易出現應力集中。

在管道下溝前,對地質軟硬結合點兩側各2根鋼管長度范圍內的溝底,先進行級配砂石回填再進行細土回填,消減由地基承載力不同引起的不均勻沉降,進而消減管道的應力集中,提高管道的本質安全。

連頭施工前,應測量對接管道的軸線不一致偏差角度或撥管位移量,預留連頭焊口兩側未回填管道長度(建議100～200 m),且兩側未回填長度應基本一致,避免強力組對。管道平行偏移示意見圖4,管道不對中示意見圖5。

圖4 管道平行偏移示意圖Fig.4 Schematic diagram of pipeline parallel offset

圖5 管道不對中示意圖Fig.5 Schematic diagram of pipeline misalignment

1.5 山區布管

部分山區油氣長輸管道經過高陡長坡地段,施工便道無法修筑,施工機械設備無法到達,布管成為山區施工的難題。

針對山區高陡長坡各地形實際情況,可采取以下特殊布管[12]方式:索道布管[13-14]、輕軌布管[15]、拖船布管。索道布管見圖6，輕軌布管見圖7。

圖6 索道布管照片Fig.6 Stringing pipe with cable car

圖7 輕軌布管照片Fig.7 Stringing pipe with light rail

1.6 穩管措施

為防止管道軸向失穩,根據現場地質情況,在高陡坡的頂部或底部設置錨固墩,錨固墩位置選擇在坡體的直管段,將錨固法蘭嵌入錨固墩內,避免陡坡段管道產生的作用力集中在熱煨彎管處,損壞管道。

為防止管道在施工過程中側向失穩,穩管措施采用錨桿截水墻和管卡截水墻交替布置,錨桿采用Φ25鋼筋,錨桿進入中風化巖層深度應不小于1.5 m,墻體采用C25混凝土澆筑。

管溝內采用混凝土澆筑回填或素土袋回填[16-17],管頂覆蓋植生袋[18],生態袋之間用卡扣連接,生態袋內裝填草籽和基材,在表面用主動防護網進行穩固。坡頂、坡底、管溝兩側每50 m交錯設置截排水溝。圖8～9為穩管施工現場圖片。

圖8 穩管施工照片1Fig.8 Photo 1 of pipe stabilizing construction

圖9 穩管施工照片2Fig.9 Photo 2 of pipe stabilizing construction

1.7 運營中的監測措施

1.7.1 應力應變監測

山區油氣長輸管道線路地質情況復雜,巖石破碎,土、石交錯分布,管道易受地質情況、溫度變化等影響,造成管道扭曲、變形、應力增加等不良后果,進而降低管體自身強度,產生應力集中,甚至引起裂紋萌生及擴展，引發斷裂,最終損壞管道或降低管道服役壽命。

重要地段設置應力應變監測設施,監測管道本體的受力狀態,實現風險監測與預警。

1.7.2 地表位移變監測

山區油氣長輸管道線路地質情況復雜,天氣惡劣,管溝開挖易破壞巖體完整性,施工擾動后在暴雨、持續降雨天氣下,易導致上方土體滑動失穩。

重要地段設置地表位移監測設施,監測管道周圍土體變化狀態,實現風險監測與預警[19]。

1.7.3 視頻監控及無人機巡線

目前國內未明確設置視頻監控設施的規范,只有高后果區完整性管理評價和安全評價中要求增設部分監測措施,對部分人員無法到達巡線的高陡邊坡地段可設置視頻監控,或者采用無人機巡線方式[20],提升運行維護管理水平,增加管道的安全性。

2 建議

山區油氣長輸管道熱煨彎管使用較多,地質情況復雜,林木茂密,地表附著物較多。為準確定位熱煨彎管及冷彎管,嚴格要求施工單位按圖施工,建議在地表附著物清障后,在管溝開挖之前,再進行一次施工圖斷面圖設計,這樣可以準確定位熱煨彎管及冷彎管的角度、位置及數量,有助于控制工程按圖施工。

管道變壁厚連接處,應在設計文件中明確要求熱煨彎管廠家預先進行坡口加工,或進行削薄處理,或進行平滑鏜口處理,并采取相應的管端坡口保護及防銹措施。

3 結論

近年來,管道環焊縫失效已引起各級單位的高度重視。特別是中緬管線2次環焊縫失效造成了較大的直接或間接損失,雖然主要原因為地表堆載土體的外部附加載荷引起的管道環焊縫失效,但提高管體的本質安全可大大降低管道環焊縫失效的概率。由于中國經濟的快速發展,管道路由為避讓城鎮規劃和基礎設施建設,今后山區油氣長輸管道在管道建設中占比越來越重,山區油氣長輸管道線路建設施工難度大,建成后期運行維護難度較大,管道易受惡劣天氣引起的次生地質災害影響,威脅管道的安全。針對前期管道線路選定線、管材性能指標確定、管道焊接坡口形式、地質處理、穩管措施、后續監測等方面提出了建議措施,并應用在后期管道建設中,對保證管道本質安全起到重要作用。