天然氣管道穿越水源保護區的保護方案研究

四川省天然氣管道投資有限公司 何連俊

水源保護區的環境承載力十分脆弱。在該類區域內開展工程建設，如果環保措施不到位，很容易給環境造成不可修復的影響[1]。按照現行的油氣管道設計規范，油氣管道不宜在該類區域內敷設管道。如管道確需穿越水源保護區，需要采取多種措施來滿足嚴格的環保要求。本文以華東某天然氣管道穿越二級水源保護地為例，從設計、施工及運營等方面對管道穿越環境敏感區的保護措施進行分析和探討，可供今后類似建設項目參考。

1 工程概況和穿越方式選擇

該工程案例中，華東某燃氣公司擬建設一條長60 km、設計壓力5.0 MPa、DN400的天然氣管道。根據天然氣管道的選線規劃，需穿越一條寬400 m、河床深18 m的大型河流。該河流為當地的二級飲用水水源保護區。對于天然氣管道穿越該河流的現狀，環保部門提出“優化管道穿越設計、施工方案，落實最嚴環保措施，避免對地下水造成影響”的要求。為達到環保部門的嚴格要求，該工程建設時采取了“設計時堅持本質安全、施工中強化環保措施、落實運營管理制度”的保護措施。

穿越河流的方式包括圍堰直埋、頂管、盾構以及水平定向鉆等。其中：圍堰直埋施工工藝簡單，但在水源保護地內建設，對水域的不利環境影響最大，本工程案例中不可行；如采取頂管方式穿越，穿越長度約600 m，穿越深度約30 m，穿越的安全可靠性較差；盾構方式穿越一般適用于大管徑、多管線穿越，本工程若對1根DN400的管道采取盾構穿越，投資大、經濟性較差；水平定向鉆技術自20世紀80年代引入我國后，技術日臻成熟，成本大幅下降，具有工藝成熟、工期短、出入土點遠離河道而不破壞河流原貌、對環境影響小等優點[2]，在很多大型河流穿越中得到廣泛應用。

另外，適合定向鉆穿越的地質條件是粉土、粉質黏土、粉砂、細沙、軟質巖石層等。根據地質勘察報告，本項目穿越位置地下30 m內土層依次為填土、黃色粉質黏土、灰色淤泥質粉質黏土夾薄層黏質粉土等，適合定向鉆穿越的地質條件。

經上述比選，本工程最終確定采用水平定向鉆方式穿越水源保護地。

2 管體設計

管道本體的合理化設計是管道安全可靠的重要保障。在設計階段，應做到管道的本質安全。對于大型河流管道穿越，更應從管材、壁厚等方面提高要求，保證管道的強度、穩定性、抗震性能滿足要求。

2.1 管材及壁厚選擇

根據本工程的實際情況，經技術經濟比較后，管材選用管道韌性較好的L360M直縫埋弧焊鋼管。按照GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》（以下簡稱《設計規范》）中5.1.2條管道壁厚計算公式，得到管道計算壁厚為5.64 mm。考慮到本項目管道穿越位置環保要求較高，經計算，本項目一般地段管道壁厚取7.90 mm，穿越段管道壁厚取9.50 mm。

2.2 強度及剛度校核

根據《設計規范》，輸氣管道應計算由設計內壓力、外部載荷和溫度變化所產生的應力，應使其小于管道的安全承受能力。經計算，本項目管道強度滿足要求。管道的剛度應滿足鋼管運輸、管道施工和運行時的要求，鋼管的外徑與壁厚的比值不應大于100。對于相同直徑的鋼管，壁厚越厚D/δ就越小，鋼管的強度越好。本工程管道的D/δ遠小于100，滿足強度要求。

2.3 徑向穩定性校核

近年來國內定向鉆穿越過程中，出現過幾次管道徑向失穩變形事故，根據GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》（以下簡稱《穿越工程規范》），采用定向鉆穿越管段，需要對空管在泥漿壓力作用下的徑向屈曲失穩按如下公式進行校核：

式中：ps——泥漿壓力，MPa，取1.5倍泥漿靜壓力或回拖施工時的實際動壓力；

Fd——穿越管段設計系數；

pyp——穿越管段能承受的極限外壓力，MPa；

σs——鋼管最低屈服強度，MPa；

pcr——鋼管彈性變形臨界壓力，MPa；

δ——管道公稱壁厚，m；

f0——鋼管橢圓度，%；

E——鋼材彈性模量，取2.1×105MPa；

Γ—泥漿重度，kN/m3；

h—穿越最大深度，m；

μ——泊松比，取0.3。

本工程管道定向鉆穿越的深度為河床下10 m。計算結果見表1。

表1 定向鉆段管道徑向屈曲失穩校核

ps≤Fd·pyp，由此可見本工程定向鉆穿越段管道徑向屈曲穩定性滿足要求。

2.4 抗震校核

本工程中管道穿越所在位置地震抗震設防烈度為7度，設計基本地震動峰值加速度為0.10 g。根據規范要求，需要對穿越段管道進行抗拉伸和抗壓縮校核。本工程中管道的抗震校核如下：

直埋式穿越管道應采用應變準則校核，其應變應按規定進行組合。

（1） 彈性敷設管道的軸向應變計算。對彈性敷設管道，應計入彈性彎曲應變，并應按下式計算：

式中：εe——彈性敷設時管道的軸向應變；

r——彈性敷設的曲率半徑，一般取 1500 D=609.6 m。

經計算，彈性敷設時管道的軸向應變εe=±0.00033。

（2） 地震動作用下最大軸向應變計算。在地震動作用下埋地直管道最大軸向應變可按下式計算：

式中：εmax——地震動作用下最大軸向應變；

a——地震動峰值加速度，根據 GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》取0.10 g；

Tg——地震動反應譜特征周期，根據 DGJ 08-9—2013上海市工程建設規范《建筑抗震設計規程》取0.9 s；

Vse——場地土層等效剪切波速，取140 m/s。

經計算，地震動作用下最大軸向應變εmax=±0.000 05。

2.5 管道最大軸向拉、壓應變校核

地震作用下管道軸向的組合應變應包括地震動引起的管道最大軸向應變和內壓、溫差等操作荷載引起的軸向應變，并按下式校核：

式中：εmax——地震動引起管道的最大軸向拉、壓應變；

εa——由于內壓和溫度變化產生的管道軸向應變，此處操作條件為彈性敷設，故用εe代替 εa；

[εc]v——埋地抗震設計軸向容許壓縮應變；

[εt]v——埋地抗震設計軸向容許拉伸應變。

埋地管道軸向容許應變，應按下列規定確定：L450及以下鋼級校核容許壓縮應變[εc]v=0.35δ/D=0.008 2；L450 及以下鋼級校核容許拉伸應變[εt]v=1.0%=0.01。

當 εmax+εa≤0 時，最大壓縮應變：∣εmax+εa∣=∣0.000 05+0.000 33∣=0.000 38＜0.008 2=[εc]v；

當 εmax+εa＞0 時，最大拉伸應變：∣εmax+εa∣=∣0.000 05+0.000 33∣=0.000 38＜0.01 =[εt]v。

經計算校核，本工程直埋式穿越管道的軸向壓縮、拉伸應變，均滿足要求。

3 穿越方案設計

3.1 出入土點

根據《穿越工程規范》，“水平定向鉆穿越入土角宜為 6°～20°，出土角宜為 4°～12°，水平定向鉆入土點、出土點距大堤坡腳的距離不宜小于50 m”。考慮到對穿越位置水源保護地的環保要求，適當增大管道入土點、出土點與江堤的距離。本工程管道穿越入土點位于河流南岸，距離江堤155 m，入土角為12°；出土點位于河流北岸，距離江堤78 m，出土角為10°；曲率半徑取1500 D，即609.6 m。

3.2 穿越深度

為保證管頂不受水流沖擊和河道疏浚影響，管頂需滿足《穿越工程規范》“水域穿越管段管頂埋深不宜小于設計洪水沖刷線或疏浚深度線以下6 m”的要求。在實際工程建設時，水務部門很難提供河道的疏浚線，可通過計算洪水沖刷線來確定管頂標高，洪水沖刷線水深可參考JTG C30—2015《公路工程水文勘測設計規范》中推薦的公式進行確定。本案例中穿越位置河道無具體的疏浚線標高，結合水務和航道部門的意見，根據計算確定穿越段管頂位于河底規劃標高下10 m。

3.3 防腐

本工程案例中天然氣管道全線采取加強級3PE外防腐和陰極保護聯合保護措施。考慮到管道水平定向鉆穿越處會受到拖拉摩擦，采用3PE以及在水源保護地段管道采用加強級雙層熔結環氧粉末涂層，都有可能發生外防腐破損。根據環保局的意見，在管道外防腐層之外，對穿越段管道外壁涂光固化套保護，進一步提高管道防腐質量和安全可靠性。

3.4 線路監控

本工程案例中采用SCADA系統對場站及管道進行自動控制。為保證管道的整體安全性，在調度中心配置有管道泄漏監測系統，一旦管道發生破損（包括穿越段）而造成泄漏，通過泄漏監測軟件能及時確定管道的泄漏量及泄漏點，并遠程快速關閉管道破損處兩側的線路截斷閥，降低泄漏事故風險。

4 施工和運營措施

4.1 施工措施

在實際工程建設項目中，環保部門也十分關注管線施工過程中采取的環保措施。本工程案例中，對穿越的泥漿選用和配置作了特別要求：

（1） 優化泥漿配比。提高泥漿的初始切力，利用其優異的懸浮能力及“護壁”能力，減少砂層的崩塌速度，避免塌孔發生。提高泥漿的黏土含量，利用大量黏土顆粒進入砂層間形成的膠結作用，達到穩定井壁的作用[3]。

（2） 選用環保泥漿添加劑。泥漿添加劑包括降失水劑、提黏劑和防塌潤滑劑等。推薦采用進口的環保型食品添加劑，符合環保要求。

（3） 防漏泥漿措施。施工中采用“兩高一適當”泥漿方案，避免因泥漿竄流掏空地層而造成坍塌。

（4） 泥漿回收處理。穿越兩岸各有一個返漿收集池，組裝場地的泥漿通過返漿池收集，經沉淀之后處理；鉆機場地泥漿經過泥漿回收池沉淀后，再經過泥漿回收系統回收再使用。

4.2 運營措施

管道建成后的有效運營管理，也是降低環境風險的重要環節。本工程案例采取的必要安全措施：

（1） 增加管道穿越處的視頻監控。不僅監測管道的運行狀況，還防止管道遭受第三方破壞。

（2） 落實管道內監測制度。按規定定期對管道進行內監測和防腐質量評估，發現問題及時處理。

5 結語

在水源保護地敷設油氣管道，環保部門會提出最嚴格的環保要求。本文以某天然氣穿越水源保護地工程為案例，探討和分析了相關的保護措施。實際工程中，只要從設計上提高管道的安全可靠性，在施工上注重施工質量，采取盡可能多的環保措施，落實管道運營期的安全管理制度，不僅能夠實現天然氣管道服務經濟建設，同時也能滿足嚴格的環保要求，從而實現經濟效益和社會效益的雙贏。